感应加热技能工艺在轿车制作中的运用(杨氏注塑

　　一、感应加热的原理及特色

　　1. 电磁感应现象

　　电磁感应现象是指放在改变磁通量中的导体，会发生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭组成一回路，则该电动势会唆使电子活动，形成感应电流(见图1)。

　　电磁感应现象的发现，乃是电磁学范畴中zui伟大的成就之一。它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的彼此转化奠定了实验根底，为人类获取巨大而廉价的电能拓荒了道路，在有用上有重大意义。

　　电磁感应现象的发现，标志着一场重大的工业和技能革命的到来。事实证明，电磁感应是发电机、感应电机、变压器和大部分其他电力设备操作的根底，在电工、电子技能、电气化、自动化和工业加热方面的广泛运用，对推进社会出产力和科学技能的开展起到了重要的作用。

　　2. 感应加热原理

　　感应加热技能运用的便是变压器的作业原理，在感应器(变压器的初级线圈)中通入交变电流后，在其周围会发生交变磁场，放置在其附近的金属工件(变压器的短路次级线圈)在交变磁场的作用下，会发生电动势，在该电动势的唆使下使工件中的电子活动形成感应电流(涡流见图2)。在工件中电阻的作用下将电能转变为热能，使工件本身加热。

　　3. 感应加热的长处

　　如上所述，感应加热是运用在金属中发生的感应电流直接完结工件的加热。该加热办法是一种非触摸式加热，其电热转化功率主要取决于金属资料的磁导率和感应器(变压器的初级线圈)与工件(变压器的次级线圈)的耦合程度，即金属的磁导率越高，热转化功率越高，感应器与工件的耦合越紧，热转化功率越高。

　　而一般的炉中加热均需要有加热源，经过加热源的辐射、热量在加热介质中的对流，以及被加热体的热传导三个进程完结金属工件的加热，其加热功率是加热源的能量转化功率、热量的对流功率和热量在被加热体中的传导功率的归纳功率。相比之下，感应加热具有如下长处：

　　(1) 没有对流和传导的加热进程，在工件的内部直接加热，加热速度快。

　　(2)减少了工件在加热进程中的氧化和脱碳。

　　(3) 节约能源，不需要炉中加热时所需的加热炉的预热和升温，可随时开始和中止加热，在非作业周期不需要坚持加热炉的温度。

　　(4)加热时间短，出产功率高，有用地减少了工艺成本。

　　(5)可完结零件的部分加热。

　　(6)设备的机械化、自动化程度高，占地面积少，可完结与自动化出产线的共线出产。

　　(7)作业环境清洁、安全、噪声小，属于环境友好型出产办法。

　　(8)设备的故障率低，维护、维修、保养成本低。

　　二、感应加热新技能及新工艺在轿车制作范畴中的运用

　　因为感应加热技能具有上述许多长处，在现代轿车制作中广泛用于铸造加工中的黑色金属及各种有色金属的熔炼，压力加工中的毛坯透热，零件热处理中的淬火、回火、正火及退火，焊接加工中的焊前预热、焊后的焊缝去应力退火、有色金属的钎焊，部件装配进程中过盈配合零件的热装配、金属制件与塑料件的热组成，粘接涂胶进程中的感应加热烘干及固化，以及外表防护中的非金属粉末热涂覆等。

　　1. 地道式感应加热炉的运用

　　在轿车零部件铸件的出产进程中，由美国Aj a xTOCCO、Inductotherm Group、德国INDUGA等国际出名感应加热设备制作商所供给技能先进的地道式感应加热炉已得到很多运用。

　　地道式感应加热炉(见图3)是用于金属熔炼功率zui高的电炉之一，在国际先进的有色及黑色金属铸造厂都可以见到。与螺线管办法感应器的无芯感应加热炉相比，它选用了一种地道办法的带有铁芯的感应器，其作业原理就如同一个变压器，该地道式感应器便是变压器的初级线圈，坩埚内的熔融金属便是变压器的次级线圈。

　　因为感应器与熔融金属的耦合较紧，加热进程中功率因数很高，电能的运用率也非常高，可完结节约能源的方针;另外，因为电磁拌和的作用作用非常好，熔融金属的成分均匀性也非常好，得到了用户的高度认可。除用于一般的铸造出产还可用于压力铸造的在线出产。

　　2. 金属半固态成形中感应加热技能的运用

　　跟着全球功能源危机，轿车轻量化显得尤为重要，在轿车制作中铝合金及一些轻合金的运用越来越多。为了进步这些轻金属的强度，对铝制零件的内在质量要求也越来越高，一种可以改善金属内部安排结构的半固态成形技能得到了广泛的运用。

　　美国的INDUCTOHEAT、AMERITHERM、ELECTROHEAT、BONE FRONTIER等公司介绍了感应加热半固态成形技能(见图4)。半固态成形的概念便是首要将制备好的坯料加热到较低熔点的温度，此时的安排状况是细微球状颗粒和液态的混合相，然后这种半固态的液体注入到成型的模腔中成形，在结晶进程中每个细微的球状颗粒都可以作为一个晶核长大完结结晶进程，其zui终的安排结构是细密均匀的球状安排，与传统铸造的树枝状结晶安排有很大差异。

　　之所以可以得到球状安排，在加热进程中需要运用拌和的手法，使半熔融金属中的固态颗粒进行球化，且在液态中散布均匀。而用感应加热办法行将金属加热到所需的温度，另外在交变磁场的作用下，还可以得到电磁拌和的作用，因而该技能广泛用于电磁连铸出产进程。该技能的长处有以下几个方面：

　　(1)高效节能，易于完结机械化和自动化，出产进程安稳，质量一致性好。

　　(2)出产功率高，可以与压铸出产坚持同步。

　　(3)可以减少进入模腔的气体，铸件的缩孔、疏松等质量缺点少。

　　(4)铸件的安排细密、均匀，强度有很大进步。

　　(5)混合液体的温度较低，降低了对模具的热冲击，然后有用地进步了模具寿数。

　　3. 轿车齿轮仿形双频感应淬火技能的运用

　　齿轮轮齿在载荷的作用下，轮齿根部的弯曲应力zui大，同时在齿根部与轮缘的过度部分因为形状和尺度的急剧改变发生应力会集。另外，因为在齿轮的啮合进程中轮齿的触摸面积很小(理论上是线触摸)，在载荷的作用下，在齿面将发生很大的脉动改变的触摸压应力，所以齿圈的失效办法主要是轮齿折断、齿面损坏和塑性变形。

　　为了进步轿车齿轮的耐磨性和弯曲强度，要求齿轮的齿部外表和齿根外表具有较高的硬度和外表压应力;而为了避免发生脆性断裂，进步轮齿的韧性，心部硬度不易过高。目前广泛用于轿车齿轮的热处理办法有渗碳淬火和氮化处理。

　　渗碳处理可以满意上述功能要求，但存在出产周期长、功率低、热处理变形操控困难，以及出产成本高等缺乏。氮化处理也存在出产周期长、功率低、出产成本高等缺乏，因为硬化层较薄，对进步耐磨性的作用较大，但对进步强度的作用则很小。

　　鉴于上述情况，美国的INDUCTOHEAT等公司介绍了齿轮单圈感应器双频感应淬火(single coil dualfrequency gear hardening)技能，该技能运用一个感应器，两套感应加热电源，其中一套频率为10～25kHz ，功率依据齿轮的尺度和模数巨细确认，用于齿根部分的加热，另外一套电源的频率为150～350kHz ，功率依据齿轮的尺度和模数巨细确认，但该功率是较低频率电源的2～3倍。

　　选用分时段加热的办法，首要运用较低频率电源，比功率为2～4kW/cm2，将工件加热至低于奥氏体化温度50～100℃时立即中止加热，改用另外一个频率较高的电源给感应器供电，比功率为6～10kW/cm2用于加热齿顶部分，瞬间使加热温度达到高于奥氏体化温度80～100℃，中止加热(见图5)，并立即喷水冷却，完结淬火进程，得到有用硬化层仿形散布的作用。

　　该技能运用一个感应器，一套频率分别为10～25kHz和150～350kHz的双频感应加热电源，功率依据齿轮的尺度和模数巨细确认，选用同时加热的办法，即在同一个感应器内通有上述两种频率的交变电流，比功率一般在15～20kW/cm2，依据零件的尺度和模数经过试验确认，在极短的时间内(0.2～1.5s)完结齿根、齿面和齿根的加热进程，并立即喷水进行冷却，完结淬火进程，同样得到有用硬化层仿形散布淬火的作用(见图6)。

　　轿车齿轮仿形双频感应淬火技能长处是，加热时间短，出产功率高，零件的淬火变形小，设备的占地面积少，出产环境清洁无污染，机械化、自动化程度高，可与其他加工设备共线出产。

　　4. 感应加热技能在非金属粉末涂敷中的运用

　　为了减小轿车传动轴花键轴叉和花键套管间的摩擦系数，降低噪声，进步整车的可靠性和耐久性，借鉴国外样车的成功经验，经对标剖析发现，在花键套管与花键轴叉的配合位置做了部分尼龙涂敷，选用的是热涂敷工艺。用炉中加热办法存在以下缺乏：

　　(1) 需要将零件整体加热，工艺周期长，为满意出产节拍，设备占地面积大。

　　(2)只需要部分涂敷，其余部分要进行防护，导致工序杂乱。

　　(3)为了满意工艺节拍的要求，确保零件到达涂敷工位的工艺温度，需要工件有较高的过热度，导致工件的外表氧化，降低涂敷资料和零件间的附着力， 影响涂敷质量。

　　为此，一汽集团公司运用感应加热技能，运用感应加热可以完结零件部分加热的特色，选用合理的工艺办法和工艺参数，严格操控加热区域和加热温度，减少了零件在涂敷前的氧化，不需涂敷的部分大大低于工艺温度，不用采取任何防护办法。

　　设备的占地面积小，自动化程度高，可依据涂敷工序的时间合理安排感应加热的节拍，并完结了在线出产，涂敷后实物见图7。该工艺进步了出产功率，降低了能耗和工艺成本，改善了出产环境，取得了较好的经济效益和社会效益，具有广泛的推广运用远景。

　　5. 感应加热技能在高强钢板成形及热处理中的运用

　　为了进步轿车车身的安全性及完结轻量化的方针，欧美及日本等轿车制作技能比较先进的各轿车厂家，争相选用减薄高强钢板，经过热处理强化的办法，进步车身结构件的强度。一般的做法是，运用为满意车身板热处理需求而开发的专用钢板。

　　该资料应具有淬硬功能好、在高温晶粒长大速度慢、安排细密等功能，在进行冲压成形前使其在加热炉中加热到奥氏体化温度以上50～80℃，然后快速送到模具内成形，运用带有冷却水道的模具使其敏捷冷却到马氏体相变点以下温度，进行马氏体转变，完结淬火进程。

　　目前的加热办法一般选用带有快速送料机构的缝隙式加热炉进行加热，为了减少加热进程中的氧化，炉内还要用惰性气体或维护气氛加以维护。经这样处理后的车身结构件(如A、B、C柱及副车架等，见图8)的抗拉强度可以达到1300～1500MPa，进步近2～3倍，因而在完结了轻量化的情况下，大大进步了轿车的安全性。

　　据资料介绍，日本的高周波热炼等公司运用感应加热速度快的特色，成功开发了用感应加热代替广泛运用的炉中加热新技能。该技能具有加热速度快，电热转化功率高，设备占地面积少，机械化和自动化程度高，以及可以与出产线共线出产等长处，并在出产中得到运用。

　　三、结语

　　跟着中国经济的高速开展和对环境维护的高度重视，在全球功能源严重的布景下，节能、环保是轿车制作业要面对的两个非常重要的现实问题。作为一种高效、污染小的加热办法，感应加热技能在轿车制作范畴将会得到越来越广泛的运用。

　　针对注塑企业在开展不同阶段存在的管理痛点供给定制化的咨询服务和处理计划，从诊断开始——计划策划——计划实施——项目后服务一站式处理企业所存在的问题。