半轴锻造加热温度自动控制技术的应用

导读：商用车半轴锻造时普遍采用感应加热与红外测温仪测温方式，按节拍加热，加热到时间（节拍）后测量温度。目前这种方式加热到设定时间后，有时会出现两种问题：有的温度过高，超过工艺要求的上限温度，使得半轴报废；有的加热温度过低，达不到工艺要求的下限温度，不能锻造，需分捡出来，造成了材料与人力的极大浪费。如何在加热过程中实时检测温度，实现温度可控，且半轴加热到工艺要求温度范围时，自动出料，避免半轴过烧，减少因人为因素导致的残品废品，是提升半轴产品质量亟需解决的问题。

半轴介绍

1、半轴的概念和分类

半轴也叫驱动轴，是用于驱动桥主减速器与轮毂或轮边减速器之间传递扭矩（半浮式半轴还承受弯矩）的非断开式的轴，从差速器传递来的扭矩经过半轴、轮毂等，最终传递给车轮，因此半轴是传递系中传递扭矩的一个非常重要的零件。半轴按支撑形式不同可分全浮式半轴（图1）和半浮式半轴两种。全浮式半轴是只传递扭矩的半轴，而半浮式半轴是既传递扭矩又承受弯矩的半轴。

2、半轴的原材料及加热温度要求

半轴材料一般采用40Cr、42CrMo、42CrMoH、40MnBH，其加热温度要求为：40Cr加热范围1000～1200℃，42CrMo、42CrMoH和40MnBH加热范围1000～1150℃。

加热控制方式

半轴锻造加热采用感应电加热，坯料放入感应圈中，在交变电流的感应电动势的作用下，坯料表面形成强大的涡流，使坯料内部的电能直接转变为热能。锻造加热温度过高会出现过烧现象，材料如果过烧会导致原料报废，造成资源的极大浪费。锻造加热是关键工序，防止半轴过烧，必须控制加热温度。

1、过烧

图1 全浮式半轴结构形式

过烧是指钢被加热到接近固相线或固-液两相温度范围内的某一温度后，在十分粗大奥氏体晶界上不仅发生了化学成分的明显变化（主要是硫和磷的偏析），而且局部或整个晶界出现烧熔现象，从而在晶界上形成了富硫、磷的液相，在随后的冷却过程中，晶界上产生富硫、磷的烧熔层，并伴随着硫化物、磷化铁等脆性相的沉积形成，导致晶界严重弱化，从而剧烈降低钢的拉伸塑性和冲击韧性的现象。

如果加热温度过高，不仅奥氏体晶粒已经长大，而且在奥氏体晶界上也已发生了某些能使晶界弱化的变化，过烧是晶粒间发生氧化，属不可逆转的缺陷。过烧的零件已经产生晶间裂纹，塑性和冲击韧性严重降低，必须报废。过烧组织图片见图2。

图2 过烧组织图片（100×）

2、公司原有加热方式分析

我公司原有半轴原料加热方式的分析：

⑴测头位置在加热炉外，加热时不能实现实时测量加热温度，只能在半轴加热完毕后，从电炉取出检测其温度。

⑵测头位置在加热炉中间开口位置（加热温区最高点），能实时检测加热温度，但不能实现自动出料。

⑶没有自动控温装置，靠人工控制，人为因素大，质量无法保证。

从以上可以看出，加热温度对于半轴机械性能非常重要，是关键工序。如何测量并控制加热温度成了锻造企业必须解决的难题。

温度测量方式

半轴锻造加热一般采用如下两种方式测量材料温度。

1、火色对比图

操作者通过目测半轴原料加热颜色，与火色对比图比较，估算出原料加热温度，此方法与操作者技能水平有直接关系，因此存在着较大的主观误差，不同操作者得出的温度可能会存在较大差距。火色对比图见图3。

图3 火色对比图

2、红外测温仪

红外测温仪（图4）有以下两种测量方式。

图4 红外测温仪

⑴加热中实时测量温度。测头测量正在加热的工件，实时显示工件温度，温度达到后，手工出料。

⑵出料时在加热电炉口处检测温度并分选，分为人工分选和工装自动分选。温度过烧报废，温度低于工艺要求，冷却后重新加热。

方案探究

近年来，我公司逐渐开始为国外客户供货，国外某公司对我公司审核时，指出锻造加热工序为不符合项，根据对方公司最新审核文件要求，锻造加热温度应控制在±25℃范围内。

图5 原测量温度现场

根据我公司实际情况及半轴锻造加热特点，讨论了以下两种方案。

1、方案1：温度控制

红外测温仪测量炉内最高温度，到设定温度后，发出电信号，得信号后，气缸动作，顶出半轴原料，图6为方案1简图。

⑴采用控制方式：红外测温仪温度控制。

⑵动作顺序。

1)红外测温仪测量最高点温度，到设定温度点后，反馈信号到气缸。

2)气缸动作，顶出半轴。

图6 方案1简图

图7 方案2简图

2、方案2：节拍控制

半轴装入加热炉，在加热炉前部有接近开关，碰到接近开关后，开始计时，到设定时间后，时间继电器发出信号，得到信号后，气缸动作，顶出半轴原料，图7为方案2简图。

⑴采用控制方式：节拍控制方式。

⑵动作顺序。

1)半轴放料到加热炉中（加热单根半轴）。

2)到时间后，继电器得信号，给气缸通气，顶出半轴。

3)加热设定的时间，不同半轴先通过实验验证，验证合理后得出节拍时间。

方案确定

最终我公司选取温度控制方案1作为测量温度的依据，采用红外测温仪测量半轴加热温度，采集最高加热点温度，反馈信号给PC机，PC机控制电磁阀，给气缸气源，顶料（把加热到温度的原料顶出），我公司采用测量加热温度最高点温度控制方法，设定加热和顶料温度点1050℃，到1050℃就把加热半轴顶出（图8）。报警延时设定在40秒，超过40秒不压制加热好的原料，报警灯亮起，原料就不能压制了，需冷却后重新加热。此方案能够满足国外客户加热温度控制在±25℃的严格要求，此方案已通过国外客户的现场审核。

图8 温度设定1050℃，没到温度继续加热，到1050℃红灯亮起，给出信号

此方案优点：一是资金投入少；二是简单易实现，需要改变或增加的结构不多，炉头、电源结构不变，只增加了气缸、继电器(图9为新增顶料气缸，图10为气缸动作，顶出原料)。

图9 增加顶料气缸

图10 气缸动作，顶出原料，顶出距离50～100mm

结论

锻造加热采用温度自动控制方式的目的：加热是关键工序，半轴过烧会破坏组织结构，使半轴早期失效，甚至出现零公里断轴现象，控制加热温度，防止人为因素出现过烧现象的发生，是加热采用温度自动控制的目的。