感应器的设计及选型

2018-11-07 00:00:00    来源：感应器的设计及选型    点击：1634    喜欢：0

感应加热淬火具有独特的工艺特点，加热时间短，速度快，细化淬火组织，具有强化力学性能的效果。感应热处理可对零部件局部加热，实施表面或局部强化处理，因此在机床零部件生产中，大量采用了感应加热淬火技术。但由于零部件表面形状千差万别，为使加热均匀，应不断改进和更新感应器的结构，使有效圈的施感导体与零部件的间隙保持合适的尺寸，这样才能获得最佳的淬火效果。

以下就感应器的结构、设计及选型进行具体论述。

感应器的结构一般由以下五部分组成，如图1所示。

图1 床身导轨淬火感应器

1.连接卡头 2.汇流排 3.冷却附件 4.施感导体

 5.导磁体

（1）连接卡头  其作用是把感应器连接固定在感应电源输出口处（淬火变压器次级），并将电流传导给汇流排。

（2）汇流排  其将工作电流引至施感线圈，并起到增加感应器整体结构强度及延伸工作区的作用。

（3）施感导体（线圈）  通过一定频率的感应电流，与工件待淬火表区域产生电磁涡流耦合作用，使该表面迅速加热至淬火要求温度。

（4）冷却附件  在大多数连续淬火感应加热过程中，冷却附件是用于冷却连接卡头、汇流排及施感线圈，并且可以直接提供冷却介质进行淬火，这就大幅简化了感应器结构。

（5）导磁体  根据实际感应加热的实践，导磁体在感应淬火中起到驱磁、聚磁的重要作用，因此，导磁体也应将其作为感应器的一部分加以分析。

1.连接卡头和汇流排

主要有直接装卡式卡头和辅助外接式卡头。直接卡头多用于功率在200kW以下的高频、超音频淬火机床上，卡头直接与淬火机床的变压机构输出端口相连接，其方式一般用梯形快速压紧螺栓或侧凸轮压块将感应器压紧，此法使感应器更换、安装快捷方便，多用于齿轮、轴及畸形小件感应淬火。辅助卡头主要用于中频机床床身（床鞍）淬火及主轴多功位淬火，感应器是通过辅助卡头与淬火变压器连接的。该方式可有效地提高感应器与淬火机床的通用性，使同一感应器可在各种淬火机床上使用。该方式可延伸感应器输出端口，减小感应器尺寸，提高淬火工件的转换速度，尤其在主轴淬火中，辅助卡头的使用，可以使主轴淬火实现一次吊装，分别完成多个部位淬火。

为便于工艺编制及工装设计，将相应连接卡头、汇流排归类为标准系列进行选用。

2.冷却水管

一般选用圆形与矩形截面纯铜管为冷却水管，其中以矩形冷却管较多，因为矩形截面与汇流排、卡头或施感导体接触面大，冷却效果好，焊接施工性好。冷却水管采用水嘴接头与供水管相连接，为使与胶管连接方便，将水嘴接头变径改为圆形管，也可将供水管与冷却水管采用快速拔接头连接。

3.施感导体

（1）截面选用及冷却能力设计

空心纯铜管是施感导体理想的制作材料，其一是因为纯铜具有良好的电流传导性；其二是高频电流存在强烈的“趋肤”效应，而空心管既能保证高频电流低耗通过，又能节约材料；其三是纯铜管具有良好的加工硬化及退火软化性，软化退火后既可消除加工硬化现象，可使其更加更加柔软，便于成形加工。在早期感应技术应用中，基本采用圆截面纯铜管作为施感导体，但随着感应技术的普及，用户对感应淬火硬化层面要求的严格，矩形管施感导体逐渐取代了圆形管施感导体。矩形管施感导体的优点是：施感体与淬火面间隙均匀，能得到最大加热表面，如图2所示，图2a矩形管与图2b圆形管施感导体对钢件表面形成的感应加热结果不同。另外，图2中矩形施感导体喷水孔位置易于定位、加工，便于与标准规格导磁体相配合使用。

图2 矩形管与圆形管施感导体加热磁场形态

（2）施感导体壁厚工艺设计及选择

由于感应加热淬火的传导频率、功率及结构刚度要求不同，对施感导体壁厚要求就比较严格。在中频设备上使用的施感体要求更加严格，理论值要求壁厚为1.02mm。经验表明：壁厚为1mm，规格为10mm×8mm、16mm×10mm的矩形管均能满足中频淬火的要求，但1mm厚的16mm×10mm矩形管结构刚度差、寿命短，导磁体易因施感体变形破裂或无法装卡，只适合作为小型一次使用施感导体。因此，若批量使用或大截面加热时，应选用壁厚为1.3～1.5mm厚矩形管。管壁厚增加后，喷水孔的加工应增加初“引窝”工序，否则极易损坏钻头。

（3）冷却水量和喷水孔设计

对于自喷式连续加热淬火感应器，应充分考虑冷却水量及其回路布局。一般感应淬火用水压为0.3～0.4MPa，当施感导体回路较长、形状曲折且喷水孔较多时，很容易产生“憋水”或“断水”现象，而烧毁感应器或造成淬火工件出现软带。图3所示为用于滑板高频淬火的施感导体，其感应体线圈长、回路曲折，在用双进水连续加热淬火时，极易在A处“憋水”而烧毁施感体，解决的办法是在该处增设一个出水接头。

图3 曲折长回路施感导体水冷设计

按冷却能力计算，当水压为0.3～0.4MPa时，流通截面积为32～80mm²的密封水道可用于功率为30～150kW的施感导体冷却。对于小区域（淬火带宽≤40mm）中频淬火施感导体（连续式），由于涡流感应效率差，施感体极易发热，加之喷水孔数量少，使得有效冷却水流量小，会最终造成施感体冷却不良。此时若再采用双进水冷却淬火共用方式，就会使施感体内冷却水流量远小于施感体要求冷却的极限值流量，容易在施感体与汇流排交接处烧断，从而出现爆水泄漏。对此情况，应选用冷却水一进一出方式专用于冷却施感导体，并另设计一个单独淬火喷水圈用于淬火。

4.施感导体设计

施感导体的形状、尺寸是随具体工件变化的。在工艺设计中，应保证施感导体与工件的最佳磁耦合，即最佳间隙，才能达到所需加热淬火工件的表面加热温度和均匀性。同时还要注意，施感导体与工件的感应耦合方式不同，感应加热效率也不同，典型感应耦合加热效率从高到低的排列顺序是：轴类外表面加热＞平面加热＞内孔表面加热＞内锐角加热。在工艺实践中，为提高工艺、工装设计质量和效率，节约成本，应根据设备、零件的不同，分门别类地筛选出一系列模块化通用感应器工装，如齿轮类淬火感应器（φ-H）类，其中φ表示与齿轮外径相耦合的施感导体内径尺寸，H表示与齿高相耦合的施感导体高度；轴类淬火感应器（φ-10）类，φ表示与轴外径耦合的施感导体内径，10表示用10mm×8mm矩形管制作施感导体，内孔淬火感应器（Kφ-10）类。

对于系列通用型感应器，上述工艺理论在实际工作中是十分重要的。如主轴头短锥的高频淬火，施感导体截面形状对工件淬火质量影响较大。

如图4a所示，矩形管为该施感导体的水冷圈。采用同锥度三角形截面施感体同时加热淬火方式，感应耦合间隙均匀，淬火硬化层分布也比较均匀。

在图4b中，采用了无锥度三角形施感体，形成了非均匀感应耦合间隙，在短锥口部未形成淬火硬化层。

图4c中，采用矩形管锥度施感体，感应耦合间隙均匀，但在短锥口处形成较深的硬化层。

在图4d中，采用矩形无锥度施感体，形成非均匀感应耦合间隙，短锥面形成较为均匀硬化层分布。

图4  不同施感导体在主轴头上形成的不同加热方式

图4表示在不同截面施感导体形状、磁耦合间隙情况下，主轴短锥头淬火形成的硬化层分布形态。但在实际使用中，选用如图4c方式，在工件短锥端面产生较深硬化层，因该轴端平面处需加工螺纹孔，若先加工孔再淬火，则加热时该端面孔壁薄锥面处极易产生过热或在淬火中开裂；若在淬火后再在端面钻孔或攻螺纹，则因硬化层深而难以加工，此方法工艺性不好。若采用图4d方式，虽可改善短锥面硬化层不合理情况，但在加热淬火时，却存在将主轴法兰盘上待加工孔处被淬硬或已加工孔口烧融的危险。因此，在类似短锥件感应淬火中，不适宜选用矩形管施感导体。

5.施感导体线圈匝数的选择

单圈施感感应器常用于表面比功率为0.8～2.3kW/cm²的淬火场合, 当淬火区域较宽、面积较大时，必须考虑用多匝施感线圈进行同时加热淬火或连续式加热淬火。一般高频连续式淬火用单匝施感线圈，因高频加热效率高、硬化层薄，并且单圈施感导体易于控制淬火区域起始、终了位置，减小工艺软带尺寸。对于中频淬火，由于加热效率低、透热深度较深，在机床床身类大型工件连续淬火时，要采用多圈施感导体淬火，一般是双圈，施感体前圈预热，后圈加热并自喷液淬火。

6.功率核算

一般按工艺规范选择、设计合理间隙的施感导体，就能达到工件感应加热淬火要求。当设备选定后，输出功率也基本确定，此时实际加热表面所获得的表面比功率主要决定于加热面积和加热效率，若加热面积过大，则比功率减小，不能使加热区域达到淬火温度或产生淬火软带。

参照感应加热设备设计参数及技术指标，经工厂的生产实践验证，在工艺设计中，按附表所示参数进行施感导体设计及工艺设计。

比功率及最大加热面积

现以滑块施感导体的设计来说明功率的核算，滑块及首次设计的施感导体如图5a所示，采用GP100设备连续淬火，10mm×8 mm矩形管，间隙3mm，试验中距离施感体8mm处工件表面也被加热氧化，即存在磁力线逸散，已无法控制阴线部位加热淬火区同时达到规定的温度，使硬度严重不均，A、B面基本无淬火硬度。

分析：1功率校核。按实际加热情况，连续加热表面积S_实= 44.5cm²，查附表可以得知已达最大允许加热面积，加之感应器传输损耗等使功率不足。2加热效率差别较大，A、B面加热效率最差，而散热条件又最好，很难达到加热温度。

针对存在问题改进了施感导体，如图5b所示。即分成两个仿形体，最大面积效核，图5a中S_左=15.7cm²，图5b中S_右=15.2cm²，均符合附表要求，能保证足够加热功率，淬火面数量减少便于操作，同时减小A、B面间隙，从而改善热处理状况，达到设计要求。

（a）改进前方式             （b）改进后方式

图5 滑块施感导体设计

7.关于“S仿形”设计

在不规则工件的施感线图“仿形”设计中，零件尖角效应、薄孔壁的“短路”现象都是设计中的关注点。因此这时主要是分析中频淬火感应器“仿形”设计中容易被忽略的问题。

（1）中频淬火施感导体在预热圈与加热淬火圈之间有一个端头“搭桥”，该搭桥较短（一般有效长度为15mm），电流方向与预热、加热圈电流垂直，磁场强度较弱，加热效率低，在10mm×8mm、6mm×10mm矩形管搭桥处易出现10cm、16cm软带区，因此不能将“搭桥”视为“仿形”的有效加热区。如图6a所示，“搭桥”使山形导轨根部产出软带，应改为图6b所示的加热方式。另外，需指出的是，图6a中一味考虑油沟处的仿形及操作方便，忽略了槽沟加热效率差、难以放置导磁体的问题，同样造成了淬火软带，因此，也应按图6b方式改进。

图6 导轨施感导体仿形设计

（2）“仿形”线图电磁场影响。图7是床鞍导轨中频淬火施感导体，由于淬火面错落分开，为提高施工效率，原设计按“仿形”制造了图7a式线图，从设计尺寸、淬火面的选择上看似乎还合理，但实际中却出现B面淬不上“火”的现象。

分析：从B面施感导体截面（见图7b）瞬时磁场得知，在15mm×15mm区域内，4根线圈产生的电磁场互相削弱、消耗，从而使B面感应强度降低，另外B面与其他淬火面相比散热性好，最终导致无法加热到淬火温度，既使采用导磁体也无法改变该处电场感应弱的本质。对此只能改进设计，将B面用平面型感应器单独淬火。

图7 施感导体设计中电磁场的影响

8.关于导磁体

各种规格、形式的导磁体作为感应器的一个重要组成部分，已在感应热处理中广泛使用，因为导磁体能改进磁耦合效率，可明显改善局部区域感应加热质量。导磁体在感应器中的作用如图8所示。

图8a所示为一个线圈上的电流分布，放上工件后，由于临近效应，施感线圈上很大一部分电流流过临近工件一侧的表面分布如图8b所示；图8c是放置П型磁导体后，线圈中R的电流分布图，显然此时电流被“集中”在槽口面处，从而提高了磁耦合效率。因此，在设计中必须同时考虑是否选用导磁体及导磁体位置的确定。在感应器的设计与选用中，还应以实际工件加工尺寸来确定，因为工件热处理后一般都留有预磨加工量，因此要分析工艺路线并执行冷热工艺会签制度。设计中还要注意感应器动态强度问题，尤其是中频淬火加热感应器，由于加热时工件与线圈之间电磁吸引力较大，机械强度差的感应器易造成感应器振颤，甚至出现与工件接触而发生短路现象。

图8 导磁体在施感导体上的应用

从以上讨论可知，感应加热淬火技术是一门新兴的技术学科，其中感应器的设计、选用水平高低直接关系到工件的淬火质量。影响感应器设计及选用的因素较多，但只要抓住施感导体这一主要因素，依据基本设计原理和方法，学习成功的设计经验，针对具体热处理工艺要求，综合分析感应器的磁特性、工艺性及操作特点，就可设计、选用出合理的感应器。

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