驅(qū)動橋半圓形淬火感應(yīng)器設(shè)計探討

楊曉東，楊繼賢，陶勝藝，武瑞

洛陽升華感應(yīng)加熱股份有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

淬火感應(yīng)器是感應(yīng)加熱表面淬火的主要設(shè)施，是傳遞感應(yīng)電流的部件，其作用是通過感應(yīng)電流將高中頻電能傳到工件表面，達(dá)到對工件進(jìn)行表面熱處理的目的，因此感應(yīng)器設(shè)計的好壞對感應(yīng)加熱效果影響極大。

2 零件技術(shù)要求

（1）材質(zhì) 驅(qū)動橋的材料是20Mn2鋼，其化學(xué)成分見表1。

表1 20Mn2鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）驅(qū)動橋淬火要求 淬硬層深度（DC450HV5）2.5～5mm，表面硬度45～52HRC；工件圖樣如圖1所示。

圖1 工件圖樣

3 感應(yīng)器設(shè)計

感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)主要包括感應(yīng)器有效圈的內(nèi)徑尺寸、高度、噴水圈。其中，有效圈的內(nèi)徑尺寸是與工件尺寸相關(guān)聯(lián)的，高度是與淬火區(qū)域相關(guān)聯(lián)的；噴水圈是與工件冷卻效果相關(guān)聯(lián)的。因此，這三項參數(shù)決定了感應(yīng)器的淬火效果。

根據(jù)驅(qū)動橋的零件圖樣，我們可以得到一些信息，就是該工件是一種直徑較大、淬火長度較短的類型。由于這種零件在直徑與長度方向的功率密度相互匹配是非常難的，因此如何做好最合理的匹配關(guān)系就需要認(rèn)真地分析與計算。另外，就是通過導(dǎo)磁體進(jìn)行功率密度的匹配。

針對這種零件特性，首先我們設(shè)計了有效圈與工件在圓周方向的間隙為4mm，距工件端面間隙為2mm。其次高度尺寸與工件需要淬火的長度一致；噴水圈的噴水角度既要冷卻工件圓周方向又要冷卻工件端面。

根據(jù)上述的情況，我們設(shè)計出了驅(qū)動橋的半圓形感應(yīng)器，有效圈對準(zhǔn)如圖2所示。圖3～圖5所示為導(dǎo)磁體分布情況。

圖2 有效圈對準(zhǔn)

圖3 立管導(dǎo)磁體分布

圖5 下層有效圈導(dǎo)磁體分布

4 電源參數(shù)

電源參數(shù)：工作電壓380V（三相），功率300kW，頻率50Hz；工作電壓340～430V；振蕩頻率2～8kHz（頻率隨感應(yīng)器匹配變化）。

圖4 中間有效圈導(dǎo)磁體分布

5 工藝調(diào)試

感應(yīng)器做好后，我們進(jìn)行了工藝試驗，加熱時發(fā)現(xiàn)工件中間溫度偏低，如圖6所示。

圖6 工件中間溫度偏低

通過試驗，得出此感應(yīng)器在加熱時，工件中間溫度較低，不能達(dá)到設(shè)計要求，于是對工件切樣進(jìn)行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)中間不但淬硬層深較淺，而且硬度也沒有達(dá)到技術(shù)要求，因此對感應(yīng)器做了一下調(diào)整。

1）將感應(yīng)器的中間有效圈向上抬高3mm，由原來的48mm改為45mm，如圖7所示。

圖7 中間有效圈向上抬高

2）把中間立管上加滿導(dǎo)磁體，來增強感應(yīng)器中間有效圈與工件的電流密度，從而提高工件的溫度。調(diào)整后立管導(dǎo)磁體分布如圖8所示。

圖8 調(diào)整后立管導(dǎo)磁體分布

3）減少中間有效圈圓周方向左側(cè)45°方向的導(dǎo)磁體，使之更好地匹配有效圈立管產(chǎn)生的磁場。調(diào)整后中間有效圈導(dǎo)磁體分布如圖9所示，下層有效圈導(dǎo)磁體分布如圖10所示。

圖10 調(diào)整后下層有效圈導(dǎo)磁體分布

經(jīng)過對感應(yīng)器的調(diào)整及增加導(dǎo)磁體后，又進(jìn)行了工藝試驗，發(fā)現(xiàn)這次加熱效果明顯優(yōu)于上次的加熱效果，如圖11所示。

圖11 調(diào)整后的加熱效果

此次試驗使用的功率為196kW、頻率4.5kHz、加熱時間22s，通過硬度和淬硬層深檢測，均滿足工藝要求。切樣如圖12所示，最終制作的感應(yīng)器實物如圖13所示。

圖12 切樣

圖13 感應(yīng)器實物

通過這次調(diào)整，得出在長徑比有較大差別時，針對于感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計總結(jié)出了很多經(jīng)驗。

6 注意事項

1）感應(yīng)器設(shè)計強度要足夠，始終保證感應(yīng)器與工件的間隙一致，否則加熱效果差別會很大。

2）感應(yīng)器的冷卻水流量必須滿足設(shè)計要求，不然會影響感應(yīng)器的使用壽命。

3）噴水盒的噴水要滿足工件端面及圓周方向的冷卻，否則會出現(xiàn)局部軟點，表面硬度不能達(dá)到工藝要求。

4）感應(yīng)器整個裝配過程要嚴(yán)格按圖樣要求進(jìn)行，必須遵守由內(nèi)到外的安裝順序，裝配后要與圖樣明細(xì)對應(yīng)，防止漏裝、錯裝的情況出現(xiàn)。

5）感應(yīng)器裝配后要在專用檢具上進(jìn)行檢測，對感應(yīng)器的中心距及高度進(jìn)行嚴(yán)格檢測。

7 結(jié)束語

1）通過這次驅(qū)動橋半圓形感應(yīng)器的設(shè)計及工藝試驗，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計感應(yīng)器時要注意工件直徑與淬火長度的比例關(guān)系。

2）根據(jù)實際淬火時加熱的效果，調(diào)整感應(yīng)器導(dǎo)磁體的分布，來彌補工件淬火時功率密度不均勻的情況。

3）通過合理控制感應(yīng)器有效圈與零件的軸向、徑向間隙，從而使工件加熱趨勢均勻，避免因工件加熱過程中溫度差別較大而造成淬硬層深不均勻的質(zhì)量問題。

4）通過有效控制淬火冷卻介質(zhì)濃度、溫度、冷卻時間及噴液壓力，可減少工件淬火開裂、軟帶及棱角處剝落等缺陷。