SDF同步雙頻感應技術及其在汽車零部件熱處理中的應用

本文介紹了SDF同步雙頻感應加熱技術的發展，以及其在汽車零部件熱處理中的一些應用。該技術在節約能源、降低能耗、減少污染排放、提高生產效率及降低生產成本等方面的優勢也越來越為各生產企業所認可和接受。
2010年我國的汽車工業取得了很好的成績，汽車產銷量雙雙突破1800萬輛，可以預計我國的汽車工業將保持快速的發展勢頭。而汽車裝配所需的各種零部件的需求也將隨之增長。如何在增加產量的同時提高產品的質量，併兼顧節能、降耗和環保，成為各汽車零部件生產廠家所必須面對和思考的問題。
目前，國內廣泛採用的表面熱處理方法主要有滲碳淬火、滲氮和碳氮共滲等方法。採用傳統的滲碳淬火工藝，由於耗時較長，往往造成工件變形量大，而且能耗大、成本高及效率較低。隨著科學技術的發展，感應加熱技術日益廣泛地應用於金屬表面的熱處理中。而當今最新的SDF同步雙頻感應加熱技術使得節能、降耗及環保的表面熱處理方式成為可能，也使得我們一直倡導的「綠色生產」成為可能。
SDF同步雙頻感應加熱技術的發展
1．單頻感應加熱的困惑
與其他傳統的熱處理方式相比，感應加熱淬火具有工件表面硬度高、脆性低、疲勞強度高、工件表面質量好（不易氧化脫碳）、變形小以及加熱溫度、淬硬層深度等參數容易控制等特點。然而，對於類似齒輪這樣具有凹凸表面結構的工件而言，常規的單頻感應加熱技術就無法實現令人滿意的處理效果。
由於齒輪存在凸面和凹面，如採用高頻感應加熱進行齒輪表面淬火（見圖1），感應電流產生的熱量迅速傳導到輪齒的中心，輪齒得到完全硬化，但是齒根硬化不足。此外，這種處理方法還容易在根齒面上增加殘留應力，導致斷裂的發生。

同樣，採用中頻感應加熱進行齒輪的表面淬火（見圖2），熱量在齒根進行傳導，由於齒根的凹面形狀，熱量傳導的過程中以指數形式遞減，齒根得到有效的硬化，而輪齒卻硬化不足。如何有效地避免這種效果的產生？簡單地說，在極短的時間內如果在齒輪的根部產生的熱量比在齒尖產生的多，那麼問題就得到了解決，這就是高能密度的問題。然而，採用單頻率感應加熱是無法實現這樣的處理任務。如用不同頻率的感應加熱處理齒輪的齒根和輪齒，往往導致齒輪的輪廓硬化效果不均衡。而採用同步雙頻感應加熱技術，即在同一個感應線圈同時輸出兩種頻率進行熱處理，這個問題就迎刃而解了。
2．同步雙頻感應加熱技術——SDF
為了解決單頻率感應加熱在處理類似齒輪等複雜表面硬化過程中的困惑，通過不斷探索和試驗，逐漸出現了同步雙頻感應加熱技術，這是一種真正意義上的齒輪表面感應淬火技術。近年來，國外的同步雙頻感應加熱技術發展迅速，已廣泛運用於汽車及航空業中類似齒輪等複雜表面的熱處理當中。
SDF同步雙頻感應加熱技術(SimultaneousDualFrequency，即SDF)就是在一個感應線圈上同時輸出兩種不同頻率（高頻和中頻）對一個工件進行熱處理。SDF電源包括正常功率輸出的一個HF(高頻)和一個MF(中頻)電源，採用IGBT技術，在中頻振蕩基礎上疊加高頻振蕩。而且HF（高頻）和MF（中頻）的功率能夠從2％～100％分別進行連續調整，採用集成PLC控制，具有多個程序時間和功率設定，特別適合處理類似齒輪這樣具有複雜表面的作業任務。
目前，德國eldec感應加熱設備有限公司的SDF同步雙頻感應加熱設備功率可達到3MW以上，完全可以滿足多種工件的熱處理需求。通過不同熱處理參數進行優化匹配，能獲得良好的輪廓硬化效果（見圖3、4）。SDF同步雙頻感應加熱技術的應用
SDF技術的發展，使其快速、高能密度能源應用於具有類似齒輪的複雜表面工件的感應熱處理成為可能，這將大大節省能源及降低變形量從而減少下一步工序的加工量。實際上，部分工件熱處理后類似磨齒的工序將不再需要進行。
對於控制成本，以及安全和質量標準，航空工程是要求最高的。美國的波音公司正是基於對產品品質的要求和對環境保護的堅持,其所用的部分齒輪如直傘(錐)齒輪選擇使用SDF感應淬火技術代替原滲碳淬火工藝。事實證明SDF感應淬火技術是完全可行的選擇，可達到最小的變形量。
類似這種直傘(錐)齒輪（見圖5），其在淬火后非常不容易進行磨齒以校正其變形量。這樣就必須對淬火的變形量進行控制以達到最終的公差要求。該齒輪的SDF感應淬火處理時間與傳統的滲碳淬火相比大大降低。應用該技術，簡化了齒輪的加工過程，減小了變形量，縮短了表面處理時間。許多類似的複雜輪廓工件,以前應用滲碳淬火工藝處理時,因為熱處理時間長而熱變形大。相比之下,採用SDF感應處理技術可將淬火變形量控制在最小範圍內。
對於CV接頭和驅動軸的熱處理是一個複雜而耗時的處理過程，也涉及到材料和切削性以及各批次之間的差異。SDF感應淬火工藝在儘可能短的時間內向工件提供所需要的能量。優勢在於可控的和重複性極好的硬化層，而且可控的能量輸出帶來了最小的變形量和極好的一致性。這使得我們一直致力打造的「綠色工廠」成為可能。EldecSDF感應淬火技術高能密度能源的應用可以淘汰掉生產工藝過程中生產成本及能耗最高的一環,從而節約成本，降低能耗（見圖6）。
圖6熱處理能耗比較另外一個例子是汽車的轉向裝置,其應用SDF表面感應熱處理工藝進行處理過程如圖7所示。
圖7以上只是大量測試中的兩個例子，以證實表面感應硬化的質量，兩個汽車零部件皆通過測試沒有任何開裂跡象。
SDF感應加熱設備
SDF技術的實現載體eldecMIND設備如圖8所示，MIND設備是模塊式設計，為用戶提供了最大的靈活性和可選擇性。基於這一模塊式的設計，可為不同的客戶提供不同的解決方案，以滿足客戶的需求。MIND模塊式設備將完全根據客戶的熱處理系統定製，可以把它放於整條生產線中做為熱處理單元使用，從而成為一個完整的生產鏈。這個系統是靈活的，根據熱處理任務及工件不同而配置不同。MIND系列特別需要強調的特徵是能夠與整個生產流水線成為一體，以適應今天節省成本、節省時間和能源以及提高效率的一體化管理要求。
結語
節省能源、保護資源和環境是我們永恆的目標。減少污染排放是我們努力的方向。「綠色」對於製造業而言，不僅僅是責任，更需要我們所有的人付出努力，而降低能耗對於製造廠而言是發展和提高競爭優勢的雙贏手段。
在生產的過程中，高新技術的開發和應用將能更好地節約能源和更好地保護我們的生態環境，最後真正實現「綠色生產」。