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SDF同步双频感应技术及其在汽车零部件热处理中的应用 |
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作者：德国eldec感应加热设备 |
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本文介绍了SDF同步双频感应加热技术的发展，以及其在汽车零部件热处理中的一些应用。该技术在节约能源、降低能耗、减少污染排放、提高生产效率及降低生产成本等方面的优势也越来越为各生产企业所认可和接受。
2010年我国的汽车工业取得了很好的成绩，汽车产销量双双突破1800万辆，可以预计我国的汽车工业将保持快速的发展势头。而汽车装配所需的各种零部件的需求也将随之增长。如何在增加产量的同时提高产品的质量，并兼顾节能、降耗和环保，成为各汽车零部件生产厂家所必须面对和思考的问题。
目前，国内广泛采用的表面热处理方法主要有渗碳淬火、渗氮和碳氮共渗等方法。采用传统的渗碳淬火工艺，由于耗时较长，往往造成工件变形量大，而且能耗大、成本高及效率较低。随着科学技术的发展，感应加热技术日益广泛地应用于金属表面的热处理中。而当今最新的SDF同步双频感应加热技术使得节能、降耗及环保的表面热处理方式成为可能，也使得我们一直倡导的“绿色生产”成为可能。
SDF同步双频感应加热技术的发展
1．单频感应加热的困惑
与其他传统的热处理方式相比，感应加热淬火具有工件表面硬度高、脆性低、疲劳强度高、工件表面质量好（不易氧化脱碳）、变形小以及加热温度、淬硬层深度等参数容易控制等特点。然而，对于类似齿轮这样具有凹凸表面结构的工件而言，常规的单频感应加热技术就无法实现令人满意的处理效果。
由于齿轮存在凸面和凹面，如采用高频感应加热进行齿轮表面淬火（见图1），感应电流产生的热量迅速传导到轮齿的中心，轮齿得到完全硬化，但是齿根硬化不足。此外，这种处理方法还容易在根齿面上增加残留应力，导致断裂的发生。
同样，采用中频感应加热进行齿轮的表面淬火（见图2），热量在齿根进行传导，由于齿根的凹面形状，热量传导的过程中以指数形式递减，齿根得到有效的硬化，而轮齿却硬化不足。
如何有效地避免这种效果的产生？简单地说，在极短的时间内如果在齿轮的根部产生的热量比在齿尖产生的多，那么问题就得到了解决，这就是高能密度的问题。然而，采用单频率感应加热是无法实现这样的处理任务。如用不同频率的感应加热处理齿轮的齿根和轮齿，往往导致齿轮的轮廓硬化效果不均衡。而采用同步双频感应加热技术，即在同一个感应线圈同时输出两种频率进行热处理，这个问题就迎刃而解了。
2．同步双频感应加热技术——SDF
为了解决单频率感应加热在处理类似齿轮等复杂表面硬化过程中的困惑，通过不断探索和试验，逐渐出现了同步双频感应加热技术，这是一种真正意义上的齿轮表面感应淬火技术。近年来，国外的同步双频感应加热技术发展迅速，已广泛运用于汽车及航空业中类似齿轮等复杂表面的热处理当中。
SDF同步双频感应加热技术(Simultaneous Dual Frequency，即SDF)就是在一个感应线圈上同时输出两种不同频率（高频和中频）对一个工件进行热处理。SDF电源包括正常功率输出的一个HF(高频)和一个MF(中频)电源，采用IGBT技术，在中频振荡基础上叠加高频振荡。而且HF（高频）和MF（中频）的功率能够从2％～100％分别进行连续调整，采用集成PLC控制，具有多个程序时间和功率设定，特别适合处理类似齿轮这样具有复杂表面的作业任务。
目前，德国eldec感应加热设备有限公司的SDF同步双频感应加热设备功率可达到3MW以上，完全可以满足多种工件的热处理需求。通过不同热处理参数进行优化匹配，能获得良好的轮廓硬化效果（见图3、4）。
SDF同步双频感应加热技术的应用
SDF技术的发展，使其快速、高能密度能源应用于具有类似齿轮的复杂表面工件的感应热处理成为可能，这将大大节省能源及降低变形量从而减少下一步工序的加工量。实际上，部分工件热处理后类似磨齿的工序将不再需要进行。
对于控制成本，以及安全和质量标准，航空工程是要求最高的。美国的波音公司正是基于对产品品质的要求和对环境保护的坚持, 其所用的部分齿轮如直伞(锥)齿轮选择使用SDF感应淬火技术代替原渗碳淬火工艺。事实证明SDF感应淬火技术是完全可行的选择，可达到最小的变形量。
类似这种直伞(锥)齿轮（见图5），其在淬火后非常不容易进行磨齿以校正其变形量。这样就必须对淬火的变形量进行控制以达到最终的公差要求。该齿轮的SDF感应淬火处理时间与传统的渗碳淬火相比大大降低。应用该技术，简化了齿轮的加工过程，减小了变形量，缩短了表面处理时间。
许多类似的复杂轮廓工件, 以前应用渗碳淬火工艺处理时, 因为热处理时间长而热变形大。相比之下, 采用SDF感应处理技术可将淬火变形量控制在最小范围内。
对于CV接头和驱动轴的热处理是一个复杂而耗时的处理过程，也涉及到材料和切削性以及各批次之间的差异。SDF感应淬火工艺在尽可能短的时间内向工件提供所需要的能量。优势在于可控的和重复性极好的硬化层，而且可控的能量输出带来了最小的变形量和极好的一致性。这使得我们一直致力打造的“绿色工厂”成为可能。 Eldec SDF感应淬火技术高能密度能源的应用可以淘汰掉生产工艺过程中生产成本及能耗最高的一环, 从而节约成本，降低能耗（见图6）。
图6 热处理能耗比较
另外一个例子是汽车的转向装置, 其应用SDF表面感应热处理工艺进行处理过程如图7所示。
图7
以上只是大量测试中的两个例子，以证实表面感应硬化的质量，两个汽车零部件皆通过测试没有任何开裂迹象。
SDF感应加热设备
SDF技术的实现载体 eldec MIND设备如图8所示，MIND设备是模块式设计，为用户提供了最大的灵活性和可选择性。基于这一模块式的设计，可为不同的客户提供不同的解决方案，以满足客户的需求。
MIND模块式设备将完全根据客户的热处理系统定制，可以把它放于整条生产线中做为热处理单元使用，从而成为一个完整的生产链。这个系统是灵活的，根据热处理任务及工件不同而配置不同。MIND系列特别需要强调的特征是能够与整个生产流水线成为一体，以适应今天节省成本、节省时间和能源以及提高效率的一体化管理要求。
结语
节省能源、保护资源和环境是我们永恒的目标。减少污染排放是我们努力的方向。“绿色”对于制造业而言，不仅仅是责任，更需要我们所有的人付出努力，而降低能耗对于制造厂而言是发展和提高竞争优势的双赢手段。
在生产的过程中，高新技术的开发和应用将能更好地节约能源和更好地保护我们的生态环境，最后真正实现“绿色生产”。(end)
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(4/15/2013) |
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