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感應器的設計及選型
2018-11-07 00:00:00 來源：感應器的設計及選型 點擊：1809 喜歡：0
感應加熱淬火具有獨特的工藝特點，加熱時間短，速度快，細化淬火組織，具有強化力學性能的效果。感應熱處理可對零部件局部加熱，實施表面或局部強化處理，因此在機床零部件生產(chǎn)中，大量采用了感應加熱淬火技術。但由于零部件表面形狀千差萬別，為使加熱均勻，應不斷改進和更新感應器的結構，使有效圈的施感導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。
以下就感應器的結構、設計及選型進行具體論述。
感應器結構
感應器的結構一般由以下五部分組成，如圖1所示。
圖1 床身導軌淬火感應器
1.連接卡頭 2.匯流排 3.冷卻附件 4.施感導體
5.導磁體
（1）連接卡頭 其作用是把感應器連接固定在感應電源輸出口處（淬火變壓器次級），并將電流傳導給匯流排。
（2）匯流排 其將工作電流引至施感線圈，并起到增加感應器整體結構強度及延伸工作區(qū)的作用。
（3）施感導體（線圈） 通過一定頻率的感應電流，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進行淬火，這就大幅簡化了感應器結構。
（5）導磁體 根據(jù)實際感應加熱的實踐，導磁體在感應淬火中起到驅磁、聚磁的重要作用，因此，導磁體也應將其作為感應器的一部分加以分析。
感應器的設計與選用
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、超音頻淬火機床上，卡頭直接與淬火機床的變壓機構輸出端口相連接，其方式一般用梯形快速壓緊螺栓或側凸輪壓塊將感應器壓緊，此法使感應器更換、安裝快捷方便，多用于齒輪、軸及畸形小件感應淬火。輔助卡頭主要用于中頻機床床身（床鞍）淬火及主軸多功位淬火，感應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器與淬火機床的通用性，使同一感應器可在各種淬火機床上使用。該方式可延伸感應器輸出端口，減小感應器尺寸，提高淬火工件的轉換速度，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計，將相應連接卡頭、匯流排歸類為標準系列進行選用。
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，因為矩形截面與匯流排、卡頭或施感導體接觸面大，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.施感導體
（1）截面選用及冷卻能力設計
空心純銅管是施感導體理想的制作材料，其一是因為純銅具有良好的電流傳導性；其二是高頻電流存在強烈的“趨膚”效應，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。在早期感應技術應用中，基本采用圓截面純銅管作為施感導體，但隨著感應技術的普及，用戶對感應淬火硬化層面要求的嚴格，矩形管施感導體逐漸取代了圓形管施感導體。矩形管施感導體的優(yōu)點是：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圓形管施感導體對鋼件表面形成的感應加熱結果不同。另外，圖2中矩形施感導體噴水孔位置易于定位、加工，便于與標準規(guī)格導磁體相配合使用。
圖2 矩形管與圓形管施感導體加熱磁場形態(tài)
（2）施感導體壁厚工藝設計及選擇
由于感應加熱淬火的傳導頻率、功率及結構剛度要求不同，對施感導體壁厚要求就比較嚴格。在中頻設備上使用的施感體要求更加嚴格，理論值要求壁厚為1.02mm。經(jīng)驗表明：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矩形管結構剛度差、壽命短，導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體。因此，若批量使用或大截面加熱時，應選用壁厚為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計
對于自噴式連續(xù)加熱淬火感應器，應充分考慮冷卻水量及其回路布局。一般感應淬火用水壓為0.3～0.4MPa，當施感導體回路較長、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體，其感應體線圈長、回路曲折，在用雙進水連續(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一個出水接頭。
圖3 曲折長回路施感導體水冷設計
按冷卻能力計算，當水壓為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的施感導體冷卻。對于小區(qū)域（淬火帶寬≤40mm）中頻淬火施感導體（連續(xù)式），由于渦流感應效率差，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。此時若再采用雙進水冷卻淬火共用方式，就會使施感體內冷卻水流量遠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，應選用冷卻水一進一出方式專用于冷卻施感導體，并另設計一個單獨淬火噴水圈用于淬火。
4.施感導體設計
施感導體的形狀、尺寸是隨具體工件變化的。在工藝設計中，應保證施感導體與工件的最佳磁耦合，即最佳間隙，才能達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，施感導體與工件的感應耦合方式不同，感應加熱效率也不同，典型感應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＞內孔表面加熱＞內銳角加熱。在工藝實踐中，為提高工藝、工裝設計質量和效率，節(jié)約成本，應根據(jù)設備、零件的不同，分門別類地篩選出一系列模塊化通用感應器工裝，如齒輪類淬火感應器（φ-H）類，其中φ表示與齒輪外徑相耦合的施感導體內徑尺寸，H表示與齒高相耦合的施感導體高度；軸類淬火感應器（φ-10）類，φ表示與軸外徑耦合的施感導體內徑，10表示用10mm×8mm矩形管制作施感導體，內孔淬火感應器（Kφ-10）類。
對于系列通用型感應器，上述工藝理論在實際工作中是十分重要的。如主軸頭短錐的高頻淬火，施感導體截面形狀對工件淬火質量影響較大。
如圖4a所示，矩形管為該施感導體的水冷圈。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。因此，在類似短錐件感應淬火中，不適宜選用矩形管施感導體。
5.施感導體線圈匝數(shù)的選擇
單圈施感感應器常用于表面比功率為0.8～2.3kW/cm2的淬火場合, 當淬火區(qū)域較寬、面積較大時，必須考慮用多匝施感線圈進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，在機床床身類大型工件連續(xù)淬火時，要采用多圈施感導體淬火，一般是雙圈，施感體前圈預熱，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、設計合理間隙的施感導體，就能達到工件感應加熱淬火要求。當設備選定后，輸出功率也基本確定，此時實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)域達到淬火溫度或產(chǎn)生淬火軟帶。
參照感應加熱設備設計參數(shù)及技術指標，經(jīng)工廠的生產(chǎn)實踐驗證，在工藝設計中，按附表所示參數(shù)進行施感導體設計及工藝設計。
比功率及最大加熱面積
頻率 | 設備功率/kW | 比功率/kW·cm－2 | 最大加熱面積/cm2 | ||
同時 淬火方式 | 連續(xù) 淬火方式 | 同時 淬火方式 | 連續(xù) 淬火方式 | ||
高頻（200～300kHz） | （GP100）100 | 1.1 | 2.2 | 90 | 45 |
中頻（8kHz） | （發(fā)電機）100 | 0.8 | 1.25 | 125 | 80 |
（發(fā)電機）160 | 0.8 | 2 | 250 | 100 | |
現(xiàn)以滑塊施感導體的設計來說明功率的核算，滑塊及首次設計的施感導體如圖5a所示，采用GP100設備連續(xù)淬火，10mm×8 mm矩形管，間隙3mm，試驗中距離施感體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)同時達到規(guī)定的溫度，使硬度嚴重不均，A、B面基本無淬火硬度。
分析：1功率校核。按實際加熱情況，連續(xù)加熱表面積S實= 44.5cm2，查附表可以得知已達最大允許加熱面積，加之感應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，很難達到加熱溫度。
針對存在問題改進了施感導體，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，達到設計要求。
（a）改進前方式 （b）改進后方式
圖5 滑塊施感導體設計
7.關于“S仿形”設計
在不規(guī)則工件的施感線圖“仿形”設計中，零件尖角效應、薄孔壁的“短路”現(xiàn)象都是設計中的關注點。因此這時主要是分析中頻淬火感應器“仿形”設計中容易被忽略的問題。
（1）中頻淬火施感導體在預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），電流方向與預熱、加熱圈電流垂直，磁場強度較弱，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”使山形導軌根部產(chǎn)出軟帶，應改為圖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、難以放置導磁體的問題，同樣造成了淬火軟帶，因此，也應按圖6b方式改進。
圖6 導軌施感導體仿形設計
（2）“仿形”線圖電磁場影響。圖7是床鞍導軌中頻淬火施感導體，由于淬火面錯落分開，為提高施工效率，原設計按“仿形”制造了圖7a式線圖，從設計尺寸、淬火面的選擇上看似乎還合理，但實際中卻出現(xiàn)B面淬不上“火”的現(xiàn)象。
分析：從B面施感導體截面（見圖7b）瞬時磁場得知，在15mm×15mm區(qū)域內，4根線圈產(chǎn)生的電磁場互相削弱、消耗，從而使B面感應強度降低，另外B面與其他淬火面相比散熱性好，最終導致無法加熱到淬火溫度，既使采用導磁體也無法改變該處電場感應弱的本質。對此只能改進設計，將B面用平面型感應器單獨淬火。
圖7 施感導體設計中電磁場的影響
8.關于導磁體
各種規(guī)格、形式的導磁體作為感應器的一個重要組成部分，已在感應熱處理中廣泛使用，因為導磁體能改進磁耦合效率，可明顯改善局部區(qū)域感應加熱質量。導磁體在感應器中的作用如圖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，施感線圈上很大一部分電流流過臨近工件一側的表面分布如圖8b所示；圖8c是放置П型磁導體后，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，在設計中必須同時考慮是否選用導磁體及導磁體位置的確定。在感應器的設計與選用中，還應以實際工件加工尺寸來確定，因為工件熱處理后一般都留有預磨加工量，因此要分析工藝路線并執(zhí)行冷熱工藝會簽制度。設計中還要注意感應器動態(tài)強度問題，尤其是中頻淬火加熱感應器，由于加熱時工件與線圈之間電磁吸引力較大，機械強度差的感應器易造成感應器振顫，甚至出現(xiàn)與工件接觸而發(fā)生短路現(xiàn)象。
圖8 導磁體在施感導體上的應用
結語
從以上討論可知，感應加熱淬火技術是一門新興的技術學科，其中感應器的設計、選用水平高低直接關系到工件的淬火質量。影響感應器設計及選用的因素較多，但只要抓住施感導體這一主要因素，依據(jù)基本設計原理和方法，學習成功的設計經(jīng)驗，針對具體熱處理工藝要求，綜合分析感應器的磁特性、工藝性及操作特點，就可設計、選用出合理的感應器。
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