精密滾珠絲杠副是一種用于精密機(jī)械定位與傳動(dòng)的關(guān)鍵滾動(dòng)功能部件，其同時(shí)兼具高效節(jié)能、精密定位和精密導(dǎo)向等優(yōu)點(diǎn)，是典型的資本密集型、技術(shù)密集型和管理密集型產(chǎn)品。它集成了許多關(guān)鍵的精密零部件制造技術(shù)，其制造精度直接決定了高端數(shù)控機(jī)床的定位精度，而其制造水平則直接影響數(shù)控機(jī)床的發(fā)展水平。目前，精密滾珠絲杠副已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)母機(jī)、國(guó)防軍工、航空航天、軌道交通、醫(yī)療器械和新能源等多個(gè)重要領(lǐng)域。
作為高檔數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件之一，滾珠絲杠副承擔(dān)著設(shè)備動(dòng)力傳遞和精密傳動(dòng)的雙重任務(wù)。為了保證滾珠絲杠副具備精密、穩(wěn)定和可靠的基本條件，絲杠的加工精度及其穩(wěn)定性至關(guān)重要，因?yàn)樗苯佑绊懙綌?shù)控機(jī)床的加工精度。同時(shí)，為了滿足高速、連續(xù)的交變載荷要求，對(duì)滾珠絲杠的強(qiáng)韌性、表面硬度和耐磨性等性能提出更高要求。
絲杠綜合力學(xué)性能的提升，關(guān)鍵在于提高其表面硬度和耐磨性的同時(shí)保持心部組織不變，仍具有良好的塑性和韌性。為了達(dá)到這種工藝水平，國(guó)內(nèi)外主要通過感應(yīng)淬火技術(shù)對(duì)絲杠進(jìn)行表面熱處理。表面感應(yīng)淬火技術(shù)是利用電磁感應(yīng)原理，通過交變電流產(chǎn)生的禍流將工件迅速加熱至淬火溫度，而后急劇冷卻形成一定厚度的淬硬層，達(dá)到改善絲杠綜合力學(xué)性能的目的。該技術(shù)主要應(yīng)用于金屬加工業(yè)，根據(jù)不同的應(yīng)用形式可分為透熱、熱處理、熔煉、焊接、涂覆和材料固化等。感應(yīng)淬火技術(shù)具有高效、節(jié)能、綠色、啟動(dòng)快等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已發(fā)展成為改善工件表面質(zhì)量的重要熱處理工藝之一。然而，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)精密滾珠絲杠采用的感應(yīng)淬火技術(shù)并不完善，普遍存在淬硬層硬度分布不均、硬度梯度分布不合理、變形較大、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性較差等問題，這也是制約絲杠副定位精度和可靠性指標(biāo)提升的重要因素。
縱觀國(guó)內(nèi)高端機(jī)床行業(yè)，目前近80%的滾珠絲杠依賴進(jìn)口，由于國(guó)際形式日趨緊張，絲杠副時(shí)刻面臨斷供的風(fēng)險(xiǎn)。目前，國(guó)產(chǎn)絲杠的定位精度和可靠性指標(biāo)與歐洲、日本先進(jìn)制造廠家相比仍有一定的差距，尚未滿足高端數(shù)控機(jī)床的技術(shù)要求。在滾珠絲杠副制造領(lǐng)域，國(guó)際知名品牌有瑞典SKF，日本NSK、THK、BLIS，德國(guó)REXROTH、INA 等，國(guó)內(nèi)主要廠家有臺(tái)灣上銀、南京工藝、漢江機(jī)床、山東博特等。當(dāng)前國(guó)際頭部企業(yè)約占全球46%的市場(chǎng)份額，尤其是在高精度、高可靠性滾珠絲杠副產(chǎn)品方面，日企和德企占據(jù)了市場(chǎng)主導(dǎo)地位。這些國(guó)際企業(yè)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了P0 級(jí)滾珠絲杠副的穩(wěn)定批量生產(chǎn)，產(chǎn)品精度保持性超過5000 h，可靠性MTBF超過15 000 h。相較之下，國(guó)內(nèi)企業(yè)目前還無法實(shí)現(xiàn)P0級(jí)滾珠絲杠副的穩(wěn)定批量生產(chǎn)，其精度保持性不足3000 h，可靠性MTBF不足10 000 h。國(guó)產(chǎn)滾珠絲杠精度較低、精度保持性較差，不能滿足高檔數(shù)控機(jī)床使用要求，因此，提升國(guó)產(chǎn)滾珠絲杠副的精度和可靠性，擺脫對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的依賴，顯得尤為重要。
為了解決這一問題，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者已經(jīng)展開了大量研究。其中，感應(yīng)熱處理技術(shù)被認(rèn)為是提升滾珠絲杠品質(zhì)的關(guān)鍵。感應(yīng)熱處理技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和實(shí)用性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的燃料加熱方式完全不同。相比傳統(tǒng)的加熱設(shè)備，感應(yīng)熱處理設(shè)備不需要空載運(yùn)行，可避免停機(jī)重啟后的預(yù)熱時(shí)間過長(zhǎng)，且維護(hù)成本較低、占地面積較小、工藝重復(fù)性好。感應(yīng)熱處理設(shè)備主要由感應(yīng)電源、感應(yīng)加熱系統(tǒng)、淬火冷卻系統(tǒng)、進(jìn)出料機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)等部分組成。
目前，感應(yīng)淬火機(jī)床根據(jù)不同使用需求，可分為通用淬火機(jī)床和專用淬火機(jī)床。通用淬火機(jī)床具有高度的靈活性，可以滿足不同零件的性能要求。例如，在規(guī)定的長(zhǎng)度范圍和直徑范圍內(nèi)，對(duì)于相似的軸類零件，通用淬火機(jī)床能夠自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行淬火處理。這種機(jī)床具有通用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高以及操作簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn);另一種則是專用淬火機(jī)床，專門針對(duì)一種特定零件進(jìn)行加工，通過自動(dòng)化工序?qū)崿F(xiàn)上下料、加熱、淬火、回火、校直和檢查等，根據(jù)設(shè)定程序?qū)崟r(shí)檢測(cè)設(shè)備故障情況，并可自行修正，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
本文主要分5部分對(duì)目前國(guó)內(nèi)外滾珠絲杠感應(yīng)淬火技術(shù)在仿真與工藝優(yōu)化的研究做了簡(jiǎn)要總結(jié)與分析，并對(duì)其在行業(yè)內(nèi)的發(fā)展進(jìn)行展望。
1、感應(yīng)淬火技術(shù)
概述
感應(yīng)淬火是一種常見的熱處理工藝，利用電磁感應(yīng)原理對(duì)工件表面進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，以提升硬度和強(qiáng)度，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力還可以改善材料的抗疲勞性能。該技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加熱，通過交變電流的導(dǎo)體會(huì)在其周圍產(chǎn)生一個(gè)周期性變化的磁場(chǎng)，將金屬工件放置于該磁場(chǎng)中，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，工件表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而將工件表面迅速加熱至淬火溫度，然后再將工件快速冷卻，以實(shí)現(xiàn)工件表面感應(yīng)淬火的目的，圖1為感應(yīng)加熱電路示意圖。
感應(yīng)熱處理技術(shù)的研究始于法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，并在19世紀(jì)下半葉得以實(shí)際應(yīng)用。隨著研究的深入，感應(yīng)加熱理論體系不斷完善，該技術(shù)也逐步應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。相較于傳統(tǒng)的淬火方式，感應(yīng)淬火具備以下優(yōu)勢(shì)：
1)加熱速度快。相較于傳統(tǒng)的輻射和對(duì)流加熱方式，工件因渦流內(nèi)部發(fā)熱，熱量損失小，具有更快的加熱速度。
2)啟動(dòng)速度快。傳統(tǒng)加熱方式具有較大的熱慣性，啟動(dòng)須經(jīng)過預(yù)加熱，而感應(yīng)加熱使材料內(nèi)部加熱，減少啟動(dòng)時(shí)間。
3)脫碳少、氧化皮損耗小。相較傳統(tǒng)熱處理工藝，更快的加熱速度可以更大程度減少材料損耗。
4)節(jié)能環(huán)保：傳統(tǒng)加熱爐為了避免停機(jī)再啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，需要不間斷地提供能量，而感應(yīng)加熱電源可根據(jù)實(shí)際使用需求即開即關(guān)，節(jié)省能源。
5)生產(chǎn)率高。由于加熱時(shí)間短，感應(yīng)加熱能夠增加產(chǎn)量并減少勞動(dòng)成本。
6)自動(dòng)化程度高。設(shè)備緊湊，占地面積小，生產(chǎn)過程清潔。
7)力學(xué)性能優(yōu)越。通過感應(yīng)淬火可以使工件表面具有高硬度，而內(nèi)部依舊保留較好的韌性，獲得更好的綜合力學(xué)性能。
8)工件變形小。感應(yīng)淬火過程中工件的尺寸畸變相對(duì)較小。
9)成本低。由于變形量較小，減少了后期加工的費(fèi)用。
然而，現(xiàn)階段感應(yīng)淬火技術(shù)發(fā)展并不完善，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1)感應(yīng)加熱溫度均勻性、加熱溫控精度較差。
2)設(shè)備與工藝匹配相對(duì)困難。
3)感應(yīng)電源的整體國(guó)產(chǎn)化仍相對(duì)困難，其中IGBT模塊嚴(yán)重依賴進(jìn)口。
4)國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)與國(guó)外差距較大，精密加工仍需采用進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)。
5)感應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)相對(duì)困難。
6)設(shè)備維修復(fù)雜。
感應(yīng)淬火技術(shù)作為一種多學(xué)科交叉融合的熱處理技術(shù)，涉及冶金工程、電氣工程、材料工程、電磁學(xué)等領(lǐng)域。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。對(duì)比傳統(tǒng)加熱方式，感應(yīng)淬火技術(shù)具有高效、綠色、環(huán)保等特點(diǎn)。滾珠絲杠的主要失效形式為接觸疲勞磨損，熱處理方式選擇不當(dāng)可能會(huì)出現(xiàn)滾珠絲杠表面奧氏體晶粒粗大，沿晶界出現(xiàn)裂紋等問題，導(dǎo)致絲杠產(chǎn)品報(bào)廢。目前，感應(yīng)淬火是效果最顯著的提升絲杠力學(xué)性能的熱處理方法。為了提升國(guó)內(nèi)滾珠絲杠產(chǎn)品制造核心技術(shù)水平，滿足市場(chǎng)需求并在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng) 中占據(jù)有利地位，需要優(yōu)化核心功能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決感應(yīng)淬火層深不足/不均、硬度均勻性差、絲杠變形較大等問題。
常見感應(yīng)熱處理技術(shù)
感應(yīng)淬火技術(shù)作為使用最廣泛的表面熱處理技術(shù)之一，特別適用于滾珠絲杠的熱處理。通過快速加熱和冷卻，可以形成細(xì)小均勻的馬氏體，有效提高絲杠表面的硬度和耐磨性。在感應(yīng)熱處理技術(shù)中，主要有4 種常見的淬火方式：掃描淬火、漸進(jìn)式淬火、一發(fā)法淬火和靜態(tài)淬火。
1)掃描淬火：通過電磁感應(yīng)線圈和工件的相對(duì)移動(dòng)進(jìn)行的淬火，也是目前使用比較廣泛的淬火方式之一。主要適用于圓柱體零件外表面及內(nèi)孔壁加工，也可適用于平面加工。在軸類零件淬火時(shí)最為常見。目前的感應(yīng)電源已具備在掃描過程中改變頻率和功率的能力。通常，在加工軸類零件時(shí)，感應(yīng)器線圈環(huán)繞著工件，電源接通后，工件開始旋轉(zhuǎn)，為保證熱量能夠傳遞到工件，線圈會(huì)在啟動(dòng)位置停留一段時(shí)間，該過程被稱為預(yù)加熱，工件與電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，稱之為掃描。
2)漸進(jìn)式淬火：通常采用螺旋狀電磁感應(yīng)線圈加工細(xì)長(zhǎng)類工件，漸進(jìn)式淬火方式能夠適應(yīng)更快的速度，往往可以超過1 m/s。工件在熱處理過程中會(huì)緩慢通過一系列線圈，類似于棒料或板材的鍛前加熱。
3)一發(fā)法淬火：工件與電磁感應(yīng)線圈不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，但是通過工件的旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域同時(shí)被加熱，而不是像掃描淬火只加熱一段。通常情況下，一發(fā)法更適用于相對(duì)較短的工件或者加熱面積較小的工件。
4)靜態(tài)淬火：原理類似于一發(fā)法淬火，但是為了加工不規(guī)則形狀的工件，不允許工件發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
感應(yīng)熱處理在實(shí)際頻率選用中可分為單頻感應(yīng)加熱和雙頻、多頻感應(yīng)加熱等不同方式。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于滾珠絲杠的感應(yīng)淬火工藝已開展了大量研究，但單頻感應(yīng)淬火效果有限，而雙頻、多頻感應(yīng)淬火已成為研究的熱點(diǎn)方向，雖然成本較高，但能夠有效改善絲杠表面硬化層分布，提高絲杠綜合力學(xué)性能。
感應(yīng)器作為整個(gè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)中的核心功能部件，是感應(yīng)熱處理設(shè)備的能量輸出部件，直接影響著絲杠表面感應(yīng)淬火的質(zhì)量，因此感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。根據(jù)目前的研究可將感應(yīng)器設(shè)計(jì)分為兩大類：一種是非仿形感應(yīng)器，另一種是仿形感應(yīng)器。一般針對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的工件(如滾珠絲杠)，會(huì)依照工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝要求定制相應(yīng)的感應(yīng)器。因此，感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)絲杠表面的淬火質(zhì)量有直接的影響，相較于非仿形感應(yīng)淬火，仿形感應(yīng)淬火能夠有效改善絲杠齒頂和齒底顯微組織差異大、齒頂出現(xiàn)過熱、絲杠彎曲變形大等問題。
2、感應(yīng)熱處理的仿真與工藝優(yōu)化
感應(yīng)加熱是金屬材料表面熱處理的主流技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。提高感應(yīng)加熱均勻性有助于后續(xù)的冷卻過程中在絲杠表面形成均勻分布的馬氏體組織，從而產(chǎn)生高耐磨、高硬度且組織性能均勻一致的硬化層，在滿足絲杠表面具有足夠硬度和耐磨性的同時(shí)，保證其心部具有足夠的韌性，提升綜合力學(xué)性能，滿足絲杠的實(shí)際使用需求。為了優(yōu)化滾珠絲杠的感應(yīng)熱處理工藝，可以采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法提前預(yù)測(cè)工件的溫度場(chǎng)分布情況。通過對(duì)感應(yīng)熱處理過程進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，可以優(yōu)化工藝參數(shù)，比如，改變感應(yīng)器設(shè)計(jì)、調(diào)整掃描速度、調(diào)節(jié)電源頻率等。借助這種方法可以有效減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)約成本，并且能夠在實(shí)際操作中有針對(duì)性地指導(dǎo)感應(yīng)熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化。因此，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法來優(yōu)化滾珠絲杠感應(yīng)熱處理工藝具有實(shí)際工程意義和研究?jī)r(jià)值。
感應(yīng)淬火模擬技術(shù)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制造行業(yè)，通過軟件模擬分析來解決傳統(tǒng)方式下難以完成或者試驗(yàn)成本過高的研究工作。相較于傳統(tǒng)試驗(yàn)方法，計(jì)算機(jī)仿真以其高度的靈活性和較短的研究周期脫穎而出。更重要的是仿真技術(shù)能夠深入探索試驗(yàn)手段難以直接觀測(cè)的工件內(nèi)部溫度、組織結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力的動(dòng)態(tài)演變。在構(gòu)建模型時(shí)，不僅需要確保其與實(shí)際情況的高度吻合，還需堅(jiān)持科學(xué)合理性原則，并針對(duì)具體的研究問題采取定制化的分析策略，從而確保仿真研究的有效性和準(zhǔn)確性。
從20世紀(jì)70 年代開始，國(guó)外學(xué)者就已采用數(shù)值仿真模擬方法對(duì)感應(yīng)加熱工藝展開相關(guān)研究。直到 80年代初，國(guó)內(nèi)也逐步開始了感應(yīng)加熱過程的數(shù)值模擬研究工作。隨著研究的不斷深入，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過對(duì)感應(yīng)熱處理設(shè)備的不斷研發(fā)改進(jìn)，提出了相應(yīng)的工藝優(yōu)化方案。隨著國(guó)外研究的廣泛開展，關(guān)于熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化的研究也越來越多。例如，2001 年，Li等使用DEFORM-HT軟件進(jìn)行了平面應(yīng)變鍛件的氣淬過程的模擬研究，并通過二次開發(fā)不斷優(yōu)化了該過程中的換熱系數(shù)，同時(shí)還研究了淬火過程中的變形等問題，重點(diǎn)對(duì)比分析了不同換熱系數(shù)對(duì)淬火時(shí)間的影響，優(yōu)化了一系列淬火工藝參數(shù)。德國(guó)學(xué)者 Majorek等對(duì)感應(yīng)淬火過程展開了一系列研究，探究影響淬火時(shí)間的問題。
一些研究人員通過有限差分法、邊界元方法、模糊邏輯方法、元胞自動(dòng)機(jī)方法和有限元法等數(shù)值模擬方法對(duì)鋼管或齒輪的感應(yīng)加熱過程進(jìn)行研究。根據(jù)仿真結(jié)果，提出了優(yōu)于單頻加熱的雙頻感應(yīng)加熱方法，以提高材料表面硬化層的均勻性。對(duì)于漸進(jìn)式感應(yīng)加熱，Pacheco 等對(duì)鋼料殘余應(yīng)力的迭代計(jì)算方法開展了相關(guān)研究。Wang等采用有限元法模擬了1080 鋼管的溫度、殘余應(yīng)力的分 布。Melander 等對(duì)漸進(jìn)式感應(yīng)加熱的理論模型進(jìn)行了研究。Kranjc 團(tuán)隊(duì)采用不同的加熱方案對(duì)圓柱型鋼工件進(jìn)行加熱，通過有限元法求解電磁和熱物理現(xiàn)象耦合的數(shù)值模型。
國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)也開展了大量研究，中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)北京機(jī)電研究所有限公司對(duì)不同規(guī)格、不同材質(zhì)的工件進(jìn)行了噴水淬火的模擬研究，在保證工件性能的同時(shí)，重點(diǎn)探究了噴水壓力、噴水量、噴水角度和工件移動(dòng)速度等參數(shù)對(duì)工件淬火質(zhì)量的影響。通過工藝參數(shù)的優(yōu)化，減少工件淬火后的變形，提高組織性能均一性。同時(shí)建立了感應(yīng)淬火試驗(yàn)平臺(tái)。
絲杠的感應(yīng)淬火模擬及工藝優(yōu)化
滾珠絲杠的感應(yīng)淬火工藝是復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合過程，不同的工藝參數(shù)，如感應(yīng)線圈的尺寸與形狀、交變電流的頻率、電壓、電流、感應(yīng)線圈的移動(dòng)速度以及滾珠絲杠與感應(yīng)線圈的相對(duì)位置等，都會(huì)直接或間接影響加熱結(jié)果。然而，在感應(yīng)加熱過程中確定合適的工藝參數(shù)往往非常困難，主要原因有以下幾點(diǎn)：
1)非線性熱傳導(dǎo)：金屬材料的熱傳導(dǎo)率通常與溫度呈非線性函數(shù)關(guān)系，而且在高溫下會(huì)發(fā)生相變。
2)材料性質(zhì)的變化：在感應(yīng)加熱過程中，材料的性質(zhì)(如電導(dǎo)率、熱傳導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等)會(huì)隨著溫度的升高而發(fā)生變化，對(duì)于溫度場(chǎng)的分布和材料的相 變有重要影響。
3)非均勻性：滾珠絲杠形狀和結(jié)構(gòu)如圖2 所示，相較于光桿、齒輪等工件更加復(fù)雜，導(dǎo)致了溫度的非均勻分布，不同部位的導(dǎo)熱性能也不同，因此需要考慮非均勻性對(duì)溫度場(chǎng)的影響。
4)相變：在感應(yīng)加熱過程中，材料會(huì)經(jīng)歷相變，也會(huì)引起溫度梯度和熱應(yīng)力的變化。在這種非線性非均勻復(fù)雜變化下，傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要昂貴的試驗(yàn)設(shè)備和大量材料，且很難獲得良好的組織形態(tài)。
由于設(shè)備條件限制、時(shí)間和成本等因素的制約，對(duì)滾珠絲杠等滾動(dòng)功能部件采用感應(yīng)加熱工藝的試驗(yàn)研究并不多見。目前，研究人員普遍利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行感應(yīng)加熱的磁、電、熱、相變與彈塑性應(yīng)力的耦合計(jì)算，進(jìn)而模擬分析整個(gè)感應(yīng)加熱過程。
山東大學(xué)李輝平教授團(tuán)隊(duì)利用ANSYS軟件對(duì)絲杠感應(yīng)線圈移動(dòng)的感應(yīng)加熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果與實(shí)際感應(yīng)加熱情況相吻合，絲杠滾道部位的溫度分布不均勻，滾道頂部與底部溫差較大。同時(shí)建立了單線圈感應(yīng)淬火有限元模型，通過數(shù)值模擬獲得絲杠表面區(qū)域的溫度曲線，分析感應(yīng)器間隙對(duì)溫度分布均勻性的影響，研究表明凹槽溫度的不均勻會(huì)導(dǎo)致奧氏體化和硬度的不均勻，高溫會(huì)導(dǎo)致凹槽出現(xiàn)裂紋和過熱缺陷，多個(gè)具有一定間隙的感應(yīng)線圈有助于提高溫度和硬度均勻性，圖3 為絲杠單線圈感應(yīng)淬火有限元模型。
另外，該團(tuán)隊(duì)還利用ANSYS軟件構(gòu)建了滾珠絲杠漸進(jìn)式感應(yīng)淬火的有限元模型，計(jì)算滾珠絲杠仿形感應(yīng)淬火過程中的溫度場(chǎng)和組織場(chǎng)，并對(duì)比了工藝參數(shù)對(duì)漸進(jìn)式非仿形感應(yīng)淬火和漸進(jìn)式仿形感應(yīng)淬火零件的溫度場(chǎng)、奧氏體化深度及硬度等方面的影響，結(jié)果表明相較于非仿形感應(yīng)淬火工藝，仿形感應(yīng)淬火達(dá)到相同奧氏體化深度熱量傳遞更少，能量損失少。圖4 為滾珠絲杠非仿形/仿形感應(yīng)淬火有限元模型示意圖。
相關(guān)研究表明，為了能夠?qū)崿F(xiàn)絲杠表面加熱均勻，淬火后淬硬層均勻分布，需基于感應(yīng)原理、材料特性、滾珠絲杠結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，構(gòu)建仿形和非仿形感應(yīng)器的有限元模型進(jìn)行研究。模型需考慮感應(yīng)器的形狀和匝數(shù)、匝間距、銅管分布情況，以及感應(yīng)器的功率、電流、電壓、頻率、運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)的組合匹配關(guān)系。通過多物理場(chǎng)耦合求解、多尺度模擬仿真計(jì)算，分析感應(yīng)器形狀和工藝參數(shù)對(duì)絲杠感應(yīng)加熱過程中溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)和均勻性等方面的影響規(guī)律，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證分析感應(yīng)加熱后的組織和性能，以確定感應(yīng)器參數(shù)和工藝參數(shù)的最佳匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)絲杠表面加熱功率密度的精確控制。但是，僅靠計(jì)算機(jī)模擬是不夠的，需要結(jié)合工藝試驗(yàn)才能確保其在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的可靠性與穩(wěn)定性。因此，針對(duì)滾珠絲杠等滾動(dòng)功能部件采用感應(yīng)加熱工藝的試驗(yàn)研究仍是提高其產(chǎn)品技術(shù)水平的關(guān)鍵所在。一些研究人員使用了涂層磁化器，通過在絲杠根部涂覆填充導(dǎo)磁體改變感應(yīng)電流分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)溝槽底面和兩側(cè)曲面的感應(yīng)加熱，圖5 為絲杠表面磁力線分布圖。
3、感應(yīng)熱處理設(shè)備
目前國(guó)產(chǎn)滾珠絲杠感應(yīng)淬火機(jī)床在感應(yīng)電源、數(shù)控系統(tǒng)等核心技術(shù)領(lǐng)域無法突破。國(guó)內(nèi)在絲杠感應(yīng)淬火的應(yīng)用上已經(jīng)有一定的案例和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但是受到機(jī)床精度、設(shè)計(jì)方案、電氣控制、電源輸出精度(尤其是在大功率以及頻率匹配方面)的限制，絲杠感應(yīng)淬火的結(jié)果不太理想，主要表現(xiàn)在硬度均勻性、層深均勻性、變形和顯微組織等方面，仍然和國(guó)外設(shè)備存在一定的差距。
隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)的快速發(fā)展，高端數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)器人等機(jī)械設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對(duì)滾珠絲杠的需求越來越大，性能要求越來越高;同時(shí)，面臨越來越高強(qiáng)度的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)內(nèi)絲杠生產(chǎn)企業(yè)的成本壓力也越來越大。而且，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于我國(guó)的高端裝備技術(shù)逐步實(shí)施封鎖，國(guó)內(nèi)高端絲杠已成為行業(yè)短板。絲杠生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序設(shè)備長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，對(duì)企業(yè)造成巨大的成本壓力;而國(guó)內(nèi)設(shè)備供應(yīng)商在關(guān)鍵技術(shù)和性能上并不能滿足生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)要求。隨著歐美進(jìn)口設(shè)備的老化和更新?lián)Q代，以及產(chǎn)線擴(kuò)建的需求，工序設(shè)備國(guó)產(chǎn)化是必然趨勢(shì)，這個(gè)需求的必要條件就是國(guó)產(chǎn)設(shè)備在性能和成本上，針對(duì)歐美進(jìn)口設(shè)備形成比較優(yōu)勢(shì)。
感應(yīng)淬火機(jī)床主要組成
滾珠絲杠感應(yīng)淬火機(jī)床屬于特種機(jī)床，主要由熱處理、機(jī)械、自動(dòng)控制、電力電子、液壓、磁性材料等多學(xué)科技術(shù)組成，機(jī)床由感應(yīng)加熱電源、負(fù)載系統(tǒng)(變壓器、電容、電纜)、感應(yīng)器、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(伺服電機(jī)、氣缸、絲杠及加工件)、冷卻系統(tǒng)(冷卻噴圈)、機(jī)床數(shù)控操作系統(tǒng)及工藝參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件/系統(tǒng)組成。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)能夠自主研發(fā)和制造大部分核心功能部件，但感應(yīng)加熱電源中的IGBT 模塊及機(jī)床數(shù)控操作系統(tǒng)仍然依賴于進(jìn)口。
絲杠感應(yīng)淬火設(shè)備核心功能部件
1. 淬火感應(yīng)器
感應(yīng)器作為整個(gè)感應(yīng)淬火系統(tǒng)中的核心功能部件，直接影響著絲杠表面的感應(yīng)加熱效果，因此感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，圖6為絲杠感應(yīng)器實(shí)物圖。
針對(duì)絲杠加熱位置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、形狀尺寸及運(yùn)動(dòng)方式，通過仿形設(shè)計(jì)、感應(yīng)器布置，實(shí)現(xiàn)加熱深度與均勻性要求。感應(yīng)器內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是決定加熱速度的基本因素，為了保證較快的加熱速度，設(shè)計(jì)感應(yīng)器內(nèi)應(yīng)提供最大的電流，并考慮到裝卸特點(diǎn)和工件于感應(yīng)圈之間允許的最緊密配合。感應(yīng)器中各不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度并不相同，對(duì)于同一種工件和感應(yīng)器，其相對(duì)位置直接影響到工件安裝方式、加熱速度及加熱效率，一般情況下加熱器銅管附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，絲杠加熱淬火重復(fù)性是否良好，主要與感應(yīng)器的有效體與定位腳之間的間隙有關(guān)，如果間隙過大，設(shè)備效率低，有效功率無法達(dá)到正常的加熱效果;如果間隙太小，設(shè)備的效率高，有效功率高，但容易引起感應(yīng)器與絲杠表面打火而燒傷工件。由于感應(yīng)器的電流密度高，且電流限制在其極薄的截面中，通常通過管道供循環(huán)水來實(shí)現(xiàn)冷卻。冷卻水的流量是由冷卻水道的截面面積和輸入功率來 確定的。在實(shí)際感應(yīng)器設(shè)計(jì)制造過程中，需要注意以下幾點(diǎn)：
1)感應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。感應(yīng)器設(shè)計(jì)過程中要保證結(jié)構(gòu)與絕緣材料布置安全合理，防止感應(yīng)器在高溫、高壓、潮濕、積塵多的情況下發(fā)生打火，避免安全隱患。
2)感應(yīng)器冷卻設(shè)計(jì)。在淬火感應(yīng)器尾部增加冷卻噴頭，在感應(yīng)器自身冷卻液內(nèi)循環(huán)冷卻有效的情況下更有效地降低線圈溫度并沖洗感應(yīng)線圈上的吸附物。
3)感應(yīng)器生產(chǎn)制造。感應(yīng)器制作要求精細(xì),感應(yīng)圈圓度應(yīng)采用專用環(huán)規(guī)檢測(cè),保證感應(yīng)器與絲杠間隙均勻;采用各種不同直徑的圓柱形拋光布輪對(duì)感應(yīng)器內(nèi)孔進(jìn)行拋光,以去除各種毛刺殘留。
4)電氣參數(shù)設(shè)計(jì)。利用電磁感應(yīng)有限元分析軟件進(jìn)行,給定計(jì)算得出的電氣參數(shù)對(duì)感應(yīng)線圈模型進(jìn)行加熱模擬,分析絲杠不同位置的深度與均勻性。根據(jù)絲杠熱處理各位置有限元模擬的加熱效果,對(duì)比工件最終性能需求,進(jìn)行感應(yīng)器局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。反復(fù)優(yōu)化以上過程,建模分析不同感應(yīng)器設(shè)計(jì)情況下的加熱效果,最終完成含絲杠感應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后,模擬感應(yīng)器空載使用過程中的發(fā)熱損耗,為完成結(jié)構(gòu)定形的感應(yīng)器配置相關(guān)循環(huán)冷卻系統(tǒng),完成感應(yīng)器的整體設(shè)計(jì)。
2. 噴淋裝置
針對(duì)滾珠絲杠感應(yīng)加熱位置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、形狀尺寸及運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)噴淋裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、位置布置、噴水孔大小和角度設(shè)計(jì)，以及淬火介質(zhì)各參數(shù)閉環(huán)控制等方面進(jìn)行優(yōu)化，滿足絲杠在淬火冷卻過程中的工藝要求，圖7為噴淋裝置實(shí)物圖。
通常，通過淬火介質(zhì)參數(shù)的模擬計(jì)算和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出符合滾珠絲杠感應(yīng)淬火要求的噴淋裝置和相應(yīng)的淬火介質(zhì)參數(shù)配置，以實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠的高性能淬火冷卻。淬火介質(zhì)參數(shù)的選擇需考慮壓力、流量、濃度及溫度等多個(gè)方面，優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)并在生產(chǎn)中控制其波動(dòng)范圍是實(shí)現(xiàn)絲杠高性能淬火冷卻的基礎(chǔ)。通過試驗(yàn)記錄工件溫度隨時(shí)間變化曲線，計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)，求得多個(gè)淬火介質(zhì)流速下工件不同位置表面的對(duì)流換熱系數(shù)。借助數(shù)值模擬軟件，利用換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果，模擬計(jì)算不同淬火介質(zhì)流速、不同位置點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化，從而進(jìn)一步優(yōu)化淬火介質(zhì)參數(shù)，以達(dá)到更好的淬火效果。
3. 感應(yīng)電源
感應(yīng)加熱電源是滾珠絲杠感應(yīng)淬火設(shè)備中的關(guān)鍵部件，也是我國(guó)自主研發(fā)設(shè)備急需攻克的技術(shù)難點(diǎn)。感應(yīng)加熱電源伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而快速發(fā)展。早在感應(yīng)加熱技術(shù)誕生初期，由于功率半導(dǎo)體器件發(fā)展很緩慢，進(jìn)而導(dǎo)致感應(yīng)電源也沒有實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。直到20世紀(jì)中葉，功率器件BJT 和晶閘管的問世，才帶動(dòng)了感應(yīng)加熱電源的快速發(fā)展。80 年代，隨著GTO、SIT、IGBT、MCT、MOSFET等一系列電子元件的研發(fā)，由于它們具有良好的操作性、更高的效率和更小的損耗，逐步成為感應(yīng)電源的主流器件，其中IGBT 和MOSFET的應(yīng)用最為廣泛。現(xiàn)階段，根據(jù)加熱頻率的不同，固態(tài)電源可以分為低頻(≤1 kHz)、中頻(1～10 kHz)、超音頻(10～100 kHz)和高頻(≥100 kHz) 4個(gè)頻段。通常功率和頻率直接決定著電子元件的選擇，在低頻率和大功率的工況下，一般采用晶閘管，功率不大但是頻率較高時(shí)，一般采用IGBT，而在最高頻率時(shí)，一般首選MOSFET。
由于IGBT元件對(duì)設(shè)計(jì)及工藝要求較高，工藝基礎(chǔ)薄弱且企業(yè)產(chǎn)業(yè)化起步相對(duì)較晚，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)人才相對(duì)匱乏，因此市場(chǎng)長(zhǎng)期被海外廠商壟斷。隨著技術(shù)和理論的不斷成熟，越來越多的學(xué)者參與到感應(yīng)電源的研究中并取得了不錯(cuò)的研究成果。隨著國(guó)際上對(duì)感應(yīng)電源研究的不斷推進(jìn)，我國(guó)也逐步開展相關(guān)的研究。但是由于國(guó)內(nèi)起步較晚，同國(guó)外存在一定的技術(shù)差距，盡管我國(guó)已有自主研發(fā)的感應(yīng)淬火機(jī)床，但是核心技術(shù)尚無法達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，尤其基于IGBT的感應(yīng)加熱電源嚴(yán)重依賴進(jìn)口，控制理論也缺乏先進(jìn)性，在電源容量、頻率、控制性等方面仍有待提高。
4. 感應(yīng)淬火機(jī)床控制系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng)具備強(qiáng)大的性能、豐富的功能來實(shí)現(xiàn)各類型高端數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制，是高端數(shù)控機(jī)床的“大腦”，也是最具核心價(jià)值的關(guān)鍵部件，一直是重要戰(zhàn)略資源，被各發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)格管控，禁止對(duì)外銷售或完全開放功能。高檔數(shù)控系統(tǒng)通常由控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、電機(jī)單元和傳感單元構(gòu)成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制精度將直接影響高端數(shù)控機(jī)床的精度、動(dòng)態(tài)特性等重要參數(shù)。
目前，高端滾珠絲杠感應(yīng)淬火機(jī)床主要采用德國(guó)西門子和日本三菱公司的數(shù)控系統(tǒng)，其核心功能包括：
1)模擬顯示：實(shí)時(shí)模擬淬火過程，顯示工藝參數(shù)及故障診斷信息。
2)參數(shù)管理：預(yù)設(shè)和調(diào)整加熱、噴水等階段的工藝參數(shù)，以適應(yīng)不同產(chǎn)品需求。
3)自動(dòng)加工：除人工維護(hù)外，全程自動(dòng)控制淬火過程，包括工件定位、加熱和冷卻等。
4)手動(dòng)操作：提供手動(dòng)控制選項(xiàng)，便于機(jī)床調(diào)試、故障診斷和維修。
5)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)：記錄加工過程中的每個(gè)階段，確保在異常情況后，系統(tǒng)能從中斷點(diǎn)繼續(xù)加工。
6)自檢診斷：對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保機(jī)床穩(wěn)定運(yùn)行。
設(shè)備現(xiàn)存問題
精密滾珠絲桿的感應(yīng)淬火機(jī)床，基本被歐洲和日本品牌壟斷，國(guó)產(chǎn)機(jī)床很難有機(jī)會(huì)進(jìn)入高端絲桿市場(chǎng)，阻礙了設(shè)備迭代提升。同時(shí)國(guó)產(chǎn)機(jī)床在逆變電源穩(wěn)定性、數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床重復(fù)定位精度等方面具有一定提升空間，現(xiàn)主要存在如下問題：
1)高頻感應(yīng)加熱電源的輸出功率較小、輸出頻率低，且運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性較差，電磁兼容性差。
2)機(jī)床加工工件時(shí)重復(fù)定位精度較低，影響工件的淬火熱處理質(zhì)量。
3)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)普遍依賴進(jìn)口的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行 NC控制，時(shí)刻面臨斷供風(fēng)險(xiǎn)。
4)機(jī)床重復(fù)定位精度較低(≥0. 1 mm)，影響工件的淬火熱處理質(zhì)量。
5)國(guó)產(chǎn)感應(yīng)電源、數(shù)控系統(tǒng)相對(duì)落后。
6)國(guó)內(nèi)采用數(shù)值模擬手段對(duì)淬火過程和淬火效果進(jìn)行仿真分析研究較少。
7)國(guó)內(nèi)絲杠采用的感應(yīng)加熱淬火機(jī)床生產(chǎn)的產(chǎn)品存在淬硬層深度較不均、硬度梯度分布較不合理、變形較大等問題。
4、發(fā)展趨勢(shì)與展望
感應(yīng)淬火機(jī)床在高端滾動(dòng)部件的生產(chǎn)制造流程中至關(guān)重要，其加工精度、精度穩(wěn)定性等性能對(duì)絲杠等滾動(dòng)功能部件的加工質(zhì)量和精度起到關(guān)鍵作用。在產(chǎn)業(yè)鏈安全形勢(shì)日趨惡劣的國(guó)際環(huán)境下，為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)高端滾動(dòng)功能部件自主可控，滿足企業(yè)提升產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力的需求，研制國(guó)產(chǎn)感應(yīng)淬火機(jī)床迫在眉睫。
絲杠感應(yīng)淬火機(jī)床正逐步滿足高效、自動(dòng)化、重現(xiàn)性好的要求，正在向成套、緊湊、在線、數(shù)控、柔性、自動(dòng)等方面發(fā)展。目前，以德國(guó)EFD感應(yīng)淬火機(jī)床為代表的進(jìn)口滾珠絲杠熱處理設(shè)備采用仿形感應(yīng)淬火技術(shù)在變形量控制、淬硬層深度、淬硬層均勻性、硬化層表面脫碳層控制及表面殘余應(yīng)力控制等方面均處于較高水準(zhǔn)。日本的高端絲桿感應(yīng)淬火機(jī)床，其核心逆變電源已開始研發(fā)出高性能的碳化硅逆變模塊的淬回火電源，碳化硅電源的使用已成為主流趨勢(shì)，當(dāng)下淬火機(jī)床 也在朝著生產(chǎn)大規(guī)格產(chǎn)品的方向發(fā)展。絲杠感應(yīng)淬火機(jī)床在當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的背景下，具有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：
1)自動(dòng)化和智能化：隨著人工智能和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，感應(yīng)淬火機(jī)床也趨向于實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)化和智能化。通過引入先進(jìn)的控制系統(tǒng)和傳感器，可以實(shí)現(xiàn)加熱溫度和冷卻過程的自動(dòng)調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
2)高效率和節(jié)能：感應(yīng)淬火機(jī)床在加熱過程中可以實(shí)現(xiàn)快速加熱和高溫均勻性，因此具有高效率的優(yōu)勢(shì)。未來的發(fā)展趨勢(shì)將更加注重節(jié)能和環(huán)保，采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和設(shè)備，減少能源消耗和排放。
3)多功能和高靈活性：感應(yīng)淬火機(jī)床在處理不同材料和工件時(shí)具有較高的靈活性。未來的發(fā)展趨勢(shì)將更加注重多功能的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，可以適應(yīng)更廣泛的工件加熱和淬火需求，提供更多樣化的加工能力。
4)精密化和精準(zhǔn)度提升：感應(yīng)淬火機(jī)床在加熱和冷卻過程中可以實(shí)現(xiàn)精確的控制，因此具有較高的加工精度。未來的發(fā)展趨勢(shì)將更加注重精密化和精準(zhǔn)度的提升，通過優(yōu)化加熱和冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更高的加工精度和穩(wěn)定性。
5、結(jié)語
滾珠絲杠感應(yīng)淬火在目前的技術(shù)水平上仍有巨大的創(chuàng)新空間可供挖掘，目前研究人員普遍采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)淬火工藝展開研究。未來，智能化、自動(dòng)化、一體化的感應(yīng)均勻加熱系統(tǒng)必然成為研發(fā)的重點(diǎn)方向。精密滾珠絲杠副作為我國(guó)亟需突破的核心功能部件，提升國(guó)產(chǎn)絲杠的綜合性能，推動(dòng)國(guó)內(nèi)絲杠產(chǎn)品制造核心技術(shù)發(fā)展，滿足市場(chǎng)需求并在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得有利地位將成為行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。此外，在滾珠絲杠感應(yīng)淬火技術(shù)的發(fā)展過程中，還需要加強(qiáng)與其他領(lǐng)域的跨界合作，如材料科學(xué)、電子技術(shù)、控制系統(tǒng)等，以推動(dòng)技術(shù)的跨界融合和交叉創(chuàng)新。同時(shí)，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)制定和質(zhì)量控制，建立健全的質(zhì)量管理體系，提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，為行業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
作者簡(jiǎn)介：李明哲(1998—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧蠠崽幚頂?shù)值模擬，E-mail：li_mingzhe@ outlook. com。通信作者：劉俊杰，高級(jí)工程師，E-mail：iilulu4ever@ yeah. com
參考文獻(xiàn)略.