發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸淬火感應(yīng)器的制作與檢測(cè)

薛飛，周維綱，嚴(yán)海橋，楊軍，黃巍

上汽大眾汽車有限公司 上海 201805

1 序言

EA888發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在生產(chǎn)過程中需要完成淬火處理。發(fā)動(dòng)機(jī)廠的淬火設(shè)備采用的是感應(yīng)淬火原理，即利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱量，使工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火工藝[1]。感應(yīng)器（見圖1）是淬火機(jī)床中產(chǎn)生感應(yīng)電流并對(duì)工件加熱淬火的終端元件，也是感應(yīng)淬火設(shè)備用來加熱的核心部件，具有加熱效率高、速度快和可控性好等優(yōu)點(diǎn)，集加熱回火于一體，是控制工件淬硬層深度與寬度的重要環(huán)節(jié)。

圖1 淬火感應(yīng)器工作情況和實(shí)物

發(fā)動(dòng)機(jī)廠曲軸生產(chǎn)線的淬火機(jī)床整機(jī)是從德國(guó)ALFING公司進(jìn)口的，在投入生產(chǎn)一段時(shí)間后，設(shè)備的狀況很不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生故障報(bào)警而影響生產(chǎn)。經(jīng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，淬火機(jī)床的主要故障原因是感應(yīng)器的接地故障，而接地故障主要是因感應(yīng)器的短路而引起的。感應(yīng)器的不穩(wěn)定和使用壽命短也直接導(dǎo)致淬火質(zhì)量下降、工件不合格率增加等棘手問題，且淬火機(jī)床的部件（包括感應(yīng)器）都是由德國(guó)制造并進(jìn)口，備件價(jià)格昂貴且供貨周期長(zhǎng)。因此，面對(duì)日益增長(zhǎng)的產(chǎn)量目標(biāo)，解決曲軸淬火機(jī)床感應(yīng)器運(yùn)行不穩(wěn)定問題已迫在眉睫。

2 曲軸淬火感應(yīng)器自主制作

曲軸淬火加熱的ALFING感應(yīng)器共有5種型號(hào)，分別為主軸頸3種：M1、M2/4、M3/5；連桿頸2種：P1/3、P2/4（見圖2）。每種感應(yīng)器都由內(nèi)部的感應(yīng)線圈和外殼兩部分主體結(jié)構(gòu)組成，且每種感應(yīng)器的形狀尺寸均有所不同。

圖2 感應(yīng)器加工示意

經(jīng)過對(duì)感應(yīng)器制作中的成形、焊接和檢驗(yàn)技術(shù)的不斷探索，目前我公司已能夠自主制作所有5種型號(hào)的曲軸淬火感應(yīng)器總成（包括感應(yīng)線圈和外殼）。

2.1 成形工藝

成形技術(shù)是感應(yīng)器制作中的核心工藝。以曲軸主軸頸M1型感應(yīng)器（見圖3）為例，感應(yīng)線圈的形狀是根據(jù)曲軸的外形和工件夾持的位置而特制的，特別是其前端的工作區(qū)域，大多為不規(guī)則形狀。

感應(yīng)線圈的制作母材為空心薄壁純銅管，從圖3可看出，M1型感應(yīng)器線圈的母材規(guī)格分別有4種長(zhǎng)方形的空心銅管：8mm×4mm×1mm、8 mm×6 mm×1 mm、9 mm×5 m×1 mm，12mm×10mm×2mm，以及1種圓形的空心銅管：φ10mm×1mm。

圖3 M1型感應(yīng)器零件

通過自主設(shè)計(jì)的專用工裝和模具如圖4所示。在成形過程中，將原來筆直的母材銅管彎制成所需的各種不規(guī)則的形狀，如圖5所示。在銅管成形前，必須在銅管內(nèi)注入松香，以確保銅管在變形后不產(chǎn)生破裂和形變。在銅管成形后，需要利用銑床和砂輪機(jī)等工具對(duì)其進(jìn)行修整，以保證其尺寸精度符合圖樣要求。

圖4 成形專用工裝和模具

圖5 母材銅管

在感應(yīng)線圈各個(gè)部件彎曲成形后，先按圖樣要求拼裝成一個(gè)整體，然后將其放入自主設(shè)計(jì)的工裝上進(jìn)行尺寸精度校驗(yàn)（見圖6），再在感應(yīng)線圈的前端工作區(qū)域內(nèi)按要求插入一定數(shù)量的硅鋼片和云母片。硅鋼片的功能是集中淬火加熱的能量，而云母片主要起到絕緣的作用。最后在感應(yīng)線圈之間插入聚四氟乙烯絕緣片，防止因線圈間的接觸而造成短路，并將線圈用環(huán)氧樹脂包裹，確保感應(yīng)線圈與外界絕緣（見圖7）。

圖6 感應(yīng)線圈校驗(yàn)成形尺寸

圖7 用環(huán)氧樹脂包裹感應(yīng)線圈

2.2 焊接

感應(yīng)器中的感應(yīng)線圈是由不同形狀和規(guī)格銅管拼裝而成的，在拼裝過程中需要大量采用焊接工藝（見圖8中圓圈處）。焊接質(zhì)量是決定感應(yīng)器制作質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，目前我公司采用傳統(tǒng)手工氣焊和感應(yīng)釬焊相結(jié)合的焊接工藝。

圖8 焊接示意

（1）手工氣焊 感應(yīng)線圈常規(guī)的焊接方法是利用氣焊槍人工焊接，其原理是將氧乙炔混合氣體在焊槍槍頭處點(diǎn)燃以產(chǎn)生熱源來進(jìn)行焊接。手工氣焊使用簡(jiǎn)單、快捷，可滿足感應(yīng)線圈大部分的焊接要求。但是，其也有比較明顯的缺點(diǎn)：①感應(yīng)線圈上的狹小部位難以焊接，容易導(dǎo)致焊接不充分的情況。②熱量容易擴(kuò)散，溫度不可控制。③安全隱患大（易燃易爆氣體及明火）。

（2）感應(yīng)釬焊 感應(yīng)釬焊是將需要焊接的金屬工件放在感應(yīng)線圈內(nèi)，通高頻交流電，產(chǎn)生感應(yīng)電磁場(chǎng)，在工件表面耦合產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使金屬表面形成感應(yīng)渦流，并依靠在金屬表面產(chǎn)生的渦流發(fā)熱[2]。在焊接部位一般會(huì)涂上焊粉或焊膏，待工件達(dá)到釬料熔化溫度時(shí)焊接即可。感應(yīng)釬焊的熱量和溫度恒定并精確可控，可根據(jù)需要焊接的工件設(shè)計(jì)感應(yīng)線圈的形狀，從而實(shí)現(xiàn)全方位無死角焊接，且更加安全和環(huán)保[3]。應(yīng)用感應(yīng)釬焊技術(shù)可很好地解決手工氣焊所難以焊接到的部位（見圖8中紅色圓圈處），并可以提高焊接的質(zhì)量和效率。

2.3 檢測(cè)

經(jīng)過長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐，制作了感應(yīng)器尺寸檢測(cè)及相應(yīng)的公差范圍，來校驗(yàn)感應(yīng)器的關(guān)鍵尺寸，并設(shè)計(jì)制作了一套感應(yīng)器檢測(cè)系統(tǒng)，能夠檢測(cè)各種型號(hào)感應(yīng)器的水流量、壓力等功能性指標(biāo)。

（1）尺寸檢測(cè) 感應(yīng)器總成的關(guān)鍵尺寸和公差范圍見表1。

表1 感應(yīng)器總成的關(guān)鍵尺寸和公差范圍 （mm）

（2）感應(yīng)器循環(huán)冷卻水測(cè)試系統(tǒng) 由于在國(guó)內(nèi)還沒有非常專業(yè)制造各種異形感應(yīng)器的廠家，也沒有專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全面檢測(cè)，因此只能利用有限的經(jīng)驗(yàn)與簡(jiǎn)易的模具進(jìn)行制作維修，感應(yīng)器容易因冷卻水泄漏、內(nèi)循環(huán)堵塞而產(chǎn)生爆裂或線圈變形引起的鼓包，以及安裝調(diào)整不到位導(dǎo)致接地故障等狀況的發(fā)生。為此，我們自主研發(fā)了一套感應(yīng)器測(cè)試系統(tǒng)（見圖9），該套系統(tǒng)由工作臺(tái)（適用于不同型號(hào)的感應(yīng)器）、電控箱和水箱水泵系統(tǒng)組成，可以模擬淬火機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，感應(yīng)器中內(nèi)循環(huán)冷卻水的工況。利用這套測(cè)試系統(tǒng)，可全面監(jiān)測(cè)感應(yīng)器的冷卻水流量、壓力和密封性能，得出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從而保障感應(yīng)器（線圈）的使用性。

圖9 感應(yīng)器測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物與結(jié)構(gòu)組成示意

感應(yīng)器測(cè)試臺(tái)設(shè)備具有以下幾個(gè)功能。

1）可方便地調(diào)節(jié)水壓。水泵初始水壓8bar（1bar＝105Pa），通過調(diào)節(jié)閥門可將水壓最大值調(diào)節(jié)至18bar。這樣即可檢測(cè)耐壓變形范圍，測(cè)試感應(yīng)器的使用壽命。

2）可清晰直觀地讀出水流量數(shù)據(jù)。安裝于測(cè)試臺(tái)管路系統(tǒng)上的電子數(shù)字式流量計(jì)，可直觀地反映出設(shè)定工作周期內(nèi)循環(huán)水在設(shè)定壓力下通過感應(yīng)器管路的流量，從而檢測(cè)淬火設(shè)備的工作性能。

3）能夠全方位地觀測(cè)感應(yīng)器（線圈）的密封性，可目測(cè)感應(yīng)器的泄漏情況，同時(shí)通過壓力表也能反映出泄漏狀況。

4）方便后期預(yù)調(diào)整工作。感應(yīng)器上機(jī)工作時(shí)，對(duì)其垂直度要求相當(dāng)高，會(huì)直接影響感應(yīng)器的接地故障。通過在測(cè)試臺(tái)上的垂直尺檢測(cè)，調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行預(yù)調(diào)，可縮短更換感應(yīng)器后的調(diào)整時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

3 結(jié)束語

在完全具備曲軸淬火感應(yīng)器自主制作能力后，擺脫了生產(chǎn)線對(duì)感應(yīng)器進(jìn)口備件的依賴，并通過對(duì)自制感應(yīng)器進(jìn)一步有針對(duì)性地優(yōu)化和改進(jìn)，經(jīng)實(shí)際上機(jī)使用驗(yàn)證，自制感應(yīng)器的使用壽命和穩(wěn)定性超越了進(jìn)口感應(yīng)器，而成本和供貨期遠(yuǎn)低于進(jìn)口感應(yīng)器，在提高淬火機(jī)床穩(wěn)定性的同時(shí)，降低了設(shè)備的維護(hù)成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。