精密滾珠絲杠副是一種用于精密機械定位與傳動的關(guān)鍵滾動功能部件，其同時兼具高效節(jié)能、精密定位和精密導向等優(yōu)點，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)控機床的定位精度，而其制造水平則直接影響數(shù)控機床的發(fā)展水平。目前，精密滾珠絲杠副已被廣泛應用于工業(yè)母機、國防軍工、航空航天、軌道交通、醫(yī)療器械和新能源等多個重要領(lǐng)域。
作為高檔數(shù)控機床的關(guān)鍵功能部件之一，滾珠絲杠副承擔著設備動力傳遞和精密傳動的雙重任務。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，因為它直接影響到數(shù)控機床的加工精度。同時，為了滿足高速、連續(xù)的交變載荷要求，對滾珠絲杠的強韌性、表面硬度和耐磨性等性能提出更高要求。
絲杠綜合力學性能的提升，關(guān)鍵在于提高其表面硬度和耐磨性的同時保持心部組織不變，仍具有良好的塑性和韌性。為了達到這種工藝水平，國內(nèi)外主要通過感應淬火技術(shù)對絲杠進行表面熱處理。表面感應淬火技術(shù)是利用電磁感應原理，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，達到改善絲杠綜合力學性能的目的。該技術(shù)主要應用于金屬加工業(yè)，根據(jù)不同的應用形式可分為透熱、熱處理、熔煉、焊接、涂覆和材料固化等。感應淬火技術(shù)具有高效、節(jié)能、綠色、啟動快等技術(shù)優(yōu)勢，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)階段國內(nèi)精密滾珠絲杠采用的感應淬火技術(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、設備運行穩(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提升的重要因素。
縱觀國內(nèi)高端機床行業(yè)，目前近80%的滾珠絲杠依賴進口，由于國際形式日趨緊張，絲杠副時刻面臨斷供的風險。目前，國產(chǎn)絲杠的定位精度和可靠性指標與歐洲、日本先進制造廠家相比仍有一定的差距，尚未滿足高端數(shù)控機床的技術(shù)要求。在滾珠絲杠副制造領(lǐng)域，國際知名品牌有瑞典SKF，日本NSK、THK、BLIS，德國REXROTH、INA 等，國內(nèi)主要廠家有臺灣上銀、南京工藝、漢江機床、山東博特等。當前國際頭部企業(yè)約占全球46%的市場份額，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)了市場主導地位。這些國際企業(yè)已經(jīng)成功實現(xiàn)了P0 級滾珠絲杠副的穩(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，國內(nèi)企業(yè)目前還無法實現(xiàn)P0級滾珠絲杠副的穩(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)控機床使用要求，因此，提升國產(chǎn)滾珠絲杠副的精度和可靠性，擺脫對進口產(chǎn)品的依賴，顯得尤為重要。
為了解決這一問題，國內(nèi)外諸多學者已經(jīng)展開了大量研究。其中，感應熱處理技術(shù)被認為是提升滾珠絲杠品質(zhì)的關(guān)鍵。感應熱處理技術(shù)具有經(jīng)濟性、環(huán)保性和實用性等獨特優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的燃料加熱方式完全不同。相比傳統(tǒng)的加熱設備，感應熱處理設備不需要空載運行，可避免停機重啟后的預熱時間過長，且維護成本較低、占地面積較小、工藝重復性好。感應熱處理設備主要由感應電源、感應加熱系統(tǒng)、淬火冷卻系統(tǒng)、進出料機構(gòu)及控制系統(tǒng)等部分組成。
目前，感應淬火機床根據(jù)不同使用需求，可分為通用淬火機床和專用淬火機床。通用淬火機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)定的長度范圍和直徑范圍內(nèi)，對于相似的軸類零件，通用淬火機床能夠自動識別并進行淬火處理。這種機床具有通用性強、自動化程度高以及操作簡便等諸多優(yōu)點;另一種則是專用淬火機床，專門針對一種特定零件進行加工，通過自動化工序?qū)崿F(xiàn)上下料、加熱、淬火、回火、校直和檢查等，根據(jù)設定程序?qū)崟r檢測設備故障情況，并可自行修正，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
本文主要分5部分對目前國內(nèi)外滾珠絲杠感應淬火技術(shù)在仿真與工藝優(yōu)化的研究做了簡要總結(jié)與分析，并對其在行業(yè)內(nèi)的發(fā)展進行展望。
1、感應淬火技術(shù)
概述
感應淬火是一種常見的熱處理工藝，利用電磁感應原理對工件表面進行熱處理強化，以提升硬度和強度，產(chǎn)生的殘余壓應力還可以改善材料的抗疲勞性能。該技術(shù)利用電磁感應原理實現(xiàn)對工件的加熱，通過交變電流的導體會在其周圍產(chǎn)生一個周期性變化的磁場，將金屬工件放置于該磁場中，根據(jù)電磁感應定律，工件表面會產(chǎn)生感應電流，進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，以實現(xiàn)工件表面感應淬火的目的，圖1為感應加熱電路示意圖。
感應熱處理技術(shù)的研究始于法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律，并在19世紀下半葉得以實際應用。隨著研究的深入，感應加熱理論體系不斷完善，該技術(shù)也逐步應用于更多的領(lǐng)域。相較于傳統(tǒng)的淬火方式，感應淬火具備以下優(yōu)勢：
1)加熱速度快。相較于傳統(tǒng)的輻射和對流加熱方式，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)啟動速度快。傳統(tǒng)加熱方式具有較大的熱慣性，啟動須經(jīng)過預加熱，而感應加熱使材料內(nèi)部加熱，減少啟動時間。
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再啟動時間過長，需要不間斷地提供能量，而感應加熱電源可根據(jù)實際使用需求即開即關(guān)，節(jié)省能源。
5)生產(chǎn)率高。由于加熱時間短，感應加熱能夠增加產(chǎn)量并減少勞動成本。
6)自動化程度高。設備緊湊，占地面積小，生產(chǎn)過程清潔。
7)力學性能優(yōu)越。通過感應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性能。
8)工件變形小。感應淬火過程中工件的尺寸畸變相對較小。
9)成本低。由于變形量較小，減少了后期加工的費用。
然而，現(xiàn)階段感應淬火技術(shù)發(fā)展并不完善，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
1)感應加熱溫度均勻性、加熱溫控精度較差。
2)設備與工藝匹配相對困難。
3)感應電源的整體國產(chǎn)化仍相對困難，其中IGBT模塊嚴重依賴進口。
4)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)與國外差距較大，精密加工仍需采用進口數(shù)控系統(tǒng)。
5)感應器結(jié)構(gòu)復雜、設計相對困難。
6)設備維修復雜。
感應淬火技術(shù)作為一種多學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、電磁學等領(lǐng)域。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，已廣泛應用于多個領(lǐng)域。對比傳統(tǒng)加熱方式，感應淬火技術(shù)具有高效、綠色、環(huán)保等特點。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可能會出現(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，導致絲杠產(chǎn)品報廢。目前，感應淬火是效果最顯著的提升絲杠力學性能的熱處理方法。為了提升國內(nèi)滾珠絲杠產(chǎn)品制造核心技術(shù)水平，滿足市場需求并在國際市場競爭 中占據(jù)有利地位，需要優(yōu)化核心功能部件的結(jié)構(gòu)設計，解決感應淬火層深不足/不均、硬度均勻性差、絲杠變形較大等問題。
常見感應熱處理技術(shù)
感應淬火技術(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：通過電磁感應線圈和工件的相對移動進行的淬火，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。在軸類零件淬火時最為常見。目前的感應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，感應器線圈環(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，線圈會在啟動位置停留一段時間，該過程被稱為預加熱，工件與電磁感應線圈產(chǎn)生相對移動，稱之為掃描。
2)漸進式淬火：通常采用螺旋狀電磁感應線圈加工細長類工件，漸進式淬火方式能夠適應更快的速度，往往可以超過1 m/s。工件在熱處理過程中會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：工件與電磁感應線圈不發(fā)生相對移動，但是通過工件的旋轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)整個區(qū)域同時被加熱，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)。
感應熱處理在實際頻率選用中可分為單頻感應加熱和雙頻、多頻感應加熱等不同方式。目前，國內(nèi)外對于滾珠絲杠的感應淬火工藝已開展了大量研究，但單頻感應淬火效果有限，而雙頻、多頻感應淬火已成為研究的熱點方向，雖然成本較高，但能夠有效改善絲杠表面硬化層分布，提高絲杠綜合力學性能。
感應器作為整個感應加熱系統(tǒng)中的核心功能部件，是感應熱處理設備的能量輸出部件，直接影響著絲杠表面感應淬火的質(zhì)量，因此感應器的結(jié)構(gòu)設計至關(guān)重要。根據(jù)目前的研究可將感應器設計分為兩大類：一種是非仿形感應器，另一種是仿形感應器。一般針對結(jié)構(gòu)比較復雜的工件(如滾珠絲杠)，會依照工件的結(jié)構(gòu)特點和工藝要求定制相應的感應器。因此，感應器的結(jié)構(gòu)設計對絲杠表面的淬火質(zhì)量有直接的影響，相較于非仿形感應淬火，仿形感應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、感應熱處理的仿真與工藝優(yōu)化
感應加熱是金屬材料表面熱處理的主流技術(shù)，已廣泛應用于多個領(lǐng)域。提高感應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，保證其心部具有足夠的韌性，提升綜合力學性能，滿足絲杠的實際使用需求。為了優(yōu)化滾珠絲杠的感應熱處理工藝，可以采用計算機數(shù)值模擬方法提前預測工件的溫度場分布情況。通過對感應熱處理過程進行數(shù)值仿真模擬，可以優(yōu)化工藝參數(shù)，比如，改變感應器設計、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次數(shù)，節(jié)約成本，并且能夠在實際操作中有針對性地指導感應熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化。因此，采用先進的計算機數(shù)值模擬方法來優(yōu)化滾珠絲杠感應熱處理工藝具有實際工程意義和研究價值。
感應淬火模擬技術(shù)
隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬仿真技術(shù)被廣泛應用于制造行業(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成本過高的研究工作。相較于傳統(tǒng)試驗方法，計算機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)能夠深入探索試驗手段難以直接觀測的工件內(nèi)部溫度、組織結(jié)構(gòu)以及應力的動態(tài)演變。在構(gòu)建模型時，不僅需要確保其與實際情況的高度吻合，還需堅持科學合理性原則，并針對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確性。
從20世紀70 年代開始，國外學者就已采用數(shù)值仿真模擬方法對感應加熱工藝展開相關(guān)研究。直到 80年代初，國內(nèi)也逐步開始了感應加熱過程的數(shù)值模擬研究工作。隨著研究的不斷深入，國內(nèi)外眾多學者通過對感應熱處理設備的不斷研發(fā)改進，提出了相應的工藝優(yōu)化方案。隨著國外研究的廣泛開展，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軟件進行了平面應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)，同時還研究了淬火過程中的變形等問題，重點對比分析了不同換熱系數(shù)對淬火時間的影響，優(yōu)化了一系列淬火工藝參數(shù)。德國學者 Majorek等對感應淬火過程展開了一系列研究，探究影響淬火時間的問題。
一些研究人員通過有限差分法、邊界元方法、模糊邏輯方法、元胞自動機方法和有限元法等數(shù)值模擬方法對鋼管或齒輪的感應加熱過程進行研究。根據(jù)仿真結(jié)果，提出了優(yōu)于單頻加熱的雙頻感應加熱方法，以提高材料表面硬化層的均勻性。對于漸進式感應加熱，Pacheco 等對鋼料殘余應力的迭代計算方法開展了相關(guān)研究。Wang等采用有限元法模擬了1080 鋼管的溫度、殘余應力的分 布。Melander 等對漸進式感應加熱的理論模型進行了研究。Kranjc 團隊采用不同的加熱方案對圓柱型鋼工件進行加熱，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。
國內(nèi)團隊也開展了大量研究，中國機械總院集團北京機電研究所有限公司對不同規(guī)格、不同材質(zhì)的工件進行了噴水淬火的模擬研究，在保證工件性能的同時，重點探究了噴水壓力、噴水量、噴水角度和工件移動速度等參數(shù)對工件淬火質(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。同時建立了感應淬火試驗平臺。
絲杠的感應淬火模擬及工藝優(yōu)化
滾珠絲杠的感應淬火工藝是復雜的多物理場耦合過程，不同的工藝參數(shù)，如感應線圈的尺寸與形狀、交變電流的頻率、電壓、電流、感應線圈的移動速度以及滾珠絲杠與感應線圈的相對位置等，都會直接或間接影響加熱結(jié)果。然而，在感應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：
1)非線性熱傳導：金屬材料的熱傳導率通常與溫度呈非線性函數(shù)關(guān)系，而且在高溫下會發(fā)生相變。
2)材料性質(zhì)的變化：在感應加熱過程中，材料的性質(zhì)(如電導率、熱傳導率、熱膨脹系數(shù)等)會隨著溫度的升高而發(fā)生變化，對于溫度場的分布和材料的相 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、齒輪等工件更加復雜，導致了溫度的非均勻分布，不同部位的導熱性能也不同，因此需要考慮非均勻性對溫度場的影響。
4)相變：在感應加熱過程中，材料會經(jīng)歷相變，也會引起溫度梯度和熱應力的變化。在這種非線性非均勻復雜變化下，傳統(tǒng)的試驗方法費時費力，需要昂貴的試驗設備和大量材料，且很難獲得良好的組織形態(tài)。
由于設備條件限制、時間和成本等因素的制約，對滾珠絲杠等滾動功能部件采用感應加熱工藝的試驗研究并不多見。目前，研究人員普遍利用數(shù)值模擬方法進行感應加熱的磁、電、熱、相變與彈塑性應力的耦合計算，進而模擬分析整個感應加熱過程。
山東大學李輝平教授團隊利用ANSYS軟件對絲杠感應線圈移動的感應加熱過程進行了數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果與實際感應加熱情況相吻合，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。同時建立了單線圈感應淬火有限元模型，通過數(shù)值模擬獲得絲杠表面區(qū)域的溫度曲線，分析感應器間隙對溫度分布均勻性的影響，研究表明凹槽溫度的不均勻會導致奧氏體化和硬度的不均勻，高溫會導致凹槽出現(xiàn)裂紋和過熱缺陷，多個具有一定間隙的感應線圈有助于提高溫度和硬度均勻性，圖3 為絲杠單線圈感應淬火有限元模型。
另外，該團隊還利用ANSYS軟件構(gòu)建了滾珠絲杠漸進式感應淬火的有限元模型，計算滾珠絲杠仿形感應淬火過程中的溫度場和組織場，并對比了工藝參數(shù)對漸進式非仿形感應淬火和漸進式仿形感應淬火零件的溫度場、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淬火工藝，仿形感應淬火達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，需基于感應原理、材料特性、滾珠絲杠結(jié)構(gòu)特點等，構(gòu)建仿形和非仿形感應器的有限元模型進行研究。模型需考慮感應器的形狀和匝數(shù)、匝間距、銅管分布情況，以及感應器的功率、電流、電壓、頻率、運動速度等參數(shù)的組合匹配關(guān)系。通過多物理場耦合求解、多尺度模擬仿真計算，分析感應器形狀和工藝參數(shù)對絲杠感應加熱過程中溫度場、電磁場和均勻性等方面的影響規(guī)律，并結(jié)合試驗驗證分析感應加熱后的組織和性能，以確定感應器參數(shù)和工藝參數(shù)的最佳匹配，實現(xiàn)對絲杠表面加熱功率密度的精確控制。但是，僅靠計算機模擬是不夠的，需要結(jié)合工藝試驗才能確保其在實際生產(chǎn)應用中的可靠性與穩(wěn)定性。因此，針對滾珠絲杠等滾動功能部件采用感應加熱工藝的試驗研究仍是提高其產(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磁體改變感應電流分布，實現(xiàn)對溝槽底面和兩側(cè)曲面的感應加熱，圖5 為絲杠表面磁力線分布圖。
3、感應熱處理設備
目前國產(chǎn)滾珠絲杠感應淬火機床在感應電源、數(shù)控系統(tǒng)等核心技術(shù)領(lǐng)域無法突破。國內(nèi)在絲杠感應淬火的應用上已經(jīng)有一定的案例和相關(guān)經(jīng)驗，但是受到機床精度、設計方案、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，仍然和國外設備存在一定的差距。
隨著國內(nèi)制造業(yè)的快速發(fā)展，高端數(shù)控機床、自動化設備、機器人等機械設備的廣泛應用，對滾珠絲杠的需求越來越大，性能要求越來越高;同時，面臨越來越高強度的市場競爭，國內(nèi)絲杠生產(chǎn)企業(yè)的成本壓力也越來越大。而且，發(fā)達國家對于我國的高端裝備技術(shù)逐步實施封鎖，國內(nèi)高端絲杠已成為行業(yè)短板。絲杠生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序設備長期依賴進口，對企業(yè)造成巨大的成本壓力;而國內(nèi)設備供應商在關(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。隨著歐美進口設備的老化和更新?lián)Q代，以及產(chǎn)線擴建的需求，工序設備國產(chǎn)化是必然趨勢，這個需求的必要條件就是國產(chǎn)設備在性能和成本上，針對歐美進口設備形成比較優(yōu)勢。
感應淬火機床主要組成
滾珠絲杠感應淬火機床屬于特種機床，主要由熱處理、機械、自動控制、電力電子、液壓、磁性材料等多學科技術(shù)組成，機床由感應加熱電源、負載系統(tǒng)(變壓器、電容、電纜)、感應器、運動機構(gòu)(伺服電機、氣缸、絲杠及加工件)、冷卻系統(tǒng)(冷卻噴圈)、機床數(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，但感應加熱電源中的IGBT 模塊及機床數(shù)控操作系統(tǒng)仍然依賴于進口。
絲杠感應淬火設備核心功能部件
1. 淬火感應器
感應器作為整個感應淬火系統(tǒng)中的核心功能部件，直接影響著絲杠表面的感應加熱效果，因此感應器的結(jié)構(gòu)設計至關(guān)重要，圖6為絲杠感應器實物圖。
針對絲杠加熱位置的結(jié)構(gòu)特點、形狀尺寸及運動方式，通過仿形設計、感應器布置，實現(xiàn)加熱深度與均勻性要求。感應器內(nèi)的磁場強度是決定加熱速度的基本因素，為了保證較快的加熱速度，設計感應器內(nèi)應提供最大的電流，并考慮到裝卸特點和工件于感應圈之間允許的最緊密配合。感應器中各不同位置的磁場強度并不相同，對于同一種工件和感應器，其相對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強度最大，絲杠加熱淬火重復性是否良好，主要與感應器的有效體與定位腳之間的間隙有關(guān)，如果間隙過大，設備效率低，有效功率無法達到正常的加熱效果;如果間隙太小，設備的效率高，有效功率高，但容易引起感應器與絲杠表面打火而燒傷工件。由于感應器的電流密度高，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。在實際感應器設計制造過程中，需要注意以下幾點：
1)感應器結(jié)構(gòu)設計。感應器設計過程中要保證結(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)感應器冷卻設計。在淬火感應器尾部增加冷卻噴頭，在感應器自身冷卻液內(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線圈上的吸附物。
3)感應器生產(chǎn)制造。感應器制作要求精細,感應圈圓度應采用專用環(huán)規(guī)檢測,保證感應器與絲杠間隙均勻;采用各種不同直徑的圓柱形拋光布輪對感應器內(nèi)孔進行拋光,以去除各種毛刺殘留。
4)電氣參數(shù)設計。利用電磁感應有限元分析軟件進行,給定計算得出的電氣參數(shù)對感應線圈模型進行加熱模擬,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,對比工件最終性能需求,進行感應器局部結(jié)構(gòu)設計。反復優(yōu)化以上過程,建模分析不同感應器設計情況下的加熱效果,最終完成含絲杠感應器結(jié)構(gòu)設計。最后,模擬感應器空載使用過程中的發(fā)熱損耗,為完成結(jié)構(gòu)定形的感應器配置相關(guān)循環(huán)冷卻系統(tǒng),完成感應器的整體設計。
2. 噴淋裝置
針對滾珠絲杠感應加熱位置的結(jié)構(gòu)特點、形狀尺寸及運動方式，對噴淋裝置結(jié)構(gòu)設計、位置布置、噴水孔大小和角度設計，以及淬火介質(zhì)各參數(shù)閉環(huán)控制等方面進行優(yōu)化，滿足絲杠在淬火冷卻過程中的工藝要求，圖7為噴淋裝置實物圖。
通常，通過淬火介質(zhì)參數(shù)的模擬計算和優(yōu)化，設計出符合滾珠絲杠感應淬火要求的噴淋裝置和相應的淬火介質(zhì)參數(shù)配置，以實現(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、濃度及溫度等多個方面，優(yōu)化各項參數(shù)并在生產(chǎn)中控制其波動范圍是實現(xiàn)絲杠高性能淬火冷卻的基礎。通過試驗記錄工件溫度隨時間變化曲線，計算對流換熱系數(shù)，求得多個淬火介質(zhì)流速下工件不同位置表面的對流換熱系數(shù)。借助數(shù)值模擬軟件，利用換熱系數(shù)計算結(jié)果，模擬計算不同淬火介質(zhì)流速、不同位置點的溫度隨時間的變化，從而進一步優(yōu)化淬火介質(zhì)參數(shù)，以達到更好的淬火效果。
3. 感應電源
感應加熱電源是滾珠絲杠感應淬火設備中的關(guān)鍵部件，也是我國自主研發(fā)設備急需攻克的技術(shù)難點。感應加熱電源伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而快速發(fā)展。早在感應加熱技術(shù)誕生初期，由于功率半導體器件發(fā)展很緩慢，進而導致感應電源也沒有實質(zhì)性的發(fā)展。直到20世紀中葉，功率器件BJT 和晶閘管的問世，才帶動了感應加熱電源的快速發(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，逐步成為感應電源的主流器件，其中IGBT 和MOSFET的應用最為廣泛?，F(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，一般采用IGBT，而在最高頻率時，一般首選MOSFET。
由于IGBT元件對設計及工藝要求較高，工藝基礎薄弱且企業(yè)產(chǎn)業(yè)化起步相對較晚，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)人才相對匱乏，因此市場長期被海外廠商壟斷。隨著技術(shù)和理論的不斷成熟，越來越多的學者參與到感應電源的研究中并取得了不錯的研究成果。隨著國際上對感應電源研究的不斷推進，我國也逐步開展相關(guān)的研究。但是由于國內(nèi)起步較晚，同國外存在一定的技術(shù)差距，盡管我國已有自主研發(fā)的感應淬火機床，但是核心技術(shù)尚無法達到國際先進水平，尤其基于IGBT的感應加熱電源嚴重依賴進口，控制理論也缺乏先進性，在電源容量、頻率、控制性等方面仍有待提高。
4. 感應淬火機床控制系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng)具備強大的性能、豐富的功能來實現(xiàn)各類型高端數(shù)控機床的復雜運動控制，是高端數(shù)控機床的“大腦”，也是最具核心價值的關(guān)鍵部件，一直是重要戰(zhàn)略資源，被各發(fā)達國家嚴格管控，禁止對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)動單元、電機單元和傳感單元構(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)控機床的精度、動態(tài)特性等重要參數(shù)。
目前，高端滾珠絲杠感應淬火機床主要采用德國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：實時模擬淬火過程，顯示工藝參數(shù)及故障診斷信息。
2)參數(shù)管理：預設和調(diào)整加熱、噴水等階段的工藝參數(shù)，以適應不同產(chǎn)品需求。
3)自動加工：除人工維護外，全程自動控制淬火過程，包括工件定位、加熱和冷卻等。
4)手動操作：提供手動控制選項，便于機床調(diào)試、故障診斷和維修。
5)現(xiàn)場保護：記錄加工過程中的每個階段，確保在異常情況后，系統(tǒng)能從中斷點繼續(xù)加工。
6)自檢診斷：對各檢測點進行實時監(jiān)控，確保機床穩(wěn)定運行。
設備現(xiàn)存問題
精密滾珠絲桿的感應淬火機床，基本被歐洲和日本品牌壟斷，國產(chǎn)機床很難有機會進入高端絲桿市場，阻礙了設備迭代提升。同時國產(chǎn)機床在逆變電源穩(wěn)定性、數(shù)控系統(tǒng)、機床重復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)高頻感應加熱電源的輸出功率較小、輸出頻率低，且運行的可靠性與穩(wěn)定性較差，電磁兼容性差。
2)機床加工工件時重復定位精度較低，影響工件的淬火熱處理質(zhì)量。
3)機床數(shù)控系統(tǒng)普遍依賴進口的數(shù)控系統(tǒng)進行 NC控制，時刻面臨斷供風險。
4)機床重復定位精度較低(≥0. 1 mm)，影響工件的淬火熱處理質(zhì)量。
5)國產(chǎn)感應電源、數(shù)控系統(tǒng)相對落后。
6)國內(nèi)采用數(shù)值模擬手段對淬火過程和淬火效果進行仿真分析研究較少。
7)國內(nèi)絲杠采用的感應加熱淬火機床生產(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)展趨勢與展望
感應淬火機床在高端滾動部件的生產(chǎn)制造流程中至關(guān)重要，其加工精度、精度穩(wěn)定性等性能對絲杠等滾動功能部件的加工質(zhì)量和精度起到關(guān)鍵作用。在產(chǎn)業(yè)鏈安全形勢日趨惡劣的國際環(huán)境下，為了實現(xiàn)我國高端滾動功能部件自主可控，滿足企業(yè)提升產(chǎn)品核心競爭力的需求，研制國產(chǎn)感應淬火機床迫在眉睫。
絲杠感應淬火機床正逐步滿足高效、自動化、重現(xiàn)性好的要求，正在向成套、緊湊、在線、數(shù)控、柔性、自動等方面發(fā)展。目前，以德國EFD感應淬火機床為代表的進口滾珠絲杠熱處理設備采用仿形感應淬火技術(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力控制等方面均處于較高水準。日本的高端絲桿感應淬火機床，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，當下淬火機床 也在朝著生產(chǎn)大規(guī)格產(chǎn)品的方向發(fā)展。絲杠感應淬火機床在當前工業(yè)自動化發(fā)展的背景下，具有以下幾個發(fā)展趨勢：
1)自動化和智能化：隨著人工智能和自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，感應淬火機床也趨向于實現(xiàn)更高程度的自動化和智能化。通過引入先進的控制系統(tǒng)和傳感器，可以實現(xiàn)加熱溫度和冷卻過程的自動調(diào)節(jié)和監(jiān)測，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
2)高效率和節(jié)能：感應淬火機床在加熱過程中可以實現(xiàn)快速加熱和高溫均勻性，因此具有高效率的優(yōu)勢。未來的發(fā)展趨勢將更加注重節(jié)能和環(huán)保，采用先進的節(jié)能技術(shù)和設備，減少能源消耗和排放。
3)多功能和高靈活性：感應淬火機床在處理不同材料和工件時具有較高的靈活性。未來的發(fā)展趨勢將更加注重多功能的設計和應用，可以適應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)精密化和精準度提升：感應淬火機床在加熱和冷卻過程中可以實現(xiàn)精確的控制，因此具有較高的加工精度。未來的發(fā)展趨勢將更加注重精密化和精準度的提升，通過優(yōu)化加熱和冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)更高的加工精度和穩(wěn)定性。
5、結(jié)語
滾珠絲杠感應淬火在目前的技術(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)對淬火工藝展開研究。未來，智能化、自動化、一體化的感應均勻加熱系統(tǒng)必然成為研發(fā)的重點方向。精密滾珠絲杠副作為我國亟需突破的核心功能部件，提升國產(chǎn)絲杠的綜合性能，推動國內(nèi)絲杠產(chǎn)品制造核心技術(shù)發(fā)展，滿足市場需求并在國際市場競爭中取得有利地位將成為行業(yè)的發(fā)展目標。此外，在滾珠絲杠感應淬火技術(shù)的發(fā)展過程中，還需要加強與其他領(lǐng)域的跨界合作，如材料科學、電子技術(shù)、控制系統(tǒng)等，以推動技術(shù)的跨界融合和交叉創(chuàng)新。同時，加強標準制定和質(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)展打下堅實基礎。
作者簡介：李明哲(1998—)，男，碩士研究生，主要研究方向為金屬材料熱處理數(shù)值模擬，E-mail：li_mingzhe@ outlook. com。通信作者：劉俊杰，高級工程師，E-mail：iilulu4ever@ yeah. com
參考文獻略.