感應(yīng)器的設(shè)計(jì)及選型

2018-11-07 00:00:00    來源：感應(yīng)器的設(shè)計(jì)及選型    點(diǎn)擊：1825    喜歡：0

感應(yīng)加熱淬火具有獨(dú)特的工藝特點(diǎn)，加熱時間短，速度快，細(xì)化淬火組織，具有強(qiáng)化力學(xué)性能的效果。感應(yīng)熱處理可對零部件局部加熱，實(shí)施表面或局部強(qiáng)化處理，因此在機(jī)床零部件生產(chǎn)中，大量采用了感應(yīng)加熱淬火技術(shù)。但由于零部件表面形狀千差萬別，為使加熱均勻，應(yīng)不斷改進(jìn)和更新感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，使有效圈的施感導(dǎo)體與零部件的間隙保持合適的尺寸，這樣才能獲得最佳的淬火效果。

以下就感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)及選型進(jìn)行具體論述。

感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)一般由以下五部分組成，如圖1所示。

圖1 床身導(dǎo)軌淬火感應(yīng)器

1.連接卡頭 2.匯流排 3.冷卻附件 4.施感導(dǎo)體

 5.導(dǎo)磁體

（1）連接卡頭  其作用是把感應(yīng)器連接固定在感應(yīng)電源輸出口處（淬火變壓器次級），并將電流傳導(dǎo)給匯流排。

（2）匯流排  其將工作電流引至施感線圈，并起到增加感應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及延伸工作區(qū)的作用。

（3）施感導(dǎo)體（線圈）  通過一定頻率的感應(yīng)電流，與工件待淬火表區(qū)域產(chǎn)生電磁渦流耦合作用，使該表面迅速加熱至淬火要求溫度。

（4）冷卻附件  在大多數(shù)連續(xù)淬火感應(yīng)加熱過程中，冷卻附件是用于冷卻連接卡頭、匯流排及施感線圈，并且可以直接提供冷卻介質(zhì)進(jìn)行淬火，這就大幅簡化了感應(yīng)器結(jié)構(gòu)。

（5）導(dǎo)磁體  根據(jù)實(shí)際感應(yīng)加熱的實(shí)踐，導(dǎo)磁體在感應(yīng)淬火中起到驅(qū)磁、聚磁的重要作用，因此，導(dǎo)磁體也應(yīng)將其作為感應(yīng)器的一部分加以分析。

1.連接卡頭和匯流排

主要有直接裝卡式卡頭和輔助外接式卡頭。直接卡頭多用于功率在200kW以下的高頻、超音頻淬火機(jī)床上，卡頭直接與淬火機(jī)床的變壓機(jī)構(gòu)輸出端口相連接，其方式一般用梯形快速壓緊螺栓或側(cè)凸輪壓塊將感應(yīng)器壓緊，此法使感應(yīng)器更換、安裝快捷方便，多用于齒輪、軸及畸形小件感應(yīng)淬火。輔助卡頭主要用于中頻機(jī)床床身（床鞍）淬火及主軸多功位淬火，感應(yīng)器是通過輔助卡頭與淬火變壓器連接的。該方式可有效地提高感應(yīng)器與淬火機(jī)床的通用性，使同一感應(yīng)器可在各種淬火機(jī)床上使用。該方式可延伸感應(yīng)器輸出端口，減小感應(yīng)器尺寸，提高淬火工件的轉(zhuǎn)換速度，尤其在主軸淬火中，輔助卡頭的使用，可以使主軸淬火實(shí)現(xiàn)一次吊裝，分別完成多個部位淬火。

為便于工藝編制及工裝設(shè)計(jì)，將相應(yīng)連接卡頭、匯流排歸類為標(biāo)準(zhǔn)系列進(jìn)行選用。

2.冷卻水管

一般選用圓形與矩形截面純銅管為冷卻水管，其中以矩形冷卻管較多，因?yàn)榫匦谓孛媾c匯流排、卡頭或施感導(dǎo)體接觸面大，冷卻效果好，焊接施工性好。冷卻水管采用水嘴接頭與供水管相連接，為使與膠管連接方便，將水嘴接頭變徑改為圓形管，也可將供水管與冷卻水管采用快速拔接頭連接。

3.施感導(dǎo)體

（1）截面選用及冷卻能力設(shè)計(jì)

空心純銅管是施感導(dǎo)體理想的制作材料，其一是因?yàn)榧冦~具有良好的電流傳導(dǎo)性；其二是高頻電流存在強(qiáng)烈的“趨膚”效應(yīng)，而空心管既能保證高頻電流低耗通過，又能節(jié)約材料；其三是純銅管具有良好的加工硬化及退火軟化性，軟化退火后既可消除加工硬化現(xiàn)象，可使其更加更加柔軟，便于成形加工。在早期感應(yīng)技術(shù)應(yīng)用中，基本采用圓截面純銅管作為施感導(dǎo)體，但隨著感應(yīng)技術(shù)的普及，用戶對感應(yīng)淬火硬化層面要求的嚴(yán)格，矩形管施感導(dǎo)體逐漸取代了圓形管施感導(dǎo)體。矩形管施感導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)是：施感體與淬火面間隙均勻，能得到最大加熱表面，如圖2所示，圖2a矩形管與圖2b圓形管施感導(dǎo)體對鋼件表面形成的感應(yīng)加熱結(jié)果不同。另外，圖2中矩形施感導(dǎo)體噴水孔位置易于定位、加工，便于與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格導(dǎo)磁體相配合使用。

圖2 矩形管與圓形管施感導(dǎo)體加熱磁場形態(tài)

（2）施感導(dǎo)體壁厚工藝設(shè)計(jì)及選擇

由于感應(yīng)加熱淬火的傳導(dǎo)頻率、功率及結(jié)構(gòu)剛度要求不同，對施感導(dǎo)體壁厚要求就比較嚴(yán)格。在中頻設(shè)備上使用的施感體要求更加嚴(yán)格，理論值要求壁厚為1.02mm。經(jīng)驗(yàn)表明：壁厚為1mm，規(guī)格為10mm×8mm、16mm×10mm的矩形管均能滿足中頻淬火的要求，但1mm厚的16mm×10mm矩形管結(jié)構(gòu)剛度差、壽命短，導(dǎo)磁體易因施感體變形破裂或無法裝卡，只適合作為小型一次使用施感導(dǎo)體。因此，若批量使用或大截面加熱時，應(yīng)選用壁厚為1.3～1.5mm厚矩形管。管壁厚增加后，噴水孔的加工應(yīng)增加初“引窩”工序，否則極易損壞鉆頭。

（3）冷卻水量和噴水孔設(shè)計(jì)

對于自噴式連續(xù)加熱淬火感應(yīng)器，應(yīng)充分考慮冷卻水量及其回路布局。一般感應(yīng)淬火用水壓為0.3～0.4MPa，當(dāng)施感導(dǎo)體回路較長、形狀曲折且噴水孔較多時，很容易產(chǎn)生“憋水”或“斷水”現(xiàn)象，而燒毀感應(yīng)器或造成淬火工件出現(xiàn)軟帶。圖3所示為用于滑板高頻淬火的施感導(dǎo)體，其感應(yīng)體線圈長、回路曲折，在用雙進(jìn)水連續(xù)加熱淬火時，極易在A處“憋水”而燒毀施感體，解決的辦法是在該處增設(shè)一個出水接頭。

圖3 曲折長回路施感導(dǎo)體水冷設(shè)計(jì)

按冷卻能力計(jì)算，當(dāng)水壓為0.3～0.4MPa時，流通截面積為32～80mm²的密封水道可用于功率為30～150kW的施感導(dǎo)體冷卻。對于小區(qū)域（淬火帶寬≤40mm）中頻淬火施感導(dǎo)體（連續(xù)式），由于渦流感應(yīng)效率差，施感體極易發(fā)熱，加之噴水孔數(shù)量少，使得有效冷卻水流量小，會最終造成施感體冷卻不良。此時若再采用雙進(jìn)水冷卻淬火共用方式，就會使施感體內(nèi)冷卻水流量遠(yuǎn)小于施感體要求冷卻的極限值流量，容易在施感體與匯流排交接處燒斷，從而出現(xiàn)爆水泄漏。對此情況，應(yīng)選用冷卻水一進(jìn)一出方式專用于冷卻施感導(dǎo)體，并另設(shè)計(jì)一個單獨(dú)淬火噴水圈用于淬火。

4.施感導(dǎo)體設(shè)計(jì)

施感導(dǎo)體的形狀、尺寸是隨具體工件變化的。在工藝設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證施感導(dǎo)體與工件的最佳磁耦合，即最佳間隙，才能達(dá)到所需加熱淬火工件的表面加熱溫度和均勻性。同時還要注意，施感導(dǎo)體與工件的感應(yīng)耦合方式不同，感應(yīng)加熱效率也不同，典型感應(yīng)耦合加熱效率從高到低的排列順序是：軸類外表面加熱＞平面加熱＞內(nèi)孔表面加熱＞內(nèi)銳角加熱。在工藝實(shí)踐中，為提高工藝、工裝設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，節(jié)約成本，應(yīng)根據(jù)設(shè)備、零件的不同，分門別類地篩選出一系列模塊化通用感應(yīng)器工裝，如齒輪類淬火感應(yīng)器（φ-H）類，其中φ表示與齒輪外徑相耦合的施感導(dǎo)體內(nèi)徑尺寸，H表示與齒高相耦合的施感導(dǎo)體高度；軸類淬火感應(yīng)器（φ-10）類，φ表示與軸外徑耦合的施感導(dǎo)體內(nèi)徑，10表示用10mm×8mm矩形管制作施感導(dǎo)體，內(nèi)孔淬火感應(yīng)器（Kφ-10）類。

對于系列通用型感應(yīng)器，上述工藝?yán)碚撛趯?shí)際工作中是十分重要的。如主軸頭短錐的高頻淬火，施感導(dǎo)體截面形狀對工件淬火質(zhì)量影響較大。

如圖4a所示，矩形管為該施感導(dǎo)體的水冷圈。采用同錐度三角形截面施感體同時加熱淬火方式，感應(yīng)耦合間隙均勻，淬火硬化層分布也比較均勻。

在圖4b中，采用了無錐度三角形施感體，形成了非均勻感應(yīng)耦合間隙，在短錐口部未形成淬火硬化層。

圖4c中，采用矩形管錐度施感體，感應(yīng)耦合間隙均勻，但在短錐口處形成較深的硬化層。

在圖4d中，采用矩形無錐度施感體，形成非均勻感應(yīng)耦合間隙，短錐面形成較為均勻硬化層分布。

圖4  不同施感導(dǎo)體在主軸頭上形成的不同加熱方式

圖4表示在不同截面施感導(dǎo)體形狀、磁耦合間隙情況下，主軸短錐頭淬火形成的硬化層分布形態(tài)。但在實(shí)際使用中，選用如圖4c方式，在工件短錐端面產(chǎn)生較深硬化層，因該軸端平面處需加工螺紋孔，若先加工孔再淬火，則加熱時該端面孔壁薄錐面處極易產(chǎn)生過熱或在淬火中開裂；若在淬火后再在端面鉆孔或攻螺紋，則因硬化層深而難以加工，此方法工藝性不好。若采用圖4d方式，雖可改善短錐面硬化層不合理情況，但在加熱淬火時，卻存在將主軸法蘭盤上待加工孔處被淬硬或已加工孔口燒融的危險(xiǎn)。因此，在類似短錐件感應(yīng)淬火中，不適宜選用矩形管施感導(dǎo)體。

5.施感導(dǎo)體線圈匝數(shù)的選擇

單圈施感感應(yīng)器常用于表面比功率為0.8～2.3kW/cm²的淬火場合, 當(dāng)淬火區(qū)域較寬、面積較大時，必須考慮用多匝施感線圈進(jìn)行同時加熱淬火或連續(xù)式加熱淬火。一般高頻連續(xù)式淬火用單匝施感線圈，因高頻加熱效率高、硬化層薄，并且單圈施感導(dǎo)體易于控制淬火區(qū)域起始、終了位置，減小工藝軟帶尺寸。對于中頻淬火，由于加熱效率低、透熱深度較深，在機(jī)床床身類大型工件連續(xù)淬火時，要采用多圈施感導(dǎo)體淬火，一般是雙圈，施感體前圈預(yù)熱，后圈加熱并自噴液淬火。

6.功率核算

一般按工藝規(guī)范選擇、設(shè)計(jì)合理間隙的施感導(dǎo)體，就能達(dá)到工件感應(yīng)加熱淬火要求。當(dāng)設(shè)備選定后，輸出功率也基本確定，此時實(shí)際加熱表面所獲得的表面比功率主要決定于加熱面積和加熱效率，若加熱面積過大，則比功率減小，不能使加熱區(qū)域達(dá)到淬火溫度或產(chǎn)生淬火軟帶。

參照感應(yīng)加熱設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)工廠的生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，在工藝設(shè)計(jì)中，按附表所示參數(shù)進(jìn)行施感導(dǎo)體設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)。

比功率及最大加熱面積

現(xiàn)以滑塊施感導(dǎo)體的設(shè)計(jì)來說明功率的核算，滑塊及首次設(shè)計(jì)的施感導(dǎo)體如圖5a所示，采用GP100設(shè)備連續(xù)淬火，10mm×8 mm矩形管，間隙3mm，試驗(yàn)中距離施感體8mm處工件表面也被加熱氧化，即存在磁力線逸散，已無法控制陰線部位加熱淬火區(qū)同時達(dá)到規(guī)定的溫度，使硬度嚴(yán)重不均，A、B面基本無淬火硬度。

分析：1功率校核。按實(shí)際加熱情況，連續(xù)加熱表面積S_實(shí)= 44.5cm²，查附表可以得知已達(dá)最大允許加熱面積，加之感應(yīng)器傳輸損耗等使功率不足。2加熱效率差別較大，A、B面加熱效率最差，而散熱條件又最好，很難達(dá)到加熱溫度。

針對存在問題改進(jìn)了施感導(dǎo)體，如圖5b所示。即分成兩個仿形體，最大面積效核，圖5a中S_左=15.7cm²，圖5b中S_右=15.2cm²，均符合附表要求，能保證足夠加熱功率，淬火面數(shù)量減少便于操作，同時減小A、B面間隙，從而改善熱處理狀況，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（a）改進(jìn)前方式             （b）改進(jìn)后方式

圖5 滑塊施感導(dǎo)體設(shè)計(jì)

7.關(guān)于“S仿形”設(shè)計(jì)

在不規(guī)則工件的施感線圖“仿形”設(shè)計(jì)中，零件尖角效應(yīng)、薄孔壁的“短路”現(xiàn)象都是設(shè)計(jì)中的關(guān)注點(diǎn)。因此這時主要是分析中頻淬火感應(yīng)器“仿形”設(shè)計(jì)中容易被忽略的問題。

（1）中頻淬火施感導(dǎo)體在預(yù)熱圈與加熱淬火圈之間有一個端頭“搭橋”，該搭橋較短（一般有效長度為15mm），電流方向與預(yù)熱、加熱圈電流垂直，磁場強(qiáng)度較弱，加熱效率低，在10mm×8mm、6mm×10mm矩形管搭橋處易出現(xiàn)10cm、16cm軟帶區(qū)，因此不能將“搭橋”視為“仿形”的有效加熱區(qū)。如圖6a所示，“搭橋”使山形導(dǎo)軌根部產(chǎn)出軟帶，應(yīng)改為圖6b所示的加熱方式。另外，需指出的是，圖6a中一味考慮油溝處的仿形及操作方便，忽略了槽溝加熱效率差、難以放置導(dǎo)磁體的問題，同樣造成了淬火軟帶，因此，也應(yīng)按圖6b方式改進(jìn)。

圖6 導(dǎo)軌施感導(dǎo)體仿形設(shè)計(jì)

（2）“仿形”線圖電磁場影響。圖7是床鞍導(dǎo)軌中頻淬火施感導(dǎo)體，由于淬火面錯落分開，為提高施工效率，原設(shè)計(jì)按“仿形”制造了圖7a式線圖，從設(shè)計(jì)尺寸、淬火面的選擇上看似乎還合理，但實(shí)際中卻出現(xiàn)B面淬不上“火”的現(xiàn)象。

分析：從B面施感導(dǎo)體截面（見圖7b）瞬時磁場得知，在15mm×15mm區(qū)域內(nèi)，4根線圈產(chǎn)生的電磁場互相削弱、消耗，從而使B面感應(yīng)強(qiáng)度降低，另外B面與其他淬火面相比散熱性好，最終導(dǎo)致無法加熱到淬火溫度，既使采用導(dǎo)磁體也無法改變該處電場感應(yīng)弱的本質(zhì)。對此只能改進(jìn)設(shè)計(jì)，將B面用平面型感應(yīng)器單獨(dú)淬火。

圖7 施感導(dǎo)體設(shè)計(jì)中電磁場的影響

8.關(guān)于導(dǎo)磁體

各種規(guī)格、形式的導(dǎo)磁體作為感應(yīng)器的一個重要組成部分，已在感應(yīng)熱處理中廣泛使用，因?yàn)閷?dǎo)磁體能改進(jìn)磁耦合效率，可明顯改善局部區(qū)域感應(yīng)加熱質(zhì)量。導(dǎo)磁體在感應(yīng)器中的作用如圖8所示。

圖8a所示為一個線圈上的電流分布，放上工件后，由于臨近效應(yīng)，施感線圈上很大一部分電流流過臨近工件一側(cè)的表面分布如圖8b所示；圖8c是放置П型磁導(dǎo)體后，線圈中R的電流分布圖，顯然此時電流被“集中”在槽口面處，從而提高了磁耦合效率。因此，在設(shè)計(jì)中必須同時考慮是否選用導(dǎo)磁體及導(dǎo)磁體位置的確定。在感應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選用中，還應(yīng)以實(shí)際工件加工尺寸來確定，因?yàn)楣ぜ崽幚砗笠话愣剂粲蓄A(yù)磨加工量，因此要分析工藝路線并執(zhí)行冷熱工藝會簽制度。設(shè)計(jì)中還要注意感應(yīng)器動態(tài)強(qiáng)度問題，尤其是中頻淬火加熱感應(yīng)器，由于加熱時工件與線圈之間電磁吸引力較大，機(jī)械強(qiáng)度差的感應(yīng)器易造成感應(yīng)器振顫，甚至出現(xiàn)與工件接觸而發(fā)生短路現(xiàn)象。

圖8 導(dǎo)磁體在施感導(dǎo)體上的應(yīng)用

從以上討論可知，感應(yīng)加熱淬火技術(shù)是一門新興的技術(shù)學(xué)科，其中感應(yīng)器的設(shè)計(jì)、選用水平高低直接關(guān)系到工件的淬火質(zhì)量。影響感應(yīng)器設(shè)計(jì)及選用的因素較多，但只要抓住施感導(dǎo)體這一主要因素，依據(jù)基本設(shè)計(jì)原理和方法，學(xué)習(xí)成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對具體熱處理工藝要求，綜合分析感應(yīng)器的磁特性、工藝性及操作特點(diǎn)，就可設(shè)計(jì)、選用出合理的感應(yīng)器。

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