第一章 绪论1.1研究意义 表面淬火是热处理的一种工艺，仅对零件的表面进行处理，以达到零件表面的性能，而保持心部的性能不变。正确选择表面淬火工艺必须了解工件的工作情况和服役条件，零件的结构、形状以及使用的材料等各个方面，从生产和实用角度去考虑解决方案。原则是从实际出发且经济有效。 在许多情况下，采用表面淬火处理能够较理想地解决表面和心部性能要求不一致的矛盾，即既能改善表面强度、硬度和耐磨性，又能保持心部大塑性和韧性，使材料的潜力得到充分的发挥，满足生产技术要求。1.2国内外研究现状1.2.1国际先进的感应淬火技术 (1) 电源国外IGBT、MOSFET和SIT全固态晶体管电源技术逐步成熟，并已商品化、系列化，目前有1200kW、50kHz；50100kHz、30600kW；100kW、80kHz；低频段有取代晶闸管电源趋势；MOSFET多采用并联振荡电路，SIT多采用串联谐振电路，功率高达1000 kW、频率200kHz和400kW、400kHz。它们都是电子管式高频电源的理想替代产品。当输出功率与电子管电源相同时，节电35%40%，节省安装面积50%，节约冷却水40%50%。随着科技的进步，在高频感应淬火领域，MOSFET有望取代SIT。 (2) 淬火机床感应淬火机床更加趋向自动化，CNC控制逐渐增多，自动分检零件与自动识别进机零件功能的机床增多。 1）通用淬火机床通用淬火机床朝柔性化方向发展，一台淬火机床可以对不同性能要求的不同零件感应加热淬火。德国研制的一种曲轴淬火机床，法兰件感应淬火柔性加工系统略加调整能处理不同尺寸的相似工件；对于轴类零件在一定直径范围内（如30mm）与长度300800 mm范围内，对于相似淬火要求的轴类零件，淬火机能自动编制14种程序，自动识别进机零件；Robotron.Eiotherm最近推出了双主轴立式淬火机，在一个紧凑的工艺单元内进行工件的淬火与回火，能处理轮轴、三槽套及其他万向节件，转换工件只需25min，用计算机编程，根据工件号在2 min内就可调出有关工艺数据；一汽引进的GH公司数控淬火设备通用性强、自动化程度，在复杂零件上可实现多段变功变速，编程容易、操作方便。图1是GH公司的数控淬火机床。图1 GH公司的数控淬火机床2）专用淬火机床专用淬火机床更加专用化，采用机械手上下零件，加热、淬火、回火、校直、检查完全自动进行。先进的计算机控制技术可以监控并屏幕显示淬火过程和工艺参数，跟踪全部操作过程，如发现故障或工艺参数偏离给定值，便自动修正或自动列出不合格零件，使控制系统暂停工作并报警，同时屏幕上显示故障性质和所要修正的动作。更先进的控制系统还适应材料化学成分的波动，并自动调整比功率或加热时间，以保证感应淬火零件的质量。例如日本高周波热炼株式会社川崎工厂的卧式半轴淬火机床，上尾厂可同时淬三根半轴，群马厂可同时淬两根半轴，机床实际上是感应热处理生产线，全过程除校直、荧光探伤检查需一名工人外，其余全部自动进行。 3）机器人的应用日本高周波热炼株式会社制造的一台立式通用淬火机床上配置一台机器人，机器人将一个二匝的感应器进行依次平面扫描，使一块塑料板变色，虽然使用电源功率只3 kW，但也可以看出机器人在感应热处理中的应用趋势。 4）机电一体化将电源、淬火机床、冷却系统组成成套装置，具有占地面积小、生产效率高、一次安装调试容易等优点。国外最近问世的曲轴固定加热淬火装置占地面积仅为组合式成套装置的1/4。 (3) 淬火工艺 1）静止式曲轴感应淬火采用静止式曲轴感应淬火新技术的最初的两台装置在福特公司V6和V8曲轴淬火和回火工艺中得以应用，表现出了良好的市场前景。其特点是：加热时间短，一般仅为1.54s，传统工艺是712s；电效率高、成本低；感应器与工件之间允许有较大间隙，调整方便；操作简单、重复性好、易于维护；占地面积小，仅为原来的20%左右。 2）低淬透性钢齿轮淬火现在俄罗斯许多汽车工厂广泛采用低淬透性钢进行整体感应加热表面淬火，已大量应用于汽车、拖拉机后桥齿轮、挖掘机齿轮、传动十字轴、火车车厢用滚动轴承、汽车板簧、铁路螺旋弹簧等，取得了较大的经济效益。 3）双频感应加热淬火国外双频淬火主要用于齿轮。20世纪90年代，美国用10kHz中频和150kHz高频电源，先让齿轮在中频感应器中加热，然后迅速降到高频感应器中加热，最后落入油中淬火。进入21世纪，此工艺又有新进展，如GH公司采用电力电子开关转换频率，使齿轮的齿顶和齿跟的加热更加均匀，更好地保证了齿轮的淬火质量。 1.2.2我国汽车工业应用感应热处理技术现状1 电源电源是感应加热的关键设备之一，随着感应加热技术的发展，经历了机械式中频发电机组和真空管式高频电源、晶闸管中频电源及全晶体管电源三个发展阶段。在20世纪80年代后期，在工业发达国家，晶闸管中频电源已完全取代了中频发电机组，我国自90年代中期也已逐步取代。同机械式中频发电机组相比，晶闸管（SCR）中频电源具有以下优点：体积小、重量轻、材料消耗少；电效率高，逆变停止时几乎不消耗电能，逆变效率可达90%以上；无机械运动、噪音小、运行可靠、负载匹配容易，可以根据负载情况确定电源的频率；启动停止方便，频率能自动跟踪以保持最佳运行状态；产品设计简单、制造周期短；安装容易，不需要特殊的基础；维修方便等。我国的晶闸管中频电源的共同特点是全集成化控制线路数字化程度高于90%、启动成功率几乎达到100% 、除具有常规的水压不足、快熔熔断、过流、过压等保护功能外，还具有限流、限压等保护功能、功能较齐全的晶闸管电源还配置逆变失败、水温监视等可选功能，其频率最高可以作到8kHz，额定功率可以作到1000kW左右，如果在装配工艺上再进一步改进的话，可以接近世界先进水平。 随着技术的进步，跟踪80年代国际感应加热技术水平，我国于90年代中期开发出第一台电效率较高的50kW/50kHz IGBT电流型超音频感应加热电源(图2)。目前可做到频率0.450kHz、最大功率可达到800 kW，频率达到100kHz时功率达到100 kW 。图2 IGBT电流型超音频感应加热电源IGBT应用同期，我国还成功研制出20 kW/300kHz MOSFET高频电源，缩小了同国际先进水平的差距，随着大功率MOSFET器件的问世，大功率的晶体管高频电源有望年内在感应淬火中应用。 2 淬火工艺随着汽车工业的迅速发展，我国采用感应淬火的零件的种类和品种不断增加。目前我国汽车零件感应淬火用材料包括：45#、40Cr、55MnVS、40MnB、42CrMo、35#、ZG45、球铁、合金铸铁等。感应加热淬火介质包括：水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介质、UCON、豪富顿251等。所采用的加热方式及应用主要包括：横向磁场静止一次加热淬火（销轴类零件、凸轮轴）；横向磁场连续加热淬火（减振器杆、变速叉轴、扭杆等）；横向磁场多段连续加热淬火（起动机轴、空压机轴等）；纵向磁场整体一次加热淬火（半轴等）；仿形感应器零件旋转加热淬火（球头销）；感应接触加热淬火（转向齿条）；内孔的一次及连续加热淬火（输出法兰、钟型壳内腔）；阶梯轴类零件的旋转加热淬火（小红旗后轮毂轴、转向节）；平面类零件的一次及连续加热淬火（钢板弹簧横向限位板）；薄壁类复杂零件一次及连续加热淬火（前轮毂、滑动轴叉）；复杂形状零件的一次加热淬火（钟型壳变截面轴）；槽口一次淬火（变速叉）；复杂回线工件旋转一次加热淬火（曲轴）等。 3 淬火机床为了适应多品种的批量生产，在汽车生产应用中，我国引进的感应淬火机床种类由传统的专用设备逐步向柔性化程度较高的通用设备和专用淬火自动生产线发展。通用淬火机床方面，一汽技术中心开发的卧式数控淬火机床（图3）主驱动采用交流伺服电机拖动，移动速度稳定均匀、定位准确、重复精度高；零件旋转采用变频调速，能适应多方面工艺要求；采用能量和数控技术对不同性能要求的不同零件感应加热淬火，甚至在同一零件上实现多段变功变速，编程容易可操作性强。图3 通用数控淬火机床专用淬火机床方面，二汽和天舒机电科技有限公司经过多年努力，攻克一个个难关，采用功率脉冲分配技术、尾座自由顶尖技术、薄型淬火变压器技术、独立悬挂技术、悬挂平衡技术等分别研制成功曲轴全自动淬火机床（图4），与电源、水冷系统组成成套淬火设备可对车用内燃机曲轴进行各轴径的圆角+轴径淬火、轴径淬火自回火，采用计算机控制，通过显示屏对设备的加热、淬火工艺参数诸如电压、电流、频率、时间、压力、流量温度等进行监控和显示，目前国内多家采用。 第2章 汽车后桥半轴淬火机机体结构确定2.1机床总体设计总体设计，是确定所设计机床的工艺方法、运动及其分配、传动和控制、结构和性能，最后画出机床总体布局图等机床设计工作。2.2工艺分析2.2.1 工艺方案的确定上的工艺方法多种多样，其对机床的结构和性能影响很大。工艺方法的改革常导致机床的运动、传动、布局、结构、性能以及经济效果等方面的一系列变化。本机床是用来加工汽车后桥半轴淬火专用组合机床，具体工艺见工艺过程卡片和工序卡片，此机床设计的是专用淬火的组合机床。2.2.2 夹具方案的拟定机床，夹具是针对某特定工件而设计的，它是专用机床的一个重要部件，夹具方案的拟定是专用机床总体方案设计的组成部分，本机床夹具用专用液压夹具，用限位装置，V 形块定位，来夹紧汽车后桥半轴进行旋转，淬火。2.2.3 机床运动的确定运动的确定 是要确定机床运动的数目、运动的类型以及运动的执行件。 来说，工艺方法决定机床运动，上述专用组合机床的工艺方法是先将未淬火的汽车后桥半轴至于V形块上，然后升降台升起，将工件的中心线与主传动的顶尖中心线位置在同一水平线上，然后尾座气缸工作，尾座气缸驱动顶尖，与主传动的顶尖共同顶住汽车后桥半轴，然后底座气缸工作，使得导轮在导轨上向上有一个滑动的过程，使工件顺利的进入到感应线圈中。导轨为有一定上升角度的导轨，因为主传动的顶尖后端有一法兰盘，为了避免该法兰盘进入到感应线圈中故选用此导轨。2.3机床总体布局总体布局是确定机床的组成部件以及各个部件和操纵。机床共包括，主传动机构，工作台升降部分，机床整体升降部分，尾座气缸加紧机构，V形块安装在工作台上，工作台由进给气缸驱动，沿床身导轨作纵向进给运动，行程开关等分别设在机床中适当部位。2.3.1 运动的分配上的工艺方法确定后，在加工时的相对运动亦随着被规定了，机床运动的合理分配是由多方面因素决定的，对于一般旋转均由完成比较方便，为了提高被加工孔中心线的直线度，须将回转主运动分配给工件，不过此设计的组合机床即是一般情况即可。配置型式及结构方案的确定根据上述工艺方案确定机床的型式和总体布局。在选择机床配置型式时，既考虑到实现工艺方案，保证加工精度、技术要求及生产率;又考虑到机床操作、维护、修理、排屑的方便性，还注意到被加工零件的生产批量。影响组合钻床配置型式和结构方案的主要因素有:加工精度 在选择专用淬火机床的结构方案时，首先必须注意到能否保证稳定的加工精度。通常根据经验数据进行机床配置型式的选择。固定式夹具组合钻床能达到的钻孔位置精度最高，采用固定导套一般能达士0.20mm，当严格要求主轴与导向的同轴度，减少钻头与导套间的间隙，导向装置靠近工件时，可达到士0.15mmo根据工件的生产类型，完全可以采用单工位固定夹具的机床型式。被加工件的尺寸、形状、加工部位的特征根据被加工零件的特点，适于采用卧式机床，卧式机床可使定位基面与设计基面重合。操作的方便性合理确定装料高度以使操作方便。在现阶段，设计组合机床时，装料高