一個(gè)觀念大幅提高感應(yīng)淬火工藝的可靠性

趙秀華，閆滿剛

一個(gè)觀念大幅提高感應(yīng)淬火工藝的可靠性

趙秀華，閆滿剛

【摘要】介紹了一種在歐洲使用成熟的感應(yīng)熱處理理念和方法，能直接提高感應(yīng)熱處理工藝可靠性和重現(xiàn)性，見(jiàn)效快，容易實(shí)現(xiàn)。

在大多熱處理車(chē)間或工段都有感應(yīng)加熱淬火設(shè)備。很多企業(yè)的感應(yīng)淬火設(shè)備只是熱處理的一個(gè)補(bǔ)充手段，一般不重要的零件或備件采用感應(yīng)淬火工藝，它很難納入重要工序之中。這主要是長(zhǎng)期以來(lái)感應(yīng)淬火工藝的可靠性或產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性難以保證，不能提供穩(wěn)定的承載能力數(shù)據(jù)，大大影響了設(shè)計(jì)人員對(duì)感應(yīng)淬火工藝的選擇和應(yīng)用。究其原因，根結(jié)還在于感應(yīng)淬火工藝的穩(wěn)定性差。因此，在行業(yè)普遍存在著感應(yīng)淬火的產(chǎn)品質(zhì)量依靠“老師傅”的現(xiàn)狀。“老師傅”的經(jīng)驗(yàn)決定了零件的淬火質(zhì)量，但是下一個(gè)零件的感應(yīng)淬火結(jié)果即使“老師傅”親自操作也很難保證和上一件完全一致。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)60年代也經(jīng)歷過(guò)和我們一樣的困局，但是，隨著精密機(jī)械加工工藝的技術(shù)發(fā)展，數(shù)控機(jī)床、加工中心等在機(jī)械加工領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，精密加工的工藝?yán)砟畋灰氲礁袘?yīng)淬火工藝中，這樣感應(yīng)淬火工藝的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性得到了保證，從而使感應(yīng)熱處理工藝從一個(gè)輔助工藝變?yōu)橹饕に嚕垢袘?yīng)熱處理的高效、便捷等優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。

本文將介紹一種在歐洲使用成熟的感應(yīng)熱處理理念和方法，能直接提高感應(yīng)熱處理工藝可靠性和重現(xiàn)性，見(jiàn)效快，容易實(shí)現(xiàn)操作。

感應(yīng)熱處理工藝執(zhí)行現(xiàn)狀

1. 感應(yīng)器的制作和儲(chǔ)存

感應(yīng)器是感應(yīng)熱處理的加熱工具。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)器的幾何特征在電參數(shù)一定的情況下和加熱的結(jié)果直接相關(guān)，因此，感應(yīng)器的設(shè)計(jì)和制作是要求很高的。然而感應(yīng)器的實(shí)際狀況大多是熱處理車(chē)間手工制作（見(jiàn)圖1），而存儲(chǔ)也是堆在柜子中（見(jiàn)圖2）。

此手工制作的感應(yīng)器外形不規(guī)則，將來(lái)使用時(shí)熱形不一致，加熱區(qū)溫度均勻性差；即使經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，加熱效果勉強(qiáng)能夠接受，使用完后拆下來(lái)堆在一起，難免不碰撞甚至變形，嚴(yán)重影響重復(fù)性使用的效果。如果需要制作該感應(yīng)器的備件，那么基本不可能做到兩件一致。這樣工藝的一致性也無(wú)從談起。

圖1　某用戶自制的平面感應(yīng)器

圖2　感應(yīng)器存儲(chǔ)柜

2. 感應(yīng)器的連接

感應(yīng)器是感應(yīng)加熱的施感原件，它一般連接在淬火變壓器的輸出端。為了適應(yīng)空間位置的需要，在感應(yīng)器和淬火變壓器之間常常要有一個(gè)過(guò)渡導(dǎo)板。目前,很多設(shè)備的淬火變壓器和感應(yīng)器（或過(guò)渡導(dǎo)板）的連接是靠幾個(gè)螺栓，過(guò)渡導(dǎo)板無(wú)剛性可言，如圖3、圖4所示。

此種形式連接的感應(yīng)器，無(wú)法保證兩次安裝位置的一致性或淬火加熱時(shí)的感應(yīng)器狀態(tài)。

3. 冷卻水和淬火液

圖3中展示的是最常見(jiàn)的冷卻水連接方法。該連接方式插接時(shí)會(huì)使感應(yīng)器變形而影響位置精度。更主要的，由于導(dǎo)板冷卻不充分，發(fā)熱嚴(yán)重，在工作過(guò)程中使感應(yīng)器發(fā)生偏移，造成熱處理結(jié)果的差異。

淬火液的連接也是如此，不可靠的淬火液連接以及淬火冷卻模式使得淬火冷卻效果波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)造成開(kāi)裂。

4. 設(shè)備的可靠性和自動(dòng)化程度

設(shè)備的可靠性和自動(dòng)化程度也是影響工藝實(shí)施可靠性的一個(gè)因素。依靠“人”的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心很難滿足工業(yè)化產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的要求。而依靠機(jī)器設(shè)備的自動(dòng)化則能做到加工狀態(tài)完全一致。但由于設(shè)備可靠性和自動(dòng)化程度一般和投資有關(guān)，而投資涉及范圍大，一般不是車(chē)間應(yīng)用層面決定的，因此，這里不做主要討論。

問(wèn)題與差距

感應(yīng)熱處理的特點(diǎn)與機(jī)械加工模式一樣，逐件加工；而其他用爐子進(jìn)行熱處理的工藝特點(diǎn)是多件同爐加工。同爐加工的質(zhì)量控制目標(biāo)是一爐（批），而感應(yīng)熱處理可以做到對(duì)每個(gè)工件進(jìn)行質(zhì)量控制。當(dāng)然，如果工藝重復(fù)性沒(méi)有可靠的保證，則會(huì)造成感應(yīng)淬火每個(gè)零件結(jié)果的不一致。

感應(yīng)加熱的原理告訴我們，加熱的一致性取決于施感感應(yīng)器的一致性和感應(yīng)器與工件耦合的一致性。除了加熱外，熱處理工藝操作的另外一個(gè)重要因素是冷卻，冷卻狀態(tài)（包括溫度、壓力、流量、分布以及角度）的一致性同樣重要。

對(duì)比目前感應(yīng)熱處理的操作現(xiàn)狀和工藝原理要求，我們匯總出在感應(yīng)熱處理操作環(huán)節(jié)的問(wèn)題和差距如下。

1. 感應(yīng)器制作

感應(yīng)器設(shè)計(jì)和制作的專(zhuān)業(yè)性極強(qiáng)，一般需經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)。但我國(guó)很多熱處理廠無(wú)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)人員和能力進(jìn)行完備的感應(yīng)器設(shè)計(jì)，而是依據(jù)“師傅”的經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)制作。由圖1和圖2可以看出，感應(yīng)器制作的隨意性強(qiáng)，基本沒(méi)有規(guī)范的感應(yīng)器制作手段和方法。用材不規(guī)范，尺寸精度低；手工焊接面多，形狀不規(guī)整。電極連接面不平整，表面狀態(tài)差。

圖3　感應(yīng)器通過(guò)螺栓壓板連接

圖5　感應(yīng)器的構(gòu)成

感應(yīng)器主要由感應(yīng)器座、匯流排和工作線圈三部分組成（見(jiàn)圖5）。感應(yīng)器座是感應(yīng)器的根基，應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和嚴(yán)格的尺寸精度，這樣才能給工作線圈以可靠的位置基礎(chǔ)；匯流排以輸送電流為主，同時(shí)又用于調(diào)整線圈和感應(yīng)器座之間的距離，因此，過(guò)流面積和冷卻是其要保證的核心；而且工作線圈在加熱時(shí)要承受電磁力，因此匯流排的強(qiáng)度也要考慮。工作線圈的重要性不言而喻，在工作時(shí)要通過(guò)很大的電流，其幾何形狀決定著加熱區(qū)的形狀，通常得到更多的關(guān)注。其冷卻是影響壽命的重要因素，因

此要保證充分地冷卻。

感應(yīng)器制造的另一個(gè)重要問(wèn)題，是備件的一致性。由于感應(yīng)器有一定的使用壽命，因此，一個(gè)經(jīng)調(diào)試和生產(chǎn)應(yīng)用合格的感應(yīng)器的替代品必須具備相同的尺寸精度，顯然手工制作是難以達(dá)到要求的。

2. 感應(yīng)器的連接

由于不同的零件需要不同的感應(yīng)器，必須要經(jīng)常更換感應(yīng)器以及淬火裝置適應(yīng)生產(chǎn)需要。感應(yīng)器的連接一定要保證安裝位置的重現(xiàn)性，電接觸面的可靠性，以及冷卻的充分性。

對(duì)照?qǐng)D3和圖4可以看出，傳統(tǒng)的叉口型的連接導(dǎo)板通過(guò)螺栓連接是無(wú)法保證位置重現(xiàn)性的。在感應(yīng)器的電接觸面，由于表面平整度差，即使采用螺栓壓緊也不能保證有效接觸面積，因而加大了接觸電阻，在使用過(guò)程中嚴(yán)重發(fā)熱并形成氧化皮，而氧化皮又反過(guò)來(lái)加劇了接觸電阻的增大，造成更大的功率損失和發(fā)熱。

過(guò)渡導(dǎo)板是連接淬火變壓器和感應(yīng)器的常用裝置。其作用一方面是調(diào)整加熱線圈相對(duì)于淬火變壓器輸出端的位置，同時(shí)給感應(yīng)器提供安裝基礎(chǔ)。由前述可知，要保證感應(yīng)器的位置重現(xiàn)性，一則過(guò)渡導(dǎo)板需要有足夠的剛性；二則在其接合面必須有定位措施，這樣才能保證多次拆裝感應(yīng)器位置一致；另一方面由于過(guò)渡導(dǎo)板也是載流導(dǎo)體，因此在工作過(guò)程中有顯著的發(fā)熱，一般采用水冷。水冷不充分或?qū)О宓膬蓸O板水冷不均勻，則發(fā)熱引起的變形不同而發(fā)生彎曲。這樣感應(yīng)器的位置同樣也可變化，失去基準(zhǔn)。

3. 冷卻水和淬火液的冷卻狀態(tài)

既然冷卻水和淬火液對(duì)感應(yīng)器工作無(wú)論是位置精度，還是壽命，以及淬火結(jié)果都很重要，那么就需要對(duì)其監(jiān)測(cè)和保護(hù)。而目前多數(shù)老舊機(jī)床都不具備冷卻水的監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能，或者有的采用一個(gè)簡(jiǎn)單的壓力表來(lái)指示。當(dāng)管路堵塞時(shí)壓力表仍然指示在高壓力狀態(tài)，但不能說(shuō)明冷卻水充分。目前，進(jìn)口的感應(yīng)加熱設(shè)備上對(duì)于冷卻都采用流量監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)，這樣能充分保證冷卻或淬火的狀態(tài)一致。

解決方法——使用感應(yīng)器伴侶

感應(yīng)器伴侶借鑒歐洲先進(jìn)的理念，是專(zhuān)為用戶解決感應(yīng)器制作標(biāo)準(zhǔn)化和一致性的基礎(chǔ)部件。它充分考慮了感應(yīng)熱處理的工藝特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、水電連接、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和保護(hù)等方面進(jìn)行了充分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓感應(yīng)熱處理工作者專(zhuān)注于工作線圈的設(shè)計(jì)和調(diào)試，其他一致性、可靠性、水電一體化連接都由感應(yīng)器伴侶來(lái)保證。感應(yīng)器伴侶包括感應(yīng)器靴，快換導(dǎo)板、感應(yīng)器校正模以及感應(yīng)器制作標(biāo)準(zhǔn)材料四類(lèi)。

1. 感應(yīng)器靴

感應(yīng)器靴（見(jiàn)圖6）設(shè)計(jì)為水電一體化快速連接模式，極板采用專(zhuān)門(mén)軋制的電工純銅型材，數(shù)控加工中心加工，尺寸精度高，焊接面少，電感小。極板間的絕緣和緊固采用聚四氟乙烯，絕緣性能好，耐熱溫度高。 接管的長(zhǎng)度可以根據(jù)需要截短；導(dǎo)板上預(yù)留安裝孔，可以用于固定其他附件。

由圖6可以看出，只要用戶焊上工作線圈（感應(yīng)器頭）就可以調(diào)試加熱了。使用方便，互換性好。由于感應(yīng)器靴的基座具有很高的尺寸精度，因此也保證了感應(yīng)器的安裝定位要求。這樣用戶就可以專(zhuān)注于加熱線圈部分的設(shè)計(jì)和改進(jìn)而無(wú)需花費(fèi)時(shí)間在那些基礎(chǔ)部件的準(zhǔn)備上了。

2. 快換卡座

圖6　感應(yīng)器靴

在淬火變壓器的輸出端經(jīng)常要接入一個(gè)連接導(dǎo)板。感應(yīng)器伴侶中的連接導(dǎo)板兼顧了水電的快速連接功能，更重要的是，它提供了感應(yīng)器的剛性精確定位，即快換卡座（見(jiàn)圖7）。快換卡座采用楔入式結(jié)構(gòu)，楔入卡口與感應(yīng)器靴的基座精密配合；導(dǎo)板的冷卻水通過(guò)界面的O形環(huán)密封流入感應(yīng)器工作線圈，然后返回導(dǎo)

板；裝卸感應(yīng)器時(shí)只需要打開(kāi)快換卡座的黃銅壓塊，就可更換感應(yīng)器，并且水電一次完成。

由于快換卡座的連接導(dǎo)板剛性好，冷卻為內(nèi)通道，故保證了工作過(guò)程中的感應(yīng)器端部的位置精度，側(cè)方的冷卻水只要一次接入，不隨感應(yīng)器更換而拆卸。如果需要，在冷卻水接口處還可設(shè)溫度或流量監(jiān)測(cè)，這樣更可靠。

圖7　快換卡座

圖8　感應(yīng)器校正保護(hù)模

3. 感應(yīng)器校正保護(hù)模

一旦感應(yīng)器投入使用，在工作過(guò)程中受電磁力的作用，長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生一定的變形；甚至在更換下來(lái)的存儲(chǔ)和移動(dòng)過(guò)程中不當(dāng)外力作用或許發(fā)生變形。那么，如何保證下次使用時(shí)感應(yīng)器是完好的呢？借鑒刀具的存放理念我們提倡使用感應(yīng)器校正保護(hù)模。如圖8所示，該保護(hù)模具有足夠的剛性和位置精度，卸下的感應(yīng)器放入模腔時(shí)，變形會(huì)得到修正；和模腔一起存放或轉(zhuǎn)移，則感應(yīng)器就不會(huì)發(fā)生變形或損壞，確保下次投入使用時(shí)感應(yīng)器的完好性。

4. 感應(yīng)器制作標(biāo)準(zhǔn)材料

由于感應(yīng)熱處理是一個(gè)非常專(zhuān)業(yè)的領(lǐng)域，感應(yīng)器熱處理工藝人員少，對(duì)感應(yīng)器的標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)識(shí)不足，因此，感應(yīng)器制作的專(zhuān)業(yè)化程度很低。而大多用戶在自己手工制作感應(yīng)器時(shí)只能利用市場(chǎng)上通用的銅板（管）等，而這些材料往往不能滿足感應(yīng)器制作的需求。比如矩形銅管，圓角太大影響加熱層的分布。另外，感應(yīng)器各部分的功能不同對(duì)銅的質(zhì)量要求也不同。現(xiàn)在，專(zhuān)門(mén)為感應(yīng)器制造而生產(chǎn)的系列型材可以在感應(yīng)器伴侶系列商品中選取。另外，適合感應(yīng)器使用的絕緣件、緊固件、清潔材料等目前也在感應(yīng)器伴侶系列中可以選到，大大提高了自制感應(yīng)器的幾何精度，提高了工藝執(zhí)行的穩(wěn)定性。

5. 用戶的好處

一個(gè)新產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)可靠的感

冷卻水出應(yīng)淬火，需要很煩瑣的步驟，花費(fèi)大量時(shí)間和精力來(lái)進(jìn)行感應(yīng)器的設(shè)計(jì)制造和工藝開(kāi)發(fā)。

首先是淬火感應(yīng)器的設(shè)計(jì)（主要是工作線圈）需要結(jié)合設(shè)備能力和設(shè)計(jì)者的技術(shù)儲(chǔ)備反復(fù)修改，然后投入復(fù)雜的制造過(guò)程；制造出來(lái)后還要實(shí)際加熱調(diào)試，反復(fù)切片驗(yàn)證才能最終確定感應(yīng)器的幾何尺寸和一套完備的工藝，而這套工藝需要一系列保證措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。感應(yīng)器伴侶就是實(shí)現(xiàn)工藝重現(xiàn)性的保證手段。否則，無(wú)論是感應(yīng)器更換或是感應(yīng)器的再制作，所有的工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程都丟失了，相同的工作必須再來(lái)，亦或是憑經(jīng)驗(yàn)，回到“只有老師傅能干出好產(chǎn)品”的老路上去。而采用感應(yīng)器伴侶可使工藝得到保證，無(wú)質(zhì)量波動(dòng)之憂，即使“老師傅”缺席，也能干出一樣質(zhì)量的產(chǎn)品，大幅提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)感應(yīng)熱處理行業(yè)普遍依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)保證質(zhì)量的做法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前要求。而這其中的重要原因就是沒(méi)有找到工藝可靠性保證的可實(shí)施措施。感應(yīng)器伴侶的推出，為我們找到了一條方法，可以將“老師傅”智慧留住，從而提高工藝的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)了相關(guān)工裝的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，大大提高了效率，降低了成本。

20150105

作者簡(jiǎn)介：趙秀華、閆滿剛，北京金和感應(yīng)器聯(lián)盟。