热处理的高端感应加热方案

热处理的高端感应加热方案

感应加热处理在100多年前开始为人所知，它的工业应用早在20世纪初就开始了。仅用高频电子管振荡器和中频电动发电机就可以完成许多任务的快速加热方式已存在了很多年。

现在，生产方案不仅更加灵活、多变，而且也更复杂。对用户而言，具备更高可靠性的设备和更简化的人机界面(HMI)已经成为一种潜在的需要，因为这能够简化机器的操作以及工艺的控制。

在这篇文章中，本人首先提出一个在感应加热中应用的最新的技术，然后阐述一些感应加热方面的特别应用的示例。

一、现代技术

1.电源

与20世纪60年代应用的电源大不相同，现在的电源是非常完善的，以晶体管为基础，它们在效率、功率和频率方面获得了很大的提高。IGBT晶体管作为基础功率元件代表了现在绝大部分电源的部件。EFD在80年代开发了非常便捷的电源，取名为MINAC（见图1）。这种电源是当今在其功能范畴内体积最小的电源，它能够满足双输出不同功率的输出变压器，以完成两种不同的作业。不难想象，这将给用户带来巨大利益。

图1 MINAC 18/25 Twin

另一个重要创新是中频和高频电源模块同时输送给一个单线圈的专利方案，以MFC技术命名（多频率概念）。EFD创造了(SINAC S MFC系列)的整个电源系列，以适应热处理方案的商业用途，用单个系列的电源电柜、大范围的解决方案和根据需要的混合功率，来完成高功率应用。SINAC 200/100 S MFC如图2所示，SINAC S MFC输出站如图3所示。

图2 SINAC 200/100 S MFC

图3 SINAC S MFC输出站

属于不同商业用途的主要应用包括：

（1）商业热处理车间，当需要一个小体积电源来取代独立的中频、高频电源和机床——一个机床，一个线圈，一个电源。

（2）齿轮淬火，当需要混合的频率（如锥形齿轮，小链轮齿等）。

（3）其他的部件，为达到热处理的仿形效果，或者当材料由薄转厚时的一个扫描过程（例如传动部件等），而不需要更换感应线圈、电源。

2. 实时过程监控

一个重要的改变是质量监控系统的增加，不仅是新的机器，而且许多翻新的现有生产线也需要这种方案。在这种情况下，用户需要一个灵活的方案用于实时地同时监测几个过程。这种单元通常建立在工业PC上，一些特殊软件和相应探测器实时监控生产参数。通过这种系统来监测各种参数。我们可以考虑一些重要参数：功率（kW）或能量（kW/s）；频率（kHz）；加热时间(s)；淬火液流量(L/min)；淬火液温度(℃)；淬火延时(s)；表面温度(℃)；其他。

在实时过程监控中最有趣的是信号分析，它在一个固定的采样率上连续不断地控制所有的参数。该采样率必须可以根据处理过程来调整，很容易理解，一个10kHz（每秒钟对所有参数采样10次）的取样率对一个120s的热处理过程已经是足够的了，但对于如加热时间范围在0.2～0.5s的齿轮仿形淬火过程，则需要1000kHz的取样率。通过信号分析，事实上，参考一个被考虑成破坏性的采样曲线，通过采样获得一个可比较的总能量，在加工过程中参数的变化不会带来相关问题。实时监控系统主屏幕如图4所示。

图4 实时监控系统主屏幕

二、实例

1.飞机引擎的齿轮淬火设备

这种设备使用我们标准PM设备并安装SINAC S MFC电源（见图5）。西门子840D和我们独有的RTM100，同时监控工艺过程和设备，实时提供最可靠的过程控制。根据客户的需求，使用MFC技术的电源可以同时或分开输送中频和高频。

图5 使用SINAC S MFC的PM设备

对齿轮这个特别工件，加热时间是非常短的（低于0.2s）。工件旋转速度设置在

600r/min左右，当淬火时降低至50r/min。一个CNC控制轴保证这个特性。根据工件

结构，淬火可以通过喷淋或直接将工件浸透在淬火液中实现。应用实例如图

曲轴淬火感应器选用及保养要点

曲轴轴颈感应淬火的目的，是提高轴颈硬度，增加其耐磨性；当轴颈圆角部份连同淬上时，更提高了曲轴疲劳强度。曲轴的淬火部位 ,一般包括主轴颈、连杆颈、法兰油封面与前轴颈等部位，示如图1

：

图1 曲轴淬火的各部位示意

曲轴淬火感应器就是为这些部位进行淬火的工具，其有效圈的尺寸，亦随轴颈的直径、开挡宽度淬火宽度而异。

1、曲轴颈淬火区域，有以下多种：

（1）、只淬轴颈表面，如图2-1。

（2）、轴颈表面及圆角部位同时淬硬，如图2-2。

（3）、轴颈表面及止推面同时淬硬，如图2-3。

（4）、轴颈止推面单独淬硬，如图2-4。

（5）、法兰油封面及前轴油封面的淬火，如图2-5。

2、曲轴淬火感应器的结构：

曲轴颈淬火，最早是采用分合型的，因为曲柄挡住了有效圈进入靠近轴颈表面，只能用分合方式，才能进该部位。这种感应器结构简单，但存在淬硬区宽度在轴颈圆周上分布不均匀及轴颈上油孔易淬裂和不易进带圆角淬火等缺点，因此，从20世纪60年代以来，已呈淘汰趋势。随之取代分合型的，是旋转加热曲轴半环型感应器，这种现代化的曲轴淬火感应器已为一汽集团、一拖集团、东汽集团所属发动机、柴油机厂采用。半环型曲轴淬火感应器,根据淬火方式的不同，又可分为浸淬式（不带喷液器）与喷液式（带喷液器两种，典型的曲轴感应器，见图3。

图3 典型的曲轴淬火感应器

半环型曲轴感应器，因其结构复杂、制造精度高。因此，早期曾依赖进口，20世纪80年代后，国内开始研

成功，现已完全国产化，并且有自已设计的中国风格产品供应国内用户，为国家节省了大量外汇。

图4是洛阳升华感应加热有限公司自行设计制造的大型曲轴感应器，轴颈直径为D=230mm。

3、曲轴淬火感应器的保养

曲轴淬火感应器是一种精密昂贵的工模具，保养是否合理，直接影响感应器的使用寿命，因此，注意感应的合理保养是十分重要的。

（1）保持有效圈工作面清洁

图5是半环型感应器的加热圈工作面，曲轴有效圈工作时，会吸附轴颈表面上的铁沫，如果不是每班清擦净，会形成硬壳，既影响感应器效率，还会使有效圈与工件间隙变小，产生短路，烧坏有效圈。