高頻電阻感應(yīng)加熱技術(shù)及應(yīng)用

1、高頻電阻感應(yīng)加熱技術(shù)及應(yīng)用一、高頻電阻感應(yīng)加熱原理高頻感應(yīng)加熱技術(shù)已有幾十年的歷史，感應(yīng)加熱具有加熱速度快、節(jié)省能源、質(zhì)量可靠、氧化脫碳少、工件變形小、公害少、工藝簡單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化和組織流水線生產(chǎn)等特點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外感應(yīng)加熱技術(shù)在提高產(chǎn)品質(zhì)量，發(fā)揮材料潛力，降低生產(chǎn)成本，改善設(shè)備性能等方面都有了很大進(jìn)展，在工業(yè)上獲得廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)的高頻感應(yīng)加熱只是一種單純的感應(yīng)加熱，感應(yīng)加熱的主要依據(jù)是：電磁感應(yīng)（表面效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、環(huán)狀效應(yīng)），“集膚效應(yīng)”和熱傳導(dǎo)三項(xiàng)基本原理，對平面類和內(nèi)孔類零件的加熱電效率低、硬化層深度不易控制。高頻電阻感應(yīng)加熱技術(shù)是在20世紀(jì)80年代初美國首先采用的加工

2、方法，開始在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套內(nèi)壁上應(yīng)用。其加熱原理如圖1所示，通高頻電源時(shí)，工件、電極和感應(yīng)器連成一回路，感應(yīng)器下方的工件表面既是受感導(dǎo)體，又是高頻電路中的一段導(dǎo)體。這樣工件局部表面不僅被感應(yīng)加熱，而且還被電阻加熱。加上感應(yīng)器和工件表面的的電流走向相反，形成反向電流系統(tǒng)，產(chǎn)生鄰近效應(yīng)，感應(yīng)器下方的電流電流密度高度集中。與傳統(tǒng)的高頻感應(yīng)加熱相比，工件表面電流更集中，密度更大加熱速度也更快。采用這種高頻電阻加熱淬火，可以獲得很高的電流密度，加熱的功率密度是傳統(tǒng)感應(yīng)加熱的數(shù)倍，因此可以對工件表面實(shí)施高能密度的熱處理，且淬硬層在兩塊電極之間感應(yīng)器下方。高頻電阻感應(yīng)局部表面加熱設(shè)備簡單，操作也和傳統(tǒng)感應(yīng)加

3、熱一樣方便。一般的高頻爐可很方便地改成高頻感應(yīng)電阻局部加熱設(shè)備。更突出的是感應(yīng)器可以制成曲線或彎曲面，淬火面可以是平面、弧面或曲面，很適用于某些復(fù)雜零件特殊部位的局部表面加熱淬火，另外這種淬火有時(shí)無需專門冷卻介質(zhì)（加熱自冷方式），淬火后可采用自回火無需重新加熱回火，零件的畸變量小。 圖1 高頻電阻感應(yīng)加熱原理二、高頻電阻感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例1、 汽車轉(zhuǎn)向齒條的高頻淬火圖2、轉(zhuǎn)向齒條示意圖齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)件少、質(zhì)量輕、成本低、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)大多數(shù)的轎車都采用這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。而轉(zhuǎn)向齒條（如圖 2 ）是齒條齒輪式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的一個(gè)關(guān)鍵保安主件，方向盤操縱轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)內(nèi)的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，

4、小齒輪與轉(zhuǎn)向齒條緊密嚙合，推動(dòng)轉(zhuǎn)向齒條左移動(dòng)或右移動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪擺動(dòng)，從而改變汽車行駛的方向。轉(zhuǎn)向齒條的每個(gè)齒表面與小齒輪的每齒表面產(chǎn)生接觸摩擦力，因此根據(jù)服役條件，轉(zhuǎn)向齒條應(yīng)具有一定的剛度、高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向齒條是用15Cr或20Cr等滲碳合金鋼采用整體滲碳淬火的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向齒條表面的硬化和強(qiáng)化，使轉(zhuǎn)向齒條具有很高的耐磨性能，但這種方法零件的熱處理變形大、校正難度大、效率低、工作環(huán)境差，成本高?，F(xiàn)行轉(zhuǎn)向齒條由于高頻電阻感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用而采用35、45、40Cr或38Cr材料制造，用高頻淬火的方法使齒條齒面齒背部位硬化強(qiáng)化。轉(zhuǎn)向齒條的高頻淬火的技術(shù)要求如圖2，齒面和齒背包角18

5、0°±20°局部高頻淬火，表面硬度4855HRC。齒面的淬火裝置如圖3，齒背包角180°±20°局部淬火裝置如圖4。圖3 齒條齒面面高頻淬火裝置示意圖圖4 齒條齒背高頻淬火裝置示意圖工藝過程如下：轉(zhuǎn)向齒條放在淬火機(jī)床的托架上，托架夾緊油缸上升，齒條淬火電極緊壓齒兩端的平面（或齒背面），電極、齒條和感應(yīng)器連成一個(gè)回路，感應(yīng)器與齒面（或齒背）尚有適宜的間隔距離，距離大小可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣齒面（或齒背）既是受感導(dǎo)體，又是高頻電路中的一段導(dǎo)體。加熱時(shí)高頻感應(yīng)電流和高頻電路中的電流匯合在一起同時(shí)對齒面（或齒背）進(jìn)行加熱，加熱速度非?？?。

6、斷電后馬上從感應(yīng)器向齒面（或齒背）噴射淬火介質(zhì)，進(jìn)行淬火，加熱、冷卻時(shí)間可以自動(dòng)控制。整個(gè)操作過程通過PLC進(jìn)行控制。另外通過調(diào)整加熱速度（加熱時(shí)間、加熱功率）、冷卻時(shí)間和冷卻液的溫度、濃度、噴射壓力等方法可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向齒條的自回火，無需再加熱回火。該工藝的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率很高，加熱時(shí)間4秒左右，工作時(shí)間加輔助時(shí)間在20秒以內(nèi)（即節(jié)拍20秒）（振蕩功率為100KW的高頻電源），是齒條加工工序中生產(chǎn)率最高的工序；零件的熱處理變形小、表面硬度均勻、硬化層分布合理、工作環(huán)境好。2、 閥套內(nèi)孔的高頻淬火閥套如圖5，材料45鋼，高頻淬火的要求：22×28內(nèi)孔高頻淬火、回火，硬化層深度0.51.8mm

7、，表面硬度5060HRC。圖5 閥套示意圖 該零件按傳統(tǒng)的高頻淬火工藝進(jìn)行有以下的難度：1、用線圈加熱內(nèi)孔是靠線圈的外表面加熱，加熱速度慢；2、內(nèi)孔小，線圈只能用較細(xì)的銅管制造，當(dāng)通水量小時(shí)，容易燒毀線圈；3、為了提高感應(yīng)器的加熱效率，增大鄰近效應(yīng)的有利作用，感應(yīng)器離內(nèi)壁的距離盡量小，那么淬火機(jī)床和夾具的定位精度要高；4、內(nèi)孔高頻淬火易產(chǎn)生淬硬層深度不均，硬度偏低；5、閥套的壁厚?。ㄗ畋√幉蛔?mm），加熱時(shí)間長，外表面溫升快，產(chǎn)生回火色，同時(shí)淬火時(shí)內(nèi)孔會(huì)縮小?，F(xiàn)采用如圖6的裝置進(jìn)行高頻淬火。75KW的高頻電源加熱時(shí)間1秒左右，速度非?？?，硬度高且均勻，硬化層分布均勻，變形量小。圖6 套閥內(nèi)孔高頻淬火裝置示意圖三、對高頻電阻感應(yīng)加熱淬火工藝的幾點(diǎn)體會(huì)1、 為提高電極的使用壽命，電極要用具有高溫強(qiáng)度的銅鉻合金制造。淬火時(shí)電極要用淬火介質(zhì)冷卻，否則會(huì)降低電極壽命；2、 感應(yīng)器的形狀、與工件表面的間隔距離可影響淬火硬化層的分布和深度，應(yīng)高度重視。感應(yīng)器與零件之間的間隙應(yīng)盡量??；3、 通過控制加熱速度和冷卻時(shí)間，可很方便實(shí)現(xiàn)工件的自回火；4、 工件的裝夾夾緊力沒有