淬火感应器设计与制造的新发展

综　　述 淬火感应器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与制造的新发展 洛阳光华感应加热器厂 (洛阳 471003)　沈庆通 New D evelopm en t of D esign and M anufacture of Inductor Shen Q ingtong (L uoyang Guanghua Inducto r M anufacto ry,L uoyang 471003) 1　前言 淬火感应器的设计与制造质量直接影响淬火件的淬硬 区、淬硬深度与表面硬度。 近几年来淬火感应器设计与制造的发展很迅速, 台阶轴、 法兰圆角与杆部淬硬层的连续, 单齿沿齿沟淬火, 小孔淬火等 难题相继得到解决; 提高感应器效率的可加工导磁体, 缩短更 换感应器时间的感应器快换夹头和保护感应器有效圈工作面 的涂层亦相继开发并得到应用。 2　感应器设计 根据德国、美国、法国、日本和西班牙等国近几年来的技 术资料和我国一些企业的报道, 新开发的感应器结构有 10 余 种。其中的几种已为我国技术人员消化吸收, 并有所发展和成 功地应用于生产。现简要介绍如下。 (1) 带法兰轴 (如半轴)杆部与圆角均要求淬火时一般设 计成在斜棱形截面的有效圈上镶导磁体, 内侧突起部可为圆 弧或小的尖角 (见图 1)。 (2) 法兰面上要求淬硬区较宽时, 有效圈可设计成双截 面式, 即斜棱形截面一段加热圆角部, 方形截面一段加热法兰 平面, 两段有效圈串联 (见图 2)。 (3) 法兰圆角与杆部采用一次加热法时, 有效圈亦可采 用方形截面, 加导磁体一段的有效圈加热法兰及圆角, 不加导 磁体一段用以加热杆部近圆角处及圆角 (见图 3)。杆部用另 外两根带导磁体的轴向分枝加热。 (4) 当法兰外圆近杆部亦要求淬火时, 有效圈的一段可 图 1　带法兰轴感应器有效圈截面 图 2　两段不同截面有效圈串联 沈庆通: 教授级高工, 现任洛阳升华感应加热有限公司总 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师。长 期从事感应热处理工艺及工装设计, 曾出版著作及 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 并获奖。收稿 日期: 1997 年 11 月 17 日。 图 3　带法兰轴颈一次加热时, 圆角部分有效圈结构示意图 图 4　法兰与圆角杆部一次加热有效圈 11 棱形截面周向分枝　21 矩形截面周向分枝 31 矩形截面轴向分枝 以串到法兰外圆之外。此感应器有效圈由 3 部分组成 (见 图 4)。　　　　 (5) 当轴的两个台阶均要求有淬硬层时, 360°一匝的有 效圈达不到要求, 此时可采用串联两匝, 上层一匝加热圆角及 第一个台阶, 下层一匝加热第二个台阶, 仿形的轴向分枝, 加 热 3 个不同直径的杆部 (见图 5)。 (6) 用于加热小孔的感应器　由于采用高压水冷却有效 圈等技术改进, 小孔感应器已有多种结构用于生产。图 6 是一 种小孔感应器的典型结构, 表 1 列出了几种参考尺寸。 (7) 沿齿沟扫描淬火感应器　沿齿沟淬硬能提高轮齿弯 曲强度, 且可减少电源投资。因此, 沿齿沟连续加热淬火感应 器得到了发展。这种感应器可淬硬的齿轮模数m 为 6、8、10、 12、(14)、16、20、25mm 等, 已成系列[1 ] , 其有效部份结构如图 7 所示。 (8) 具有 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 感应器座, 配置不同有效圈的感应器　日 本电气兴业公司高频感应器的外形示于图 8。这种感应器具 有以下特点: ①感应器本体 (座)标准化, 具有快换夹紧功能, 可根据不 同设计要求, 配置不同尺寸、匝数的有效圈。②有效圈通过换 接板变更, 可以串联或并联。③喷液、冷却均采用快换管接头。 1《金属热处理》1998 年第 6 期 图 5　具有两个台阶及 3 个不同直径轴 一次淬火有效圈示意图 图 6　小孔加热感应器 表 1　几种小直径内孔感应器尺寸ömm 尺寸 D H B L 1 L 2 匝数<1315 11 24 <3 90 50 4<1912 17 30 <4 96 58 5<2118 1915 36 <4 104 61 6 　　 (9) 塑料喷液器　扫描淬火感应器一般在有效圈外侧或 下面配置辅助喷液圈。50 年代此种喷液器采用铜制。为防止 产生涡流, 喷液器圈中间常开一切口。但金属喷液器因靠近有 效圈, 发热损耗在所难免。现在欧、美感应加热公司在喷液器 材料改进上采用了透明的塑料或模压的聚四氟乙烯本体与板 组装等方法。国内制造厂比较成功的改进是用环氧玻璃布板 或夹布胶木板制造本体, 管接头用黄铜制造。此种喷液器坚固 图 7　沿齿沟扫描淬火感应器 图 8　可以配置不同尺寸、匝数有效圈的感应器 图 9　塑料喷液器示意图 耐用, 既不产生损耗, 亦不必开切槽, 已在半轴等一些感应器 上使用 (见图 9)。 (10) 感应器快换夹头　发达国家在感应加热电源设备 上均配有快换感应器的夹头, 保证感应器水、电连接, 快速一 次完成, 并且电耗少。曲轴感应器可在 15s 以内完成快换。通 用淬火机有多种夹头形式, 图 10 所示的是国内已开发的高频 电源快换夹头[2 ]。快换感应器的标准尾座可插入夹头的长方 孔内, 拧动手把, 上边压块下降, 使尾座紧贴夹头接触面, 完成 电气连接, 再扳动进水阀手把, 将水路接通。此夹头经一些工 厂使用证明快换效果明显。 (11) 快换管接头　喷液器的水管连接常需另接软管。此 时可用终端快换管接头。国内生产的气动附件Q JKH 22J 系列 快换终端管接头系用黄铜制造, 有 7 种规格, 可配 <4、<6、<8、<10、<16、<19、<25mm 内径的橡胶软管。只需扳动卡套, 即能 将软管头卸下, 软管耐压达 1M Pa。 3　感应器制造技术 国外由于有专业厂制造, 感应器结构精度日益提高。设计 2 《金属热处理》1998 年第 6 期 图 10　感应器快换夹头 11 密封环　21 压块　31 手把　41 接触板　51 水阀门 制造完美的感应器, 不但能淬出合格零件, 耐用、寿命长, 而且 外形美观。国内已有这方面的专业厂。 感应器制造技术上的改进, 有以下几方面: (1) 模具成型制造　有效圈尺寸一般通过机械加工或模 具成型来达到。弯管使用弯管模, 焊接使用焊接模, 装配用装 配模和标准心棒。这样可控制有效圈尺寸, 保证中心高、垂直 度均在要求公差范围以内。 ( 2) 焊接工艺　焊接工艺是保证感应器内在质量的关 键。根据不同部位, 确定焊接程序和选择银焊、黄铜焊或紫铜 焊的焊条牌号。材料厚薄差异大时, 焊后的冷却亦极为重要。 焊接快慢会影响热影响区大小和固定在夹具内的焊件变形 (伸长或缩短)。为此应预先设定伸长量。焊缝未焊透将会大大 降低感应器的使用寿命。焊液流入焊腔对通水截面小的感应 器是绝不允许的。 (3) 导磁体制造　在平面、内孔或外圆感应器有效圈上 镶装导磁体均能提高效率 [3 ]。可加工导磁体的优点是便于制 造, 但耐温性差, 一般只能在低于 150℃时使用。国内已有多 家导磁体厂制造此产品。美国 F lux tro l 公司制造的可加工导 磁体[4 ] , 主要镶装在各种高、中频感应器上, 其化学性不活泼, 能承受淬火介质作用, 具有良好的力学性能与热传导性, 可以 切削加工。其中 F 型导磁体耐温可达 350℃。F lux tro l 导磁体 性能见表 2。 表 2　Fluxtrol 导磁体性能 型号 导磁率ö H·m - 1 电阻率ö k8 ·cm 密度ög·cm - 3 应用频率范围öH z A Λ0　60～ 65Λm ax　110～ 120 0. 5～ 1 6. 8～ 7. 1 50～ 50 000 B Λ0　23～ 25 20～ 40 5. 8～ 5. 9 10 000～ 450 000 C Λ0m ax　18 250 319～ 4. 0 10 000～ 500 000 F Λ　15 > 100 510～ 512 30 000～ 5 000 000 　　外圆感应器跨装上可加工导磁体, 实验证明可提高效率 13% , 耗能降低显著。曲轴、等速万向节、半轴等感应器用硅钢 片作导磁体, 效果更好。成形的硅钢片导磁体过去用冲模冲 切, 切出后还需将毛边滚平, 用现在的新工艺将硅钢片叠片后 进行线切割, 切边光洁, 不需再加工, 既省了冲模, 又节省材 料。 (4) 有效圈喷涂陶瓷　有效圈喷涂A l2O 3 陶瓷, 使有效 圈表面耐磨、耐高温、绝缘并且耐蚀, 是一种先进的涂复技术, 涂层厚度一般为 013mm。国内已掌握此技术, 并试用于生产。 (5) 感应器用新材料　无氧纯铜已作为导电部分的首选 材料。聚四氟乙烯板 (PT FE) 由于机械强度优于云母板而广 泛应用。M C 尼龙板、管, 聚酯、氮化硅 (Si3N 4)等亦出现在新型 感应器上。 (6) 感应器质量检验　除几何尺寸精度必须检查外, 电 气绝缘与水压试验亦是必不可少的。有效圈导电部分不能与 附加的定位套、螺钉、小顶针等相通。水盒冷却管、导电管等通 水部分可在 013～ 1M Pa 下检查是否漏水或渗水。应通水检查 喷液孔喷水角度与有否堵塞。必要时还要对小截面有效圈作 流量检查, 检查L öm in 值。 4　感应器导体载流密度值的计算与限值 据早期资料介绍, 感应器有效圈在通水冷却条件下的载 流限值为 150A ömm 2 [4 ]。近年来由于高压水及限制水中含空气 量以提高水的冷却能力的循环系统配套设施的完善, 有效圈 的载流密度已提高到 1200A ömm 2。 德国一家著名的感应加热公司, 计算中频感应器有效圈 载流密度时使用以下公式: A = N 1 N 2 ·U 负U 2额·1000· P c b·△铜 (1) 式中　A ——有效圈载流密度, A ömm 2 N 1——变压器一次圈匝数 N 2——变压器二次圈匝数 U 负——中频负载电压 (电表上指示值) ,V U 额——中频电容器额定电压,V P c——接入中频电容功率, kVA b——有效圈载流面的宽度, mm △铜——电流在铜中透入深度, mm (当 f = 10kH z 时, △铜= 67 f = 67 100≈ 016) 例: 一 个 <5717mm , 高 2412mm 的 工 件, 加 热 面 积 4318cm 2, 采取以下电参数: 中频功率 74kW , 电流 180A , 额定 电压 650V , 负载电压 400V , 感应器电压 56V , 接入电容 630kVA , 变压比 13∶2, 有效圈铜管截面为 8mm ×4mm × 1mm , 功率密度 117kW öcm 2, 则 A = 132 × 4006502 × 1000 × 630 4×016= 1615A ömm 2 即 8mm ×4mm 矩形截面厚 1mm 的矩形管的 4mm 宽一 侧面对加热工件, 其载流密度已达 1615A ömm 2, 略超过 1200A ömm 2 的许用值。 5　感应器有效圈冷却水流量的计算 感应器冷却水流量不够时, 出水口温升会过高, 影响感应 器使用寿命。合适的出水温升一般控制在 25℃左右。资料 [5 ]列出了感应器水流量的计算公式 (此公式单位为英制) : (下转第 12 页) 3《金属热处理》1998 年第 6 期 冲击韧度和耐磨性的影响规律及其原因, 仍是一个值得探讨 的问题。 214　弥散热处理 对含有 T i、V、M o、W、C r 等碳化物形成元素的奥氏体锰 钢, 通过弥散热处理, 可获得 Χ基体中弥散分布有第二相硬质 点的组织结构, 从而实现弥散强化和进一步提高钢的耐磨性。 一些典型的弥散处理工艺如表 3 中的 11～ 16 号工艺所示。用 碳化物形成元素合金化后的奥氏体锰钢, 只有采用弥散热处 理, 才能充分发挥合金化元素的作用, 这是目前人们的共识。 但由表 3 可见, 已有的弥散处理工艺多为多次处理, 存在操作 复杂、耗能费时、难以推广等不足。因此, 国外奥氏体锰钢的生 产仍采用普通热处理, 而认为弥散热处理不可行 [16 ]。最近, 我 们研制了一种一次性弥散热处理工艺[17 ] , 具有处理次数少、 弥散效果好、节能省时、易于推广等特点。用其处理的变质奥 氏体锰钢颚板, 耐磨性比普通高锰钢提高 1～ 3 倍。 迄今为止, 奥氏体锰钢仍是一种综合性能非常优良的金 属耐磨材料。在此基础上, 通过使用条件、材料成分和生产工 艺的综合优化, 进一步提高其耐磨性, 仍然具有很大的潜力。 今后应重点研究下列几个问题: 研制适用于不同工况条件的 系列奥氏体锰钢; 奥氏体锰钢的合金化及其合金化元素的作 用机理; 多功能高效复合变质剂及其变质机理; 在合金化和变 质条件下 C、M n 含量的优化; 实现节能热处理的配套措施; 简便有效的细晶和弥散处理工艺; Χ晶粒大小对奥氏体锰钢 冲击韧度和耐磨性的影响规律及其原因等。参考文献1　高彩桥 1 金属的摩擦磨损与热处理 1 北京: 机械工业出版社,1988: 1332　铸钢手册 1 北京: 机械工业出版社, 1982: 763　张清 1 金属磨损和金属耐磨材料手册 1 北京: 冶金工业出版社,1991: 1674　Jo st N and Schm idt I. 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