热处理设备(4)

1热处理原理、工艺及设备Principles,TechnologyandEquipmentsforHeatTreatment第三部分热处理设备（4）EquipmentsforHeatTreatment2§14感应加热设备随着科学技术的发展，表面热处理技术得到了广泛的应用。表面热处理可以提高产品质量，缩短生产周期和改善劳动条件，提高生产组织水平。目前应用最广泛的表面热处理是感应热处理，它可应用于淬火、回火、正火、调质、透热等，适用于机械化大生产，可通过计算机控制实现无人操作。感应加热示意图感应加热示意图激光加热表面淬火3§14.1感应加热概述一、感应加热的基本原理感应加热的物理基础将工件放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，在其内部产生交变磁场，由交变磁场激发的感应电势将在工件的表面产生感应电流，这种电流又称涡流。因为工件材料的电阻很小，所以不大的感应电势便造成强度很大的涡流，从而释放出大量的焦耳热，使工件表面层温度迅速升高。4§14.1感应加热概述集肤效应：涡流在工件表面最大，由表面向心部呈指数规律衰减的现象。感应电动势的瞬时值：e＝-dø/dt(V)式中：dø/dt表示磁通ø对时间的变化率，负号表示感应电动势方向与dø/dt方向相反。电流透入深度：工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于表面最大涡流强度的0.368倍时，该处到表面的距离称为电流透入深度。对于碳钢：δ=500·f-1/2(mm)f－电流频率5§14.1感应加热概述感应加热的物理过程感应加热开始时，工件处于室温，电流透入深度很小，仅在此薄层内进行加热。但温度超过A2点后，表面由铁磁性变为顺磁性，表面电流密度下降，而在紧靠顺磁体层的铁磁体处，电流密度剧增，此处迅速被加热，温度也很快升高。由此，工件截面内最大密度的涡流由表面向心部逐渐推移，同时自表面向心部依次加热。这种加热方式称为透入式加热。与此同时，由于热传导的作用，热量向工件内部传递，加热层厚度增厚，这时工件内部的加热和普通加热相同，称为传导式加热。6§14.1感应加热概述透入式加热较传导式加热有如下特点表面的温度超过A2点以后，最大密度的涡流流向内层，表层加热速度开始变慢，不易过热，而传导式加热随着加热时间的延长，表面继续加热容易过热；加热迅速，热损失小，热效率高；热量分布较陡，淬火后过渡层较窄，使表面压应力提高。7§14.1感应加热概述二、感应加热设备的分类工频应加热设备f＝50Hzδ10mm，适用于大型工件（如冷轧辊）中频感应加热设备f＝500~10000Hzδ≈5mm，适用于中小型工件高频感应加热设备f＝100~300kHzδ3mm，适用于大多数工件表面淬火8§14.1感应加热概述9§14.1感应加热概述三、中高频电流的特点1、集肤效应定义：当交变电流通过施感导体时，导体的表面的电流密度最大，越向导体内部电流密度越小，这种现象称集肤效应(或称表面效应)。电流的频率越高，集肤效应越显著。10§14.1感应加热概述涡流由表面向心部衰减规律（指数规律）I0－表面涡流强度c－光速ρ－工件材料的电阻率u－工件材料的导磁率x－距工件表面的距离f－交流电频率)2exp(0xfcIIx11§14.1感应加热概述当f很高时，电流大部分集中在导体表面，心部已无电流，这样导致导体的有效电阻增加，导体发热显著增加。因此，感应器的施感导体常采用空心的铜管制成，管内通水冷却，以降低施感导体温度。12§14.1感应加热概述2、临近效应定义：当两个载有高频电流的导体彼此相距很近时，每个导体内的电流将重新分布。如果两个导体中电流方向相同，则最大电流密度将出现在两导体相背的一面，如果两个导体中电流方向相反，则最大电流密度将出现在两导体相邻的一面。这种电流向一侧集中的现象叫临近效应。导体内电流的频率越高，邻近效应越明显。13§14.1感应加热概述14§14.1感应加热概述3、圆环效应定义：当高频电流流过环形导体时，电流在导体横截面上的分布将发生变化，此时电流仅仅集中在圆环的内侧，这种现象叫圆环效应。圆环的曲率半径越小，径向宽度越大，圆环效应也越明显；电流的频率越大，圆环效应也越显著。15§14.1感应加热概述当加热圆柱体的外表面时，圆环效应与邻近效应一致，感应器中的电流与工件表面靠近。但是对于加热内孔的感应器来说，圆环效应与临近效应不一致，圆环效应使电流在感应器施感导体内侧流过，因而电流距内孔表面较远，邻近效应减弱，使加热效率降低。16§14.1感应加热概述4、尖角效应定义：当用感应器加热不规则形状工件表面时，工件的尖角部位的加热强度远较其它光滑平坦部位强烈，往往会造成过热(例如，齿轮的齿顶部位)，这种现象称做尖角效应。尖角效应是由于磁力线易于在尖角处集中，感应涡流较强的缘故。为了克服这一现象，在设计形状不规则的工件时，应适当加大尖角或凸出部位与感应器之间的间隙。17§14.1感应加热概述18§14.2感应加热设备一、工频感应加热设备19§14.2感应加热设备构成：供电系统＋工艺装备系统f=50Hz（或60Hz）f=50Hz时，δ＝15mm当温度高于居里点（700℃）时，δ＝75mm工频感应加热速度小于中、高频感应加热，特别是在居里点以上时，加热速度更低，因而热应力较小，热应力引起的变形与开裂的可能性也较小，造成过热的危险性也较小。不需要变频设备，设备简单，投资较低；20§14.2感应加热设备二、中频感应加热设备f=50~10000Hz，又称音频感应加热设备目前主要有中频发电机和可控硅（晶闸管）变频器两种。中频发电机是使用较早而广泛的设备，可控硅变频器是一种较先进的设备，它有许多优点，在工业中也得到迅速地发展和推广使用。中频发电机组构成：电动机＋中频发电机＋激磁用电动机和发电机＋电容器＋降压变压器＋感应器21§14.2感应加热设备22§14.2感应加热设备三、高频感应加热设备高频感应加热设备实质上就是一种大功率的频率变换装置，它将50Hz的工频电流转换成几百千赫的高频电流，以满足感应加热的需要。电流频率越高，加热工件时电流透入深度越浅，涡流强度越大，热量越集中，因而加热速度越快，淬硬层也越薄，所以高频感应加热设备多用于要求淬硬层小于1mm的中、小型零件。23§14.2感应加热设备24§14.2感应加热设备高频感应加热设备构成：阳极升压变压器＋高压整流器＋电子管式高频振荡器＋高频降压变压器（淬火变压器）高频技术发展方向：电子管式向晶体管式改变25§14.2感应加热设备四、感应加热设备的选择电流透入深度δ：根据集肤效应，工程上规定当Ix降至I0的1/e（e＝2.718）处的电流深度称为电流透入深度。钢铁材料热态电流的透入深度比冷态电流透入深度大几十倍，钢铁在800~900℃时δ＝500/f1/2感应加热时，δ热越小，则淬硬层深度x越浅；反之，f越小，δ热越大，则x越深。26§14.2感应加热设备如果时δ热x，则加热时热量只集中于表层，要靠热传导传热，加热速度慢，生产率低，过渡层大，但功率可小；如果时δ热≥x，加热速度快，表面辐射损失小，过渡层浅，但功率大。生产经验：1.5×104/x2≤f≤2.5×105/x2例如：x＝2.0时,fmax＝60000Hz,fmin＝4000Hzf最佳＝15000Hz所以采用真空管或机式感应加热设备。27§14.2感应加热设备五、感应加热设备功率的确定工件单位面积功率P0＝P·η/F(kW/cm2)P－设备的总功率，kWη－设备的效率，%F－工件的加热面积，cm2工件单位面积功率P0是计算工件加热总功率和选择设备的依据。P0与淬硬层深度、工件大小、加热时间、电流频率和加热方式等因素有关，其大小直接影响工件的加热速度和淬硬层深度。28§14.2感应加热设备对尺寸较小的工件，宜采用P0大一些，反之宜小一些。此外，加热方式对P0的选择也有影响。在选择总功率P时，设备的效率应将变压器效率、感应器效率和回路线传输效率等考虑进去，且总功率满足工艺要求。29§14.3感应加热器设计概要感应器设计得是否合理会影响到加热层的形状和深度以及设备功率能否正常发挥等。因此，感应器的设计对提高产品质量和经济效益至关重要。一、感应器结构尺寸的设计感应器的设计需要根据工件的形状、尺寸以及热处理技术要求来设计，由施感导体（感应圈）和汇流板两部分组成。30§14.3感应加热器设计概要31§14.3感应加热器设计概要感应器的设计主要包括：感应线圈的形状、尺寸、圈数，感应圈与工件的间隙，汇流板的尺寸与连接方法，冷却方式等。其结构尺寸主要根据中、高频电流的特点以及感应线圈的使用寿命等等来考虑。32§14.3感应加热器设计概要1、感应器与工件的间隙感应器与工件的间隙大小直接影响到感应器的功率因数。间隙大，功率因数低；间隙小，功率因数高，电流透入深度浅，加热速度快。但间隙过小，操作不方便，易产生短路，降低使用寿命。间隙大小还受到设备的功率和淬硬层深度的影响，设备功率大则间隙大，设备功率小则间隙小。中频加热应比高频大，连续加热因要考虑移动也要大一些。33§14.3感应加热器设计概要2、感应器的尺寸1）感应器的内径外圆表面加热用的施感导体采用矩形或方形截面的铜管绕成。内径：D＝D0＋2a（mm）D0－工件的直径，mma－工件表面与施感导体内表面的间隙34§14.3感应加热器设计概要2）感应器的高度施感导体的高度会直接影响淬硬层分布。长轴件进行局部一次性加热：H＝L＋8~10(mm)L－淬硬区的长度短轴零件进行局部一次性加热：H＝L－2a(mm)a－感应器与工件间隙，mm当轴形件淬硬层较长时，可采用多圈感应器。35§14.3感应加热器设计概要3、施感导体的圈数当工件直径较小，而淬硬区又较长时，可采用双圈或多圈施感导体，有较高的热效率。多圈感应器可以改善汇流板与施感导体间的电压分配，增加施感导体上的电压。但圈数也不宜过多，过多时使阻抗增加，功率因数下降，效率低。36§14.3感应加热器设计概要4、冷却水路冷却水管的尺寸与电流频率、电流透入深度、加热方式和散热条件有关。采用同时加热法时，要另设喷水圈或淬火槽进行淬火冷却。采用连续加热淬火法时，可采用自喷式感应器，当要求喷水量较大时，在感应器下方另设独立喷水圈。5、汇流板尺寸汇流板：感应圈两端与电源的连接部分。37§14.3感应加热器设计概要二、导磁体和屏蔽作用1、导磁体圆环效应使电流集中于感应器内侧，有利于加热圆柱零件。对于加热圆筒形零件内表面，则应在感应器上设置导磁体将电流从内侧驱赶到外侧，以加强临近效应，改变加热区温度分布，提高热效率。38§14.3感应加热器设计概要2、电磁屏蔽对工件上不需要加热的凸台或尖角处加上铜环或铁磁材料环，在环中因漏磁而产生涡流，涡流所产生的磁场方向与感应加热的磁场方向相反，使磁力线不能穿过那些不需要加热的部位，而起到屏蔽作用。例如：对键槽、油孔打入铜钉进行屏蔽，避免工件加热时产生的过热或裂纹。39§14.3感应加热器设计概要40§14.4淬火机床按生产方式分类：通用机床、专用机床和生产线三大类。构成：机架、升降部件、零件装夹及移动部件、传动机构、上下料机构、工艺参数及程序控制机构等。41§14.5其它表面加热装置一、火焰表面加热装置42§14.5其它表面加热装置43§14.5其它表面加热装置二、激光表面加热装置