半軸鍛造加熱溫度自動控制方案

文/蔡永和·吉林圓方機械集團有限公司

半軸鍛造加熱是產品質量控制中的重要一環，在加熱過程中通常會產生過熱、過燒等質量缺陷，過熱通過后序的熱處理還可以彌補，但過燒是致命的質量隱患，即無法彌補，又不容易發現，那么工件如何在加熱過程中溫度可控、溫度一致性好，防止半軸過熱、過燒，減少人為因素的影響，成了半軸鍛造加熱過程中必須解決的問題。

為了攻克這一難題，在設計和改進過程中重點針對半軸鍛造加熱過程溫度監測和到溫后如何自動控制進行了研究和討論，最終確定方案為工件在加熱過程中采用紅外測溫儀實時監測，工件達到設定溫度時測溫儀發出信號到PLC 機，PLC 機將信號再傳遞給電磁閥，電磁閥動作控制頂軸氣缸活塞桿頂出，活賽桿頂動半軸，半軸自動出料。這種設計方案既不影響生產效率，又不增加勞動強度，簡單實用，控制半軸鍛造加熱溫度準確、穩定、可靠，完全消除了人為各種因素的影響，已經通過了沃爾沃公司的嚴格審核，這種方案運行至今沒有出現過因為過熱、過燒等加熱缺陷產生的不合格品。

半軸產品簡介

半軸的定義：半軸是在差速器與驅動輪之間傳遞動力的實心軸，其內端與差速器半軸齒輪連接，而外端與驅動輪的輪轂(或制動鼓/制動盤等)相連。

半軸的作用：從差速器傳遞來的扭矩經過半軸、輪轂等，最終傳遞給車輪，是傳遞系中傳遞扭矩的一個重要零件。

半軸的分類：半浮式、全浮式和3/4 浮式三種。所謂“浮”是指卸除半軸的彎曲載荷而言，其中半浮式、全浮式兩種結構形式應用較為廣泛。

半浮式半軸：半浮式半軸一端支承在差速器內，另一端支承在橋殼上，即承受轉矩也承受彎矩，支承結構簡單、成本低，因而被廣泛應用于反力彎矩較小的各類轎車或輕型車上。

全浮式半軸：用于差速器與驅動輪連接起來的非斷開式半軸，只承受轉矩，不承受任何反力和彎矩。全浮式半軸常用于牽引車等。

半軸鍛造加熱常用控制手段及出現的質量問題

半軸鍛造加熱通常采用感應電爐加熱，坯料放入感應線圈中，在交變電流的感應電動勢的作用下，坯料表面形成強大的渦流，使坯料內部的電能直接轉變為熱能。加熱常用控制手段有：

火色對比圖

這種火色對比圖(圖1)用起來一般靠感覺、經驗來執行，存在一定誤差，現在越來越多的企業不再使用這種方法來控制加熱溫度，只是作為參照執行的一種手段。

圖1 火色對比圖

紅外測溫儀

加熱過程中采用紅外測溫儀實時測量工件溫度，出料時檢測溫度并分選，超出工藝設定，判定為不合格，標識報廢隔離，未達到工藝設定溫度，冷卻后重新加熱，圖2 為紅外測溫儀顯示溫度狀態，這種加熱靠人為觀察溫度顯示儀來控制加熱溫度，偶爾會出現過熱、過燒等質量缺陷。

⑴過熱、過燒的定義

圖2 紅外測溫儀顯示溫度狀態

1)過熱。加熱轉變終了時所得奧氏體晶粒一般均較細小。但如果在轉變終了繼續升高溫度，奧氏體晶粒將繼續長大。如果僅僅是晶粒長大而在晶界上并未發生能使晶界弱化的某些變化，則被稱為過熱。過熱將使隨后的緩冷所得的鐵素體晶粒、珠光體團以及隨后的快冷所得的馬氏體組織變粗，這將使得鋼的強度和韌性變壞。因此必須用再次熱處理來校正由于加熱不當而出現的過熱現象。

2)過燒：如果加熱溫度過高，不僅奧氏體晶粒已經長大，而且在奧氏體晶界上也已發生了某些能使晶界弱化的變化，稱之為過燒。過熱與過燒的區別在于奧氏體晶界是否發生弱化。過熱是出現晶粒粗大，晶界加寬的現象,而過燒是晶界晶粒部分低熔點合金相出現復溶現象。

⑵過熱、過燒產生的原因。

過熱是由于鍛造加熱溫度高，存在一定的保溫，導致晶粒快速長大，而產生的過熱組織。但是過熱組織還有一種可能，是加熱溫度很快(比如感應加熱)，晶粒沒有出現快速長大現象，但是鍛造過程很快，產品是終鍛后溫度高，在鍛后堆冷的時候晶粒繼續長大，而產生過熱組織。過熱主要表現是晶粒過分長大，可通過后序的熱處理改善。過燒則是晶粒間發生氧化，屬不可逆轉的缺陷。過燒的零件已經產生晶間裂紋。

⑶過熱或過燒在金相檢查中的判定。

1)結構鋼以晶界出現網狀鐵素體判過熱，有孔洞判過燒。

2)高溫合金晶粒粗大判過熱，晶界有空的孔洞、雜質判過燒。

⑷過熱鋼特征。

1)宏觀斷口：產生結晶狀斷面或無金屬光澤的灰白色粒狀斷面。

2)顯微特征：粗大的A(奧氏體)晶粒，魏氏體組織，原始A 晶界處S 偏析或硫化錳沉淀。

3)過熱鋼的機械性能：塑性和沖擊韌性明顯降低，對強度和硬度基本無影響，圖3 為過熱組織圖片。

圖3 過熱組織圖片(100×)

⑸過燒鋼特征。

1)宏觀斷口：無金屬光澤的灰白色石狀斷面。

2)顯微特征：粗大的A 晶粒，魏氏體組織，原始A 晶界處富P，S 燒熔層及原始奧氏體晶界上硫化錳和磷化鐵沉淀。

3)過燒鋼的機械性能：塑性和沖擊韌性嚴重降低，出現過燒的產品必須報廢，圖4 為40Cr 過燒晶界心部圖。

圖4 過燒40Cr(100×)晶界心部

從以上可以看出，加熱溫度對于半軸機械性能非常重要，是特殊工序。如何測量并控制加熱溫度成了鍛造企業必須解決的難題。

我們半軸原料原有加熱測溫方式：

方式1：測頭位置在加熱爐膛外，加熱時測量不了實時加熱溫度，只能在半軸加熱好后，拿出電爐時檢測其溫度。

方式2：測頭位置在加熱爐中間位置(加熱溫區最高地方)能實時檢測加熱溫度。

這兩種測溫方式缺陷：沒有自動控溫裝置，靠人工觀察溫度顯示儀的溫度顯示，存在溫度超過工藝設定溫度未及時拿出的現象，人為因素大，產品質量無法穩定。

半軸鍛造加熱溫度自動控制及設計原理

公司近年來，逐漸開始為國外客戶供貨。VOLVO對本公司審核時，指出鍛造加熱工序為不符合項。根據VOLVO 公司最新審核要求，要求鍛造加熱溫度控制在±25℃范圍內。

根據公司實際情況及半軸鍛造加熱特點，研究設計了以下方案：

溫度自動控制：紅外測溫儀測量爐內工件最高溫度處，到設定溫度范圍后，發出電信號，氣缸得信號后，動作，頂出半軸。

此方案優點：投入少，爐頭、紅外測溫儀、電源結構均不變，只增加氣缸、PLC 機、電磁閥、繼電器。自動控溫方案簡圖如圖5 所示。

圖5 自動控溫方案簡圖

溫度自動控制原理：采用紅外測溫儀測量半軸加熱溫度，采集最高加熱點溫度，到達設定溫度后，紅外測溫儀將信號反饋給PLC 機，PLC 機控制電磁閥動作，電磁閥控制氣缸動作，氣缸動作頂出正在加熱的半軸(把加熱到溫度的半軸原料頂出)。公司采用測量加熱溫度最高點控制辦法，設定加熱和頂料溫度點1050℃，到1050℃就把加熱好的半軸頂出。報警延時設定在40 秒，超過40 秒報警燈亮起，半軸原料就不能壓制了(因為半軸在1050℃自然冷卻40 秒，溫度將降至850℃，低于850℃禁止鍛造)，需冷卻后重新加熱。此方案能滿足VOLVO 最新標準加熱溫度控制在±25℃的嚴格要求，并通過了VOLVO 的現場審核。頂料氣缸及半軸頂出狀態如圖6、圖7 所示。

圖6 頂出氣缸圖片

圖7 半軸頂出狀態圖片

結束語

半軸鍛造加熱是關鍵工序，半軸過燒會破壞組織結構，使半軸早期失效，甚至出現零公里斷軸現象，嚴重影響供應商在主機廠的質量信譽。控制加熱溫度，防止人為因素出現過燒等現象，是加熱采用溫度自動控制的目的。通過設計制作溫度自動控制裝置，解決了半軸鍛造加熱無法控制的技術難題，解決了存在過熱、過燒的質量隱患，解決了人為控制存在的不穩定因素。此種設計方案經濟實用，簡便易行，此種設計已經在本公司其他鍛造工序大面積推廣普及，同時，這種加熱溫度控制方案，在其他產品鍛造加熱自動溫度控制上也非常有借鑒意義。