半軸鍛造加熱溫度自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用

導(dǎo)讀：商用車半軸鍛造時(shí)普遍采用感應(yīng)加熱與紅外測(cè)溫儀測(cè)溫方式，按節(jié)拍加熱，加熱到時(shí)間（節(jié)拍）后測(cè)量溫度。目前這種方式加熱到設(shè)定時(shí)間后，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種問(wèn)題：有的溫度過(guò)高，超過(guò)工藝要求的上限溫度，使得半軸報(bào)廢；有的加熱溫度過(guò)低，達(dá)不到工藝要求的下限溫度，不能鍛造，需分撿出來(lái)，造成了材料與人力的極大浪費(fèi)。如何在加熱過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度，實(shí)現(xiàn)溫度可控，且半軸加熱到工藝要求溫度范圍時(shí)，自動(dòng)出料，避免半軸過(guò)燒，減少因人為因素導(dǎo)致的殘品廢品，是提升半軸產(chǎn)品質(zhì)量亟需解決的問(wèn)題。

半軸介紹

1、半軸的概念和分類

半軸也叫驅(qū)動(dòng)軸，是用于驅(qū)動(dòng)橋主減速器與輪轂或輪邊減速器之間傳遞扭矩（半浮式半軸還承受彎矩）的非斷開(kāi)式的軸，從差速器傳遞來(lái)的扭矩經(jīng)過(guò)半軸、輪轂等，最終傳遞給車輪，因此半軸是傳遞系中傳遞扭矩的一個(gè)非常重要的零件。半軸按支撐形式不同可分全浮式半軸（圖1）和半浮式半軸兩種。全浮式半軸是只傳遞扭矩的半軸，而半浮式半軸是既傳遞扭矩又承受彎矩的半軸。

2、半軸的原材料及加熱溫度要求

半軸材料一般采用40Cr、42CrMo、42CrMoH、40MnBH，其加熱溫度要求為：40Cr加熱范圍1000～1200℃，42CrMo、42CrMoH和40MnBH加熱范圍1000～1150℃。

加熱控制方式

半軸鍛造加熱采用感應(yīng)電加熱，坯料放入感應(yīng)圈中，在交變電流的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，坯料表面形成強(qiáng)大的渦流，使坯料內(nèi)部的電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。鍛造加熱溫度過(guò)高會(huì)出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，材料如果過(guò)燒會(huì)導(dǎo)致原料報(bào)廢，造成資源的極大浪費(fèi)。鍛造加熱是關(guān)鍵工序，防止半軸過(guò)燒，必須控制加熱溫度。

1、過(guò)燒

圖1 全浮式半軸結(jié)構(gòu)形式

過(guò)燒是指鋼被加熱到接近固相線或固-液兩相溫度范圍內(nèi)的某一溫度后，在十分粗大奧氏體晶界上不僅發(fā)生了化學(xué)成分的明顯變化（主要是硫和磷的偏析），而且局部或整個(gè)晶界出現(xiàn)燒熔現(xiàn)象，從而在晶界上形成了富硫、磷的液相，在隨后的冷卻過(guò)程中，晶界上產(chǎn)生富硫、磷的燒熔層，并伴隨著硫化物、磷化鐵等脆性相的沉積形成，導(dǎo)致晶界嚴(yán)重弱化，從而劇烈降低鋼的拉伸塑性和沖擊韌性的現(xiàn)象。

如果加熱溫度過(guò)高，不僅奧氏體晶粒已經(jīng)長(zhǎng)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，過(guò)燒是晶粒間發(fā)生氧化，屬不可逆轉(zhuǎn)的缺陷。過(guò)燒的零件已經(jīng)產(chǎn)生晶間裂紋，塑性和沖擊韌性嚴(yán)重降低，必須報(bào)廢。過(guò)燒組織圖片見(jiàn)圖2。

圖2 過(guò)燒組織圖片（100×）

2、公司原有加熱方式分析

我公司原有半軸原料加熱方式的分析：

⑴測(cè)頭位置在加熱爐外，加熱時(shí)不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量加熱溫度，只能在半軸加熱完畢后，從電爐取出檢測(cè)其溫度。

⑵測(cè)頭位置在加熱爐中間開(kāi)口位置（加熱溫區(qū)最高點(diǎn)），能實(shí)時(shí)檢測(cè)加熱溫度，但不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出料。

⑶沒(méi)有自動(dòng)控溫裝置，靠人工控制，人為因素大，質(zhì)量無(wú)法保證。

從以上可以看出，加熱溫度對(duì)于半軸機(jī)械性能非常重要，是關(guān)鍵工序。如何測(cè)量并控制加熱溫度成了鍛造企業(yè)必須解決的難題。

溫度測(cè)量方式

半軸鍛造加熱一般采用如下兩種方式測(cè)量材料溫度。

1、火色對(duì)比圖

操作者通過(guò)目測(cè)半軸原料加熱顏色，與火色對(duì)比圖比較，估算出原料加熱溫度，此方法與操作者技能水平有直接關(guān)系，因此存在著較大的主觀誤差，不同操作者得出的溫度可能會(huì)存在較大差距?；鹕珜?duì)比圖見(jiàn)圖3。

圖3 火色對(duì)比圖

2、紅外測(cè)溫儀

紅外測(cè)溫儀（圖4）有以下兩種測(cè)量方式。

圖4 紅外測(cè)溫儀

⑴加熱中實(shí)時(shí)測(cè)量溫度。測(cè)頭測(cè)量正在加熱的工件，實(shí)時(shí)顯示工件溫度，溫度達(dá)到后，手工出料。

⑵出料時(shí)在加熱電爐口處檢測(cè)溫度并分選，分為人工分選和工裝自動(dòng)分選。溫度過(guò)燒報(bào)廢，溫度低于工藝要求，冷卻后重新加熱。

方案探究

近年來(lái)，我公司逐漸開(kāi)始為國(guó)外客戶供貨，國(guó)外某公司對(duì)我公司審核時(shí)，指出鍛造加熱工序?yàn)椴环享?xiàng)，根據(jù)對(duì)方公司最新審核文件要求，鍛造加熱溫度應(yīng)控制在±25℃范圍內(nèi)。

圖5 原測(cè)量溫度現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)我公司實(shí)際情況及半軸鍛造加熱特點(diǎn)，討論了以下兩種方案。

1、方案1：溫度控制

紅外測(cè)溫儀測(cè)量爐內(nèi)最高溫度，到設(shè)定溫度后，發(fā)出電信號(hào)，得信號(hào)后，氣缸動(dòng)作，頂出半軸原料，圖6為方案1簡(jiǎn)圖。

⑴采用控制方式：紅外測(cè)溫儀溫度控制。

⑵動(dòng)作順序。

1)紅外測(cè)溫儀測(cè)量最高點(diǎn)溫度，到設(shè)定溫度點(diǎn)后，反饋信號(hào)到氣缸。

2)氣缸動(dòng)作，頂出半軸。

圖6 方案1簡(jiǎn)圖

圖7 方案2簡(jiǎn)圖

2、方案2：節(jié)拍控制

半軸裝入加熱爐，在加熱爐前部有接近開(kāi)關(guān)，碰到接近開(kāi)關(guān)后，開(kāi)始計(jì)時(shí)，到設(shè)定時(shí)間后，時(shí)間繼電器發(fā)出信號(hào)，得到信號(hào)后，氣缸動(dòng)作，頂出半軸原料，圖7為方案2簡(jiǎn)圖。

⑴采用控制方式：節(jié)拍控制方式。

⑵動(dòng)作順序。

1)半軸放料到加熱爐中（加熱單根半軸）。

2)到時(shí)間后，繼電器得信號(hào)，給氣缸通氣，頂出半軸。

3)加熱設(shè)定的時(shí)間，不同半軸先通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證合理后得出節(jié)拍時(shí)間。

方案確定

最終我公司選取溫度控制方案1作為測(cè)量溫度的依據(jù)，采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量半軸加熱溫度，采集最高加熱點(diǎn)溫度，反饋信號(hào)給PC機(jī)，PC機(jī)控制電磁閥，給氣缸氣源，頂料（把加熱到溫度的原料頂出），我公司采用測(cè)量加熱溫度最高點(diǎn)溫度控制方法，設(shè)定加熱和頂料溫度點(diǎn)1050℃，到1050℃就把加熱半軸頂出（圖8）。報(bào)警延時(shí)設(shè)定在40秒，超過(guò)40秒不壓制加熱好的原料，報(bào)警燈亮起，原料就不能壓制了，需冷卻后重新加熱。此方案能夠滿足國(guó)外客戶加熱溫度控制在±25℃的嚴(yán)格要求，此方案已通過(guò)國(guó)外客戶的現(xiàn)場(chǎng)審核。

圖8 溫度設(shè)定1050℃，沒(méi)到溫度繼續(xù)加熱，到1050℃紅燈亮起，給出信號(hào)

此方案優(yōu)點(diǎn)：一是資金投入少；二是簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，需要改變或增加的結(jié)構(gòu)不多，爐頭、電源結(jié)構(gòu)不變，只增加了氣缸、繼電器(圖9為新增頂料氣缸，圖10為氣缸動(dòng)作，頂出原料)。

圖9 增加頂料氣缸

圖10 氣缸動(dòng)作，頂出原料，頂出距離50～100mm

結(jié)論

鍛造加熱采用溫度自動(dòng)控制方式的目的：加熱是關(guān)鍵工序，半軸過(guò)燒會(huì)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，控制加熱溫度，防止人為因素出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象的發(fā)生，是加熱采用溫度自動(dòng)控制的目的。