【正文】 長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 共 33 頁 第 1 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第一章 緒論 表面淬火是熱處理的一種工藝，僅對零件的表面進(jìn)行處理，以達(dá)到零件表面的性能，而保持心部的性能不變。正確選擇表面淬火工藝必須了解工件的工作情況和服役條件，零件的結(jié)構(gòu)、形狀以及使用的材料等各個方面，從生產(chǎn)和實(shí)用角度去考慮解決方案。原則是從實(shí)際出發(fā)且經(jīng)濟(jì)有效。 在許多情況下，采用表面淬火處理能夠較理想地解決表面和心部性能要求不一致的矛盾，即既能改善表面強(qiáng)度、硬度和耐磨性，又能保持心部大塑性和韌性，使材料的潛力得到充分的發(fā)揮，滿足生產(chǎn)技術(shù)要求。 國際先進(jìn)的感應(yīng)淬火技術(shù) (1) 電源 國外 IGBT、 MOSFET 和 SIT全固態(tài)晶體管電源技術(shù)逐步成熟，并已商品化、系列化，目前有 1200kW、 50kHz； 50~100kHz、 30~600kW； 100kW、 80kHz；低頻段有取代晶閘管電源趨勢； MOSFET 多采用并聯(lián)振蕩電路， SIT 多采用串聯(lián)諧振電路，功率高達(dá) 1000 kW、頻率 200kHz 和 400kW、 400kHz。它們都是電子管式高頻電源的理想替代產(chǎn)品。當(dāng)輸出功率與電子管電源相同時，節(jié)電 35%～ 40%，節(jié)省安裝面積 50%，節(jié)約冷卻水 40%～ 50%。隨著科技的進(jìn)步，在高頻感應(yīng)淬火領(lǐng)域， MOSFET 有望取代 SIT。 (2) 淬火機(jī)床 感應(yīng)淬火機(jī)床更加趨向自動化， CNC 控制逐漸增多，自動分檢零件與自動識別進(jìn)機(jī)零件功能的機(jī)床增多。 1）通用淬火機(jī)床 通用淬火機(jī)床朝柔性化方向發(fā)展，一臺淬火機(jī)床可以對不同性能要求的不同零件感應(yīng)加熱淬火。德國研制的一種曲軸淬火機(jī)床，法蘭件感應(yīng)淬火柔性加工系統(tǒng)略加調(diào)整能處理不同尺寸的相似工件；對于軸類零件在一定直徑范圍內(nèi)（如 30mm）與長度 300～ 800 mm 范圍內(nèi)，對于相似淬火要求的軸類零件，淬火機(jī)能自動編制 14種程序，自 動識別進(jìn)機(jī)零件； 最近推出了雙主軸立式淬火機(jī)，在一個緊湊的工藝單元內(nèi)進(jìn)行工件的淬火與回火，能處理輪軸、三槽套及其他萬向節(jié)件，轉(zhuǎn)換工件只需 2～ 5min，用計算機(jī)編程，根據(jù)工長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 共 33 頁 第 2 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 件號在 2 min 內(nèi)就可調(diào)出有關(guān)工藝數(shù)據(jù)；一汽引進(jìn)的 GH 公司數(shù)控淬火設(shè)備通用性強(qiáng)、自動化程度，在復(fù)雜零件上可實(shí)現(xiàn)多段變功變速，編程容易、操作方便。圖 1 是 GH 公司的數(shù)控淬火機(jī)床。 圖 1 GH 公司的數(shù)控淬火機(jī)床 2）專用淬火機(jī)床 專用淬火機(jī)床更加專用化，采用機(jī)械手上下零件，加熱、淬火、回火、校直、檢查完全自動進(jìn) 行。先進(jìn)的計算機(jī)控制技術(shù)可以監(jiān)控并屏幕顯示淬火過程和工藝參數(shù)，跟蹤全部操作過程，如發(fā)現(xiàn)故障或工藝參數(shù)偏離給定值，便自動修正或自動列出不合格零件，使控制系統(tǒng)暫停工作并報警，同時屏幕上顯示故障性質(zhì)和所要修正的動作。更先進(jìn)的控制系統(tǒng)還適應(yīng)材料化學(xué)成分的波動，并自動調(diào)整比功率或加熱時間，以保證感應(yīng)淬火零件的質(zhì)量。例如日本高周波熱煉株式會社川崎工廠的臥式半軸淬火機(jī)床，上尾廠可同時淬三根半軸，群馬廠可同時淬兩根半軸，機(jī)床實(shí)際上是感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線，全過程除校直、熒光探傷檢查需一名工人外，其余全部自動進(jìn)行。 3）機(jī)器人的 應(yīng)用 日本高周波熱煉株式會社制造的一臺立式通用淬火機(jī)床上配置一臺機(jī)器人，機(jī)器人將一個二匝的感應(yīng)器進(jìn)行依次平面掃描，使一塊塑料板變色，雖然使用電源功率只 3 kW，但也可以看出機(jī)器人在感應(yīng)熱處理中的應(yīng)用趨勢。 4）機(jī)電一體化 將電源、淬火機(jī)床、冷卻系統(tǒng)組成成套裝置，具有占地面積小、生產(chǎn)效率高、一次安裝調(diào)試容易等優(yōu)點(diǎn)。國外最近問世的曲軸固定加熱淬火裝置占地面積僅為組合式成套裝置的 1/4。 長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 共 33 頁 第 3 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ (3) 淬火工藝 1）靜止式曲軸感應(yīng)淬火 采用靜止式曲軸感應(yīng)淬火新技術(shù)的最初的兩臺裝置在福特公司 V6 和 V8 曲軸淬火和回 火工藝中得以應(yīng)用，表現(xiàn)出了良好的市場前景。其特點(diǎn)是：加熱時間短，一般僅為 ～ 4s，傳統(tǒng)工藝是 7～ 12s；電效率高、成本低；感應(yīng)器與工件之間允許有較大間隙，調(diào)整方便；操作簡單、重復(fù)性好、易于維護(hù)；占地面積小，僅為原來的 20%左右。 2）低淬透性鋼齒輪淬火 現(xiàn)在俄羅斯許多汽車工廠廣泛采用低淬透性鋼進(jìn)行整體感應(yīng)加熱表面淬火，已大量應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)后橋齒輪、挖掘機(jī)齒輪、傳動十字軸、火車車廂用滾動軸承、汽車板簧、鐵路螺旋彈簧等，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。 3）雙頻感應(yīng)加熱淬火 國外雙頻淬火主要用于齒輪。 20 世紀(jì) 90年代，美國用 10kHz 中頻和 150kHz高頻電源，先讓齒輪在中頻感應(yīng)器中加熱，然后迅速降到高頻感應(yīng)器中加熱，最后落入油中淬火。進(jìn)入 21 世紀(jì)，此工藝又有新進(jìn)展，如 GH 公司采用電力電子開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率，使齒輪的齒頂和齒跟的加熱更加均勻，更好地保證了齒輪的淬火質(zhì)量。 我國汽車工業(yè)應(yīng)用感應(yīng)熱處理技術(shù)現(xiàn)狀 1 電源 電源是感應(yīng)加熱的關(guān)鍵設(shè)備之一，隨著感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了機(jī)械式中頻發(fā)電機(jī)組和真空管式高頻電源、晶閘管中頻電源及全晶體管電源三個發(fā)展階段。在 20 世紀(jì) 80 年代后期，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，晶閘管中頻 電源已完全取代了中頻發(fā)電機(jī)組，我國自 90年代中期也已逐步取代。 同機(jī)械式中頻發(fā)電機(jī)組相比，晶閘管（ SCR）中頻電源具有以下優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、材料消耗少；電效率高，逆變停止時幾乎不消耗電能，逆變效率可達(dá) 90%以上；無機(jī)械運(yùn)動、噪音小、運(yùn)行可靠、負(fù)載匹配容易，可以根據(jù)負(fù)載情況確定電源的頻率；啟動停止方便，頻率能自動跟蹤以保持最佳運(yùn)行狀態(tài)；產(chǎn) 品設(shè)計簡單、制造周期短；安裝容易，不需要特殊的基礎(chǔ)；維修方便等。 我國的晶閘管中頻電源的共同特點(diǎn)是全集成化控制線路數(shù)字化程度高于90%、啟動成功率幾乎達(dá)到 100% 、除具 有常規(guī)的水壓不足、快熔熔斷、過流、過壓等保護(hù)功能外，還具有限流、限壓等保護(hù)功能、功能較齊全的晶閘管電源還配置逆變失敗、水溫監(jiān)視等可選功能，其頻率最高可以作到 8kHz，額定功率可以作到 1000kW 左右，如果在裝配工藝上再進(jìn)一步改進(jìn)的話，可以接近世界先進(jìn)水平。 長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 共 33 頁 第 4 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 隨著技術(shù)的進(jìn)步，跟蹤 80 年代國際感應(yīng)加熱技術(shù)水平，我國于 90 年代中期開發(fā)出第一臺電效率較高的 50kW/50kHz IGBT 電流型超音頻感應(yīng)加熱電源 (圖2)。目前可做到頻率 ～ 50kHz、最大功率可達(dá)到 800 kW，頻率達(dá)到 100kHz時功率達(dá)到 100 kW 。 圖 2 IGBT 電流型超音頻感應(yīng)加熱電源 IGBT 應(yīng)用同期，我國還成功研制出 20 kW/300kHz MOSFET 高頻電源，縮小了同國際先進(jìn)水平的差距，隨著大功率 MOSFET 器件的問世，大功率的晶體管高頻電源有望年內(nèi)在感應(yīng)淬火中應(yīng)用。 2 淬火工藝 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，我國采用感應(yīng)淬火的零件的種類和品種不斷增加。目前我國汽車零件感應(yīng)淬火用材料包括： 4 40Cr、 55MnVS、 40MnB、 42CrMo、3 ZG4球鐵、合金鑄鐵等。感應(yīng)加熱淬火介質(zhì)包括：水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介質(zhì)、 UCON、豪富頓 251 等。所采用的加熱方式及應(yīng)用主要包括：橫向磁場靜止一次加熱淬火（銷軸類零件、凸輪軸）；橫向磁場連續(xù)加熱淬火（減振器桿、變速叉軸、扭桿等）；橫向磁場多段連續(xù)加熱淬火（起動機(jī)軸、空壓機(jī)軸等）；縱向磁場整體一次加熱淬火（半軸等）；仿形感應(yīng)器零件旋轉(zhuǎn)加熱淬火（球頭銷）；感應(yīng)接觸加熱淬火（轉(zhuǎn)向齒條）；內(nèi)孔的一次及連續(xù)加熱淬火（輸出法蘭、鐘型殼內(nèi)腔）；階梯軸類零件的旋轉(zhuǎn)加熱淬火（小紅旗后輪轂軸、轉(zhuǎn)向節(jié)）；平面類零件的一次及連續(xù)加熱淬火（鋼板彈簧橫向限位板）；薄壁類復(fù)雜零件一次及連續(xù)加 熱淬火（前輪轂、滑動軸叉）；復(fù)雜形狀零件的一次加熱淬火（鐘型殼變截面軸）；槽口一次淬火（變速叉）；復(fù)雜回線工件旋轉(zhuǎn)一次加熱淬長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 共 33 頁 第 5 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 火（曲軸）等。 3 淬火機(jī)床 為了適應(yīng)多品種的批量生產(chǎn)，在汽車生產(chǎn)應(yīng)用中，我國引進(jìn)的感應(yīng)淬火機(jī)床種類由傳統(tǒng)的 專用設(shè)備逐步向柔性化程度較高的通用設(shè)備和專用淬火自動生產(chǎn)線發(fā)展。 通用淬火機(jī)床方面，一汽技術(shù)中心開發(fā)的臥式數(shù)控淬火機(jī)床（圖 3）主驅(qū)動采用交流伺服電機(jī)拖動，移動速度穩(wěn)定均勻、定位準(zhǔn)確、重復(fù)精度高；零件旋轉(zhuǎn)采用變頻調(diào)速，能適應(yīng)多方面工藝要求；采用能量和數(shù)控技術(shù)對不同性能要求的不同零 件感應(yīng)加熱淬火，甚至在同一零件上實(shí)現(xiàn)多段變功變速，編程容易可操作性強(qiáng)。 圖 3 通用數(shù)控淬火機(jī)床 專用淬火機(jī)床方面，二汽和天舒機(jī)電科技有限公司經(jīng)過多年努力，攻克一個個難關(guān)，采用功率脈沖分配技術(shù)、尾座自由頂尖技術(shù)、薄型淬火變壓器技術(shù)、獨(dú)立懸掛技術(shù)、懸掛平衡技術(shù)等分別研制成功曲軸全自動淬火機(jī)床（圖 4），與電源、水冷系統(tǒng)組成成套淬火設(shè)備可對車用內(nèi)燃機(jī)曲軸進(jìn)行各軸徑的圓角 +軸徑淬火、軸徑淬火自回火，采用計算機(jī)控制，通過顯示屏對設(shè)備的加熱、淬火工藝參數(shù)諸如電壓、電流、頻率、時間、壓力、流量溫度等進(jìn)行監(jiān)控和顯示，目前國內(nèi)多家采用。 長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 共 33 頁 第 6 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 2 章 汽車后橋半軸淬火機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)確定 總體設(shè)計，是確定所設(shè)計機(jī)床的工藝方法、運(yùn)動及其分配、傳動和控制、結(jié)構(gòu)和性能，最后畫出機(jī)床總體布局圖等機(jī)床設(shè)計工作。 工藝方案的確定 上的工藝方法多種多樣，其對機(jī)床的結(jié)構(gòu)和性能影響很大。工藝方法的改革常導(dǎo)致機(jī)床的運(yùn)動、傳動、布局、結(jié)構(gòu)、性能以及經(jīng)濟(jì)效果等方面的一系列變化。本機(jī)床是用來加