感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計資料

1、感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計林信智(上海恒精機電設(shè)備有限公司 201707) 前言 感應(yīng)器是實現(xiàn)感應(yīng)加熱的重要工具，就其形狀和結(jié)構(gòu)而言，可謂千奇百怪花樣繁多，但它最終目的是為了高質(zhì)量、高效率地完成加熱。 眾所周知，淬火感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)（尺寸）將直接影響感應(yīng)淬火零件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。所以感應(yīng)器的設(shè)計，主要是感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)的設(shè)計。現(xiàn)舉例說明之： 1.凸輪軸 4缸汽油機凸輪軸的形狀見圖1，它有8只凸輪要求感應(yīng)淬火，淬火層深度0.76-5.59mm,表面硬度HRC55。它可用三種感應(yīng)器進(jìn)行感應(yīng)淬火(電流頻率8000HZ)。 圖1 4缸凸輪軸形狀示意圖感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 1.1單圈感應(yīng)器 單

2、圈感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示,其有效圈是一個圓環(huán),內(nèi)表面半徑R=Rmax+2(mm),式中Rmax為凸輪尖部最大半徑。用這種感應(yīng)器,一根凸輪軸要淬火8次。 圖2 凸輪軸單圈感應(yīng)器感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 1.2雙圈感應(yīng)器 雙圈感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，它有兩只水平串聯(lián)的有效圈,同時淬火兩根凸輪軸,因此它的生產(chǎn)效率比單圈感應(yīng)器提高一倍。 圖3 凸輪軸雙圈感應(yīng)器 感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 1.3八圈感應(yīng)器 八圈感應(yīng)器(圖4)能同時淬火8只凸輪,從而大大提高了生產(chǎn)率,并能大量節(jié)約能量。該感應(yīng)器的技術(shù)關(guān)鍵是阻抗計算,輸出功率的調(diào)整和各凸輪加熱溫度的均勻性調(diào)整 圖4 八圈同時淬火感應(yīng)器。感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置現(xiàn)比較三種感應(yīng)

3、器淬火能耗和生產(chǎn)效率(見表1)。表1 三種感應(yīng)器效果比較 從表中數(shù)據(jù)中可以看到,八圈感應(yīng)器與單圈及雙圈感應(yīng)器相比,節(jié)電分別為42.5%和23.1%,生產(chǎn)率分別提高了4.71倍和1.86倍。因此大量生產(chǎn)廠家選用8圈感應(yīng)器,將獲得巨大的經(jīng)濟效益。感應(yīng)器淬火參數(shù)淬火一根軸淬火十萬根軸頻 率（HZ)功 率（KW）加熱時間（s）工藝時間（s）耗 能(KW-S) 工藝時間（S)耗 能(KW-S)工藝時間（S)單圈80005051020008055555.62222.2雙圈80008051016004044444.41111.1八圈800023051411501431944388.9感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 2.半

4、軸 半軸是傳動扭矩的零件,要求有高的靜扭屈服強度和扭轉(zhuǎn)疲勞強度,因此零件必須全長淬火,而且淬火層要均勻連續(xù)。 2.1圓環(huán)感應(yīng)器 使用圖5所示圓環(huán)感應(yīng)器對半軸全長連續(xù)掃描淬火,這是半軸感應(yīng)淬火的傳統(tǒng)工藝。但該感應(yīng)器能產(chǎn)生磁場偏移,形成花鍵過渡段軟帶1,并且由于淬火冷卻激烈,極易產(chǎn)生淬火裂紋。還有淬火過程零件基本冷透,內(nèi)應(yīng)力很大,需要進(jìn)行低溫回火。盡管有這些問題,但用圓環(huán)感應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)淬火工藝簡便易行,設(shè)備投資較少,因此在批量生產(chǎn)的半軸工廠仍有較多地應(yīng)用。 圖5 半軸圓環(huán)連續(xù)淬火感應(yīng)器感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 2.2 矩形感應(yīng)器 現(xiàn)在大量生產(chǎn)半軸的工廠大都采用矩形感應(yīng)器對半軸進(jìn)行縱向加熱整體淬火。它幾乎克

5、服了圓環(huán)感應(yīng)器淬火存在的全部缺點,而且還具有生產(chǎn)效率高和大量節(jié)約能源等優(yōu)點。 圖6 半軸矩形感應(yīng)器感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置上述兩種感應(yīng)器都能使半軸達(dá)到感應(yīng)淬火的技術(shù)要求,但在能量消耗和生產(chǎn)率方面都存在巨大差異,請見表2。分析該表我們可以看到,矩形感應(yīng)器與圓環(huán)感應(yīng)器相比,能量消耗減少23.3%,生產(chǎn)率提高了2倍。表2 二種感應(yīng)器比較感應(yīng)器淬火能耗回火能耗（KW-h）總能耗（KW-h/件）生產(chǎn)率（件/h）功 率（KW）時 間（S）能 耗（KW-h）圓環(huán)901954.850.565.4412矩形300204.1704.1736感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 某種汽車的外半軸(圖7),感應(yīng)淬火層要求4-7mm,表面硬度為H

6、RC52-63.該半軸可用三種感應(yīng)器進(jìn)行淬火,但其淬火質(zhì)量的差異是很大的。 圓環(huán)式感應(yīng)器(參看圖5) 螺旋式感應(yīng)器(圖7) 圖7 汽車外半軸螺旋管感應(yīng)器 矩形感應(yīng)器(參看圖6)感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置現(xiàn)在,用表3說明三種感應(yīng)器淬火質(zhì)量的情況. 表3 三種感應(yīng)器淬火質(zhì)量比較感應(yīng)器49臺肩 44臺肩 淬火變形情況加熱溫度淬火層裂紋情況加熱溫度淬火層圓環(huán)高很深裂紋很低無不嚴(yán)重螺形較高較深裂紋少低較淺嚴(yán)重矩形正常合格無正常合格基本不變形感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 3 曲軸 曲軸是發(fā)動機產(chǎn)生扭矩的重要零件,要求其各軸頸有高的耐磨性和彎曲疲勞強度,曲軸自1936年起大量采用表面淬火,至今感應(yīng)淬火技術(shù)已有很大發(fā)展,但做為感應(yīng)

7、器而言,基本上還是兩種類型,即圓環(huán)感應(yīng)器和鞍形感應(yīng)器。 3.1圓環(huán)感應(yīng)器 曲軸圓環(huán)感應(yīng)器又稱分為合式感應(yīng)器，有手工操作感應(yīng)器和自動淬火機床用感應(yīng)器,兩者結(jié)構(gòu)基本相同。手工操作的曲軸感應(yīng)器如圖2-8所示。圓環(huán)感應(yīng)器淬火的主要缺點是軸頸淬火層的寬度與厚度不均勻,曲柄外側(cè)淬火層寬而厚，曲柄內(nèi)側(cè)淬火層窄而薄。由于淬火層厚度不均,使曲軸淬火彎形很大,有時彎曲達(dá)5mm左右。 圖8 分合式曲軸感應(yīng)器 感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置3.2鞍形感應(yīng)器(見圖9) 圖9 曲軸鞍形感應(yīng)器 感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 鞍形感應(yīng)器淬火有以下優(yōu)點: a).軸頸淬火層厚度和寬度均勻; b).能減少曲軸淬火變形。大量試驗表明,用鞍形感應(yīng)器淬火的曲軸最

8、大跳動1.1mm,平均跳動0.6mm, 大部分跳動為0.5mm以下,淬火后的曲軸可不校直或輕微校直,因此提高了曲軸的疲勞強度; c)能消除油孔附近的淬火裂紋; d)淬火層的形狀能夠調(diào)整,甚至能得到包括軸頸兩端R的淬火層,實現(xiàn)圓角淬火,從而顯著地提高曲軸疲勞強度。 感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 4 電樞軸 汽車起動機的電樞軸要求表面淬火,我們分別用單圈感應(yīng)器(圖10)和串聯(lián)雙圈感應(yīng)器(圖11)進(jìn)行高頻淬火。我們發(fā)現(xiàn)在獲得相同淬火層深度(0.6mm)情況下,雙圈感應(yīng)器使用了較低的陽極電壓、較小的能量和較高的淬火速度,這說明雙圈感應(yīng)器較單圈感應(yīng)器有較高的淬火效率。為了研究這種現(xiàn)象,我們將兩種感應(yīng)器的淬火參數(shù)及淬

9、火層列于表4。 圖10 電樞軸單圈感應(yīng)器 圖11 電樞軸雙圈感應(yīng)器 感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置表4 兩種感應(yīng)器的淬火和淬火結(jié)果感應(yīng)器工藝參數(shù)高頻功率(kW) 淬火速度(mm/s) 淬火 時間(s) 耗能(kW-s) 淬火層(mm) Ua(kV) UK(kV) Ia(A) Ig(A) 單圈126.510.211.05710110.50.6雙圈107.21.30.315.9183.9620.6感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 5 同步器夾緊銷 汽車變速器的同步器夾緊銷(圖12),其淬火區(qū)域長度為28.4mm,中間是直徑8mm的圓柱,雙端是圓錐面(大端直徑11.6mm),淬火層深度1-2mm,表面硬度要求HV640-780.

10、這種零件可用三種感應(yīng)器淬火。 圖12同步器夾緊銷零件簡圖 5.1圓環(huán)式連續(xù)淬火感應(yīng)器 感應(yīng)器形式與圖5相似，只是尺寸小了一些。這種感應(yīng)器能實現(xiàn)淬火層仿形,但淬火移動速度必須變化,對速度的精度要求比較高,因此,淬火機床結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,生產(chǎn)效率也較低。感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 5.2 圓筒式同時淬火感應(yīng)器 感應(yīng)器有效圈是個簡單的圓筒。這種感應(yīng)器的阻抗很小,必然造成振蕩回路阻抗很大,設(shè)備輸出功率減少,因此,零件只能得到小的比功率,使加熱速度較低,造成零件淬透的結(jié)果。 5.3集能式感應(yīng)器2 集能式感應(yīng)器亦稱為變壓器式感應(yīng)器(圖13),感應(yīng)器具有高阻抗,進(jìn)而提高設(shè)備的輸出功率,使夾緊銷獲得大的加熱比功率,縮短了加

11、熱時間,淬火層薄而均勻(1-2mm)地分布(圖12)。 圖13 集能式感應(yīng)器感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 6 剎車凸輪軸 某種載重汽車的剎車凸輪軸,它有三部分要求感應(yīng)淬火,即凸輪和兩段軸頸。軸頸部分的淬火感應(yīng)器較為簡單,本文將其省略,凸輪的輪廓表面淬火所用感應(yīng)器問題較多,分別介紹如下: 6.1圓環(huán)感應(yīng)器 凸輪表面淬火的圓環(huán)感應(yīng)器（見圖14）,其內(nèi)徑口等于凸輪對角線長度L+6(mm),這種感應(yīng)器的優(yōu)點是剎車凸輪不分左右,均可用同一只感應(yīng)器進(jìn)行淬火,而且操作簡便,它的缺點是很難調(diào)整出經(jīng)濟合理的淬火規(guī)范(見表5)。 圖14 剎車凸輪淬火的圓環(huán)感應(yīng)器感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置表5 圓環(huán)感應(yīng)器中頻淬火工藝規(guī)范 研究表5我們發(fā)

12、現(xiàn)P2/P1=59%(P2調(diào)不大),中頻電機的功率利用很低是不經(jīng)濟的,它不僅浪費能源和投資,還降低了感應(yīng)淬火的生產(chǎn)效率。解決這個問題的辦法是使用仿形感應(yīng)器4。 6.2仿形感應(yīng)器 剎車凸輪的仿形感應(yīng)器（見圖15）能解決圓環(huán)感應(yīng)器所產(chǎn)生的問題,由于感應(yīng)器空氣隙減小,使中頻發(fā)電機的功率利用率提高到87.2%,從而得到一個經(jīng)濟合理的工藝規(guī)范。中頻電機額定參數(shù) 工 藝 參 數(shù) F(HZ) P1(KW) U1(V) U2(V) I(A) P2(KW) cos k TH(s) Tc(s) 8000200750700188118-0.914/14.86.5感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 圖15 剎車凸輪的仿形感應(yīng)器 表6

13、仿形感應(yīng)器中頻淬火工藝規(guī)范中頻電機額定參數(shù) 工 藝 參 數(shù) F(HZ) P1(KW) U1(V) U2(V) I(A) P2(KW) cos k TH(s) Tc(s) 800010037538027087.2-0.855/178感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 7 進(jìn)排氣閥 進(jìn)氣閥和排氣閥是大量生產(chǎn)的汽車配件,為提高氣閥壽命,閥桿端頭要進(jìn)行感應(yīng)淬火,淬火硬度大于HRC50,淬火層大于2mm,常用以下幾種感應(yīng)器淬火。 7.1夾縫式感應(yīng)器 夾縫式感應(yīng)器（見圖16）,這種感應(yīng)器的加熱效率很高,加熱時閥桿端頭的邊緣迅速升溫,而端面的中心升溫很慢,基本上是靠熱傳導(dǎo)提高心部溫度,直到加熱終了,其中心溫度或勉強達(dá)到淬火溫

14、度或仍低于淬火溫度,我們稱之為”黑心現(xiàn)象”。淬火后其邊緣硬度高達(dá)HRC60以上,馬氏體組織粗大,極易發(fā)生淬火裂紋,而心部往往只有HRC40左右,為不完全淬火組織。 7.2加導(dǎo)磁體感應(yīng)器 加導(dǎo)磁體感應(yīng)器（見圖17），這種感應(yīng)器的加熱效果很好,閥桿端面加熱均勻,其淬火層深度和端面硬度分布也很均勻。但工作時導(dǎo)磁體發(fā)熱嚴(yán)重,必須加導(dǎo)磁體的冷卻裝置,而冷卻裝置的制造和安裝都比較麻煩,研制幾次均不如人意。感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 7.3串聯(lián)回線感應(yīng)器 串聯(lián)回線感應(yīng)器（見圖18）它有三只線圈，前兩圈為預(yù)熱圈,第三圈是加熱圈,這種感應(yīng)器克服了前兩種感應(yīng)器的缺點,即不加導(dǎo)磁體也能得到閥桿端面加熱溫度的均勻分布. 7.4

15、自身驅(qū)流式感應(yīng)器 感應(yīng)器的中間兩根直導(dǎo)線的高頻電流方向是相同的,它巧妙地利用了同向電流互相排斥的原理,使有效導(dǎo)線上的電流正好被排斥到工作面上,因而提高了加熱效率。 圖16 夾縫式感應(yīng)器 圖17加導(dǎo)磁體感應(yīng)器感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 圖18 串聯(lián)回線感應(yīng)器材 圖19 自身驅(qū)流式感應(yīng)器感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置現(xiàn)在比較4種感應(yīng)器的優(yōu)缺點. 表7 四種感應(yīng)器比較感應(yīng)器淬火質(zhì)量優(yōu)點缺點淬火層硬度夾縫式邊緣深中間淺邊緣高中心底制作簡單淬火質(zhì)量不好加導(dǎo)磁體式平直均勻淬火質(zhì)量好導(dǎo)磁體冷卻困難串聯(lián)回線式平直均勻淬火質(zhì)量好制作困難自身驅(qū)流式平直均勻淬火質(zhì)量好制作困難感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)置 8結(jié)束語 通過以上七種零件所用不同結(jié)構(gòu)感應(yīng)器的論述，我們可以得到這樣的結(jié)論：感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸是感應(yīng)淬火技術(shù)的核心問題,對零件的感應(yīng)淬火質(zhì)量、生產(chǎn)效率和能量消耗，有著直接的影響。因此開發(fā)合適的感應(yīng)器是使感應(yīng)淬火獲得優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的重要途徑。 參考資料 1 林信智，楊連第. 汽車零部件感應(yīng)熱處理工藝與設(shè)備. 北京：北京理工大學(xué)出版社，1998 2 趙長漢，姜土林. 感應(yīng)加熱原理與應(yīng)用. 天津：天津科技翻譯出版社，1993 3 沈慶通. 感應(yīng)熱處理技術(shù)的發(fā)展：