發動機曲軸淬火感應器的制作與檢測

薛飛，周維綱，嚴海橋，楊軍，黃巍

上汽大眾汽車有限公司 上海 201805

1 序言

EA888發動機曲軸在生產過程中需要完成淬火處理。發動機廠的淬火設備采用的是感應淬火原理，即利用感應電流通過工件所產生的熱量，使工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火工藝[1]。感應器（見圖1）是淬火機床中產生感應電流并對工件加熱淬火的終端元件，也是感應淬火設備用來加熱的核心部件，具有加熱效率高、速度快和可控性好等優點，集加熱回火于一體，是控制工件淬硬層深度與寬度的重要環節。

圖1 淬火感應器工作情況和實物

發動機廠曲軸生產線的淬火機床整機是從德國ALFING公司進口的，在投入生產一段時間后，設備的狀況很不穩定，經常發生故障報警而影響生產。經調查后發現，淬火機床的主要故障原因是感應器的接地故障，而接地故障主要是因感應器的短路而引起的。感應器的不穩定和使用壽命短也直接導致淬火質量下降、工件不合格率增加等棘手問題，且淬火機床的部件（包括感應器）都是由德國制造并進口，備件價格昂貴且供貨周期長。因此，面對日益增長的產量目標，解決曲軸淬火機床感應器運行不穩定問題已迫在眉睫。

2 曲軸淬火感應器自主制作

曲軸淬火加熱的ALFING感應器共有5種型號，分別為主軸頸3種：M1、M2/4、M3/5；連桿頸2種：P1/3、P2/4（見圖2）。每種感應器都由內部的感應線圈和外殼兩部分主體結構組成，且每種感應器的形狀尺寸均有所不同。

圖2 感應器加工示意

經過對感應器制作中的成形、焊接和檢驗技術的不斷探索，目前我公司已能夠自主制作所有5種型號的曲軸淬火感應器總成（包括感應線圈和外殼）。

2.1 成形工藝

成形技術是感應器制作中的核心工藝。以曲軸主軸頸M1型感應器（見圖3）為例，感應線圈的形狀是根據曲軸的外形和工件夾持的位置而特制的，特別是其前端的工作區域，大多為不規則形狀。

感應線圈的制作母材為空心薄壁純銅管，從圖3可看出，M1型感應器線圈的母材規格分別有4種長方形的空心銅管：8mm×4mm×1mm、8 mm×6 mm×1 mm、9 mm×5 m×1 mm，12mm×10mm×2mm，以及1種圓形的空心銅管：φ10mm×1mm。

圖3 M1型感應器零件

通過自主設計的專用工裝和模具如圖4所示。在成形過程中，將原來筆直的母材銅管彎制成所需的各種不規則的形狀，如圖5所示。在銅管成形前，必須在銅管內注入松香，以確保銅管在變形后不產生破裂和形變。在銅管成形后，需要利用銑床和砂輪機等工具對其進行修整，以保證其尺寸精度符合圖樣要求。

圖4 成形專用工裝和模具

圖5 母材銅管

在感應線圈各個部件彎曲成形后，先按圖樣要求拼裝成一個整體，然后將其放入自主設計的工裝上進行尺寸精度校驗（見圖6），再在感應線圈的前端工作區域內按要求插入一定數量的硅鋼片和云母片。硅鋼片的功能是集中淬火加熱的能量，而云母片主要起到絕緣的作用。最后在感應線圈之間插入聚四氟乙烯絕緣片，防止因線圈間的接觸而造成短路，并將線圈用環氧樹脂包裹，確保感應線圈與外界絕緣（見圖7）。

圖6 感應線圈校驗成形尺寸

圖7 用環氧樹脂包裹感應線圈

2.2 焊接

感應器中的感應線圈是由不同形狀和規格銅管拼裝而成的，在拼裝過程中需要大量采用焊接工藝（見圖8中圓圈處）。焊接質量是決定感應器制作質量的關鍵因素之一，目前我公司采用傳統手工氣焊和感應釬焊相結合的焊接工藝。

圖8 焊接示意

（1）手工氣焊 感應線圈常規的焊接方法是利用氣焊槍人工焊接，其原理是將氧乙炔混合氣體在焊槍槍頭處點燃以產生熱源來進行焊接。手工氣焊使用簡單、快捷，可滿足感應線圈大部分的焊接要求。但是，其也有比較明顯的缺點：①感應線圈上的狹小部位難以焊接，容易導致焊接不充分的情況。②熱量容易擴散，溫度不可控制。③安全隱患大（易燃易爆氣體及明火）。

（2）感應釬焊 感應釬焊是將需要焊接的金屬工件放在感應線圈內，通高頻交流電，產生感應電磁場，在工件表面耦合產生感應電動勢，使金屬表面形成感應渦流，并依靠在金屬表面產生的渦流發熱[2]。在焊接部位一般會涂上焊粉或焊膏，待工件達到釬料熔化溫度時焊接即可。感應釬焊的熱量和溫度恒定并精確可控，可根據需要焊接的工件設計感應線圈的形狀，從而實現全方位無死角焊接，且更加安全和環保[3]。應用感應釬焊技術可很好地解決手工氣焊所難以焊接到的部位（見圖8中紅色圓圈處），并可以提高焊接的質量和效率。

2.3 檢測

經過長期的研究和實踐，制作了感應器尺寸檢測及相應的公差范圍，來校驗感應器的關鍵尺寸，并設計制作了一套感應器檢測系統，能夠檢測各種型號感應器的水流量、壓力等功能性指標。

（1）尺寸檢測 感應器總成的關鍵尺寸和公差范圍見表1。

表1 感應器總成的關鍵尺寸和公差范圍 （mm）

（2）感應器循環冷卻水測試系統 由于在國內還沒有非常專業制造各種異形感應器的廠家，也沒有專業的實驗室進行全面檢測，因此只能利用有限的經驗與簡易的模具進行制作維修，感應器容易因冷卻水泄漏、內循環堵塞而產生爆裂或線圈變形引起的鼓包，以及安裝調整不到位導致接地故障等狀況的發生。為此，我們自主研發了一套感應器測試系統（見圖9），該套系統由工作臺（適用于不同型號的感應器）、電控箱和水箱水泵系統組成，可以模擬淬火機床在實際運行時，感應器中內循環冷卻水的工況。利用這套測試系統，可全面監測感應器的冷卻水流量、壓力和密封性能，得出實測數據，從而保障感應器（線圈）的使用性。

圖9 感應器測試系統實物與結構組成示意

感應器測試臺設備具有以下幾個功能。

1）可方便地調節水壓。水泵初始水壓8bar（1bar＝105Pa），通過調節閥門可將水壓最大值調節至18bar。這樣即可檢測耐壓變形范圍，測試感應器的使用壽命。

2）可清晰直觀地讀出水流量數據。安裝于測試臺管路系統上的電子數字式流量計，可直觀地反映出設定工作周期內循環水在設定壓力下通過感應器管路的流量，從而檢測淬火設備的工作性能。

3）能夠全方位地觀測感應器（線圈）的密封性，可目測感應器的泄漏情況，同時通過壓力表也能反映出泄漏狀況。

4）方便后期預調整工作。感應器上機工作時，對其垂直度要求相當高，會直接影響感應器的接地故障。通過在測試臺上的垂直尺檢測，調節螺栓進行預調，可縮短更換感應器后的調整時間，提高生產效率。

3 結束語

在完全具備曲軸淬火感應器自主制作能力后，擺脫了生產線對感應器進口備件的依賴，并通過對自制感應器進一步有針對性地優化和改進，經實際上機使用驗證，自制感應器的使用壽命和穩定性超越了進口感應器，而成本和供貨期遠低于進口感應器，在提高淬火機床穩定性的同時，降低了設備的維護成本，取得了較好的經濟效益。