半軸鍛造加熱溫度自動控制方案

文/蔡永和·吉林圓方機械集團有限公司

半軸鍛造加熱是產(chǎn)品質(zhì)量控制中的重要一環(huán)，在加熱過程中通常會產(chǎn)生過熱、過燒等質(zhì)量缺陷，過熱通過后序的熱處理還可以彌補，但過燒是致命的質(zhì)量隱患，即無法彌補，又不容易發(fā)現(xiàn)，那么工件如何在加熱過程中溫度可控、溫度一致性好，防止半軸過熱、過燒，減少人為因素的影響，成了半軸鍛造加熱過程中必須解決的問題。

為了攻克這一難題，在設(shè)計和改進過程中重點針對半軸鍛造加熱過程溫度監(jiān)測和到溫后如何自動控制進行了研究和討論，最終確定方案為工件在加熱過程中采用紅外測溫儀實時監(jiān)測，工件達到設(shè)定溫度時測溫儀發(fā)出信號到PLC 機，PLC 機將信號再傳遞給電磁閥，電磁閥動作控制頂軸氣缸活塞桿頂出，活賽桿頂動半軸，半軸自動出料。這種設(shè)計方案既不影響生產(chǎn)效率，又不增加勞動強度，簡單實用，控制半軸鍛造加熱溫度準確、穩(wěn)定、可靠，完全消除了人為各種因素的影響，已經(jīng)通過了沃爾沃公司的嚴格審核，這種方案運行至今沒有出現(xiàn)過因為過熱、過燒等加熱缺陷產(chǎn)生的不合格品。

半軸產(chǎn)品簡介

半軸的定義：半軸是在差速器與驅(qū)動輪之間傳遞動力的實心軸，其內(nèi)端與差速器半軸齒輪連接，而外端與驅(qū)動輪的輪轂(或制動鼓/制動盤等)相連。

半軸的作用：從差速器傳遞來的扭矩經(jīng)過半軸、輪轂等，最終傳遞給車輪，是傳遞系中傳遞扭矩的一個重要零件。

半軸的分類：半浮式、全浮式和3/4 浮式三種。所謂“浮”是指卸除半軸的彎曲載荷而言，其中半浮式、全浮式兩種結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用較為廣泛。

半浮式半軸：半浮式半軸一端支承在差速器內(nèi)，另一端支承在橋殼上，即承受轉(zhuǎn)矩也承受彎矩，支承結(jié)構(gòu)簡單、成本低，因而被廣泛應(yīng)用于反力彎矩較小的各類轎車或輕型車上。

全浮式半軸：用于差速器與驅(qū)動輪連接起來的非斷開式半軸，只承受轉(zhuǎn)矩，不承受任何反力和彎矩。全浮式半軸常用于牽引車等。

半軸鍛造加熱常用控制手段及出現(xiàn)的質(zhì)量問題

半軸鍛造加熱通常采用感應(yīng)電爐加熱，坯料放入感應(yīng)線圈中，在交變電流的感應(yīng)電動勢的作用下，坯料表面形成強大的渦流，使坯料內(nèi)部的電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。加熱常用控制手段有?/p>

火色對比圖

這種火色對比圖(圖1)用起來一般靠感覺、經(jīng)驗來執(zhí)行，存在一定誤差，現(xiàn)在越來越多的企業(yè)不再使用這種方法來控制加熱溫度，只是作為參照執(zhí)行的一種手段。

圖1 火色對比圖

紅外測溫儀

加熱過程中采用紅外測溫儀實時測量工件溫度，出料時檢測溫度并分選，超出工藝設(shè)定，判定為不合格，標識報廢隔離，未達到工藝設(shè)定溫度，冷卻后重新加熱，圖2 為紅外測溫儀顯示溫度狀態(tài)，這種加熱靠人為觀察溫度顯示儀來控制加熱溫度，偶爾會出現(xiàn)過熱、過燒等質(zhì)量缺陷。

⑴過熱、過燒的定義

圖2 紅外測溫儀顯示溫度狀態(tài)

1)過熱。加熱轉(zhuǎn)變終了時所得奧氏體晶粒一般均較細小。但如果在轉(zhuǎn)變終了繼續(xù)升高溫度，奧氏體晶粒將繼續(xù)長大。如果僅僅是晶粒長大而在晶界上并未發(fā)生能使晶界弱化的某些變化，則被稱為過熱。過熱將使隨后的緩冷所得的鐵素體晶粒、珠光體團以及隨后的快冷所得的馬氏體組織變粗，這將使得鋼的強度和韌性變壞。因此必須用再次熱處理來校正由于加熱不當而出現(xiàn)的過熱現(xiàn)象。

2)過燒：如果加熱溫度過高，不僅奧氏體晶粒已經(jīng)長大，而且在奧氏體晶界上也已發(fā)生了某些能使晶界弱化的變化，稱之為過燒。過熱與過燒的區(qū)別在于奧氏體晶界是否發(fā)生弱化。過熱是出現(xiàn)晶粒粗大，晶界加寬的現(xiàn)象,而過燒是晶界晶粒部分低熔點合金相出現(xiàn)復(fù)溶現(xiàn)象。

⑵過熱、過燒產(chǎn)生的原因。

過熱是由于鍛造加熱溫度高，存在一定的保溫，導(dǎo)致晶?？焖匍L大，而產(chǎn)生的過熱組織。但是過熱組織還有一種可能，是加熱溫度很快(比如感應(yīng)加熱)，晶粒沒有出現(xiàn)快速長大現(xiàn)象，但是鍛造過程很快，產(chǎn)品是終鍛后溫度高，在鍛后堆冷的時候晶粒繼續(xù)長大，而產(chǎn)生過熱組織。過熱主要表現(xiàn)是晶粒過分長大，可通過后序的熱處理改善。過燒則是晶粒間發(fā)生氧化，屬不可逆轉(zhuǎn)的缺陷。過燒的零件已經(jīng)產(chǎn)生晶間裂紋。

⑶過熱或過燒在金相檢查中的判定。

1)結(jié)構(gòu)鋼以晶界出現(xiàn)網(wǎng)狀鐵素體判過熱，有孔洞判過燒。

2)高溫合金晶粒粗大判過熱，晶界有空的孔洞、雜質(zhì)判過燒。

⑷過熱鋼特征。

1)宏觀斷口：產(chǎn)生結(jié)晶狀斷面或無金屬光澤的灰白色粒狀斷面。

2)顯微特征：粗大的A(奧氏體)晶粒，魏氏體組織，原始A 晶界處S 偏析或硫化錳沉淀。

3)過熱鋼的機械性能：塑性和沖擊韌性明顯降低，對強度和硬度基本無影響，圖3 為過熱組織圖片。

圖3 過熱組織圖片(100×)

⑸過燒鋼特征。

1)宏觀斷口：無金屬光澤的灰白色石狀斷面。

2)顯微特征：粗大的A 晶粒，魏氏體組織，原始A 晶界處富P，S 燒熔層及原始奧氏體晶界上硫化錳和磷化鐵沉淀。

3)過燒鋼的機械性能：塑性和沖擊韌性嚴重降低，出現(xiàn)過燒的產(chǎn)品必須報廢，圖4 為40Cr 過燒晶界心部圖。

圖4 過燒40Cr(100×)晶界心部

從以上可以看出，加熱溫度對于半軸機械性能非常重要，是特殊工序。如何測量并控制加熱溫度成了鍛造企業(yè)必須解決的難題。

我們半軸原料原有加熱測溫方式：

方式1：測頭位置在加熱爐膛外，加熱時測量不了實時加熱溫度，只能在半軸加熱好后，拿出電爐時檢測其溫度。

方式2：測頭位置在加熱爐中間位置(加熱溫區(qū)最高地方)能實時檢測加熱溫度。

這兩種測溫方式缺陷：沒有自動控溫裝置，靠人工觀察溫度顯示儀的溫度顯示，存在溫度超過工藝設(shè)定溫度未及時拿出的現(xiàn)象，人為因素大，產(chǎn)品質(zhì)量無法穩(wěn)定。

半軸鍛造加熱溫度自動控制及設(shè)計原理

公司近年來，逐漸開始為國外客戶供貨。VOLVO對本公司審核時，指出鍛造加熱工序為不符合項。根據(jù)VOLVO 公司最新審核要求，要求鍛造加熱溫度控制在±25℃范圍內(nèi)。

根據(jù)公司實際情況及半軸鍛造加熱特點，研究設(shè)計了以下方案：

溫度自動控制：紅外測溫儀測量爐內(nèi)工件最高溫度處，到設(shè)定溫度范圍后，發(fā)出電信號，氣缸得信號后，動作，頂出半軸。

此方案優(yōu)點：投入少，爐頭、紅外測溫儀、電源結(jié)構(gòu)均不變，只增加氣缸、PLC 機、電磁閥、繼電器。自動控溫方案簡圖如圖5 所示。

圖5 自動控溫方案簡圖

溫度自動控制原理：采用紅外測溫儀測量半軸加熱溫度，采集最高加熱點溫度，到達設(shè)定溫度后，紅外測溫儀將信號反饋給PLC 機，PLC 機控制電磁閥動作，電磁閥控制氣缸動作，氣缸動作頂出正在加熱的半軸(把加熱到溫度的半軸原料頂出)。公司采用測量加熱溫度最高點控制辦法，設(shè)定加熱和頂料溫度點1050℃，到1050℃就把加熱好的半軸頂出。報警延時設(shè)定在40 秒，超過40 秒報警燈亮起，半軸原料就不能壓制了(因為半軸在1050℃自然冷卻40 秒，溫度將降至850℃，低于850℃禁止鍛造)，需冷卻后重新加熱。此方案能滿足VOLVO 最新標準加熱溫度控制在±25℃的嚴格要求，并通過了VOLVO 的現(xiàn)場審核。頂料氣缸及半軸頂出狀態(tài)如圖6、圖7 所示。

圖6 頂出氣缸圖片

圖7 半軸頂出狀態(tài)圖片

結(jié)束語

半軸鍛造加熱是關(guān)鍵工序，半軸過燒會破壞組織結(jié)構(gòu)，使半軸早期失效，甚至出現(xiàn)零公里斷軸現(xiàn)象，嚴重影響供應(yīng)商在主機廠的質(zhì)量信譽?？刂萍訜釡囟?，防止人為因素出現(xiàn)過燒等現(xiàn)象，是加熱采用溫度自動控制的目的。通過設(shè)計制作溫度自動控制裝置，解決了半軸鍛造加熱無法控制的技術(shù)難題，解決了存在過熱、過燒的質(zhì)量隱患，解決了人為控制存在的不穩(wěn)定因素。此種設(shè)計方案經(jīng)濟實用，簡便易行，此種設(shè)計已經(jīng)在本公司其他鍛造工序大面積推廣普及，同時，這種加熱溫度控制方案，在其他產(chǎn)品鍛造加熱自動溫度控制上也非常有借鑒意義。