謝文，許剛

1.十堰天舒感應(yīng)設(shè)備有限公司 湖北十堰 442002

2.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北十堰 442001

1 零件結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求

某零件內(nèi)孔直徑為31.7mm，外徑為48mm，長94.5mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

技術(shù)要求：材料為40CrB鋼，內(nèi)孔感應(yīng)淬火，表面硬度52~59HRC，淬硬層深Ds＝1.5~3.0mm（45HRC）。

圖1 零件結(jié)構(gòu)

2 技術(shù)分析

感應(yīng)加熱表面淬火是利用電磁感應(yīng)原理，在工件表面層產(chǎn)生密度很高的感應(yīng)電流，將零件表層迅速加熱至奧氏體狀態(tài)，隨后以大于臨界冷速快速冷卻得到馬氏體組織的淬火方法。

高頻電流流過環(huán)狀導(dǎo)體時，最大電流密度分布在環(huán)狀導(dǎo)體內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象稱之為圓環(huán)效應(yīng)，如圖2所示。

圓環(huán)效應(yīng)使感應(yīng)器上的電流密集到感應(yīng)器內(nèi)側(cè)，對加熱零件外表面十分有利，但在加熱零件內(nèi)孔時，此效應(yīng)使感應(yīng)器電流遠離加熱零件表面，這是有害的，如圖3所示[1]。

為了提高感應(yīng)器的加熱效率，根據(jù)感應(yīng)加熱的槽口效應(yīng)，需要添加形導(dǎo)磁體。

圖3 電流遠離加熱零件表面（一般取a＝1.5mm）

圖4 感應(yīng)器有效圈裝上了形導(dǎo)磁體

根據(jù)以上理論，設(shè)計如下2種感應(yīng)器，分別從感應(yīng)器結(jié)構(gòu)、功率和掃描速度、淬火層深及感應(yīng)器壽命進行比對分析。

3 常規(guī)內(nèi)孔掃描加熱噴水淬火方式

常規(guī)內(nèi)孔加熱、噴水掃描淬火感應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖5所示。淬火參數(shù)見表1，檢測結(jié)果見表2。

圖5 常規(guī)內(nèi)孔加熱、噴水掃描淬火感應(yīng)器結(jié)構(gòu)

表1 常規(guī)內(nèi)孔加熱、噴水掃描淬火參數(shù)

表2 常規(guī)內(nèi)孔加熱、噴水掃描淬火檢測結(jié)果

這種感應(yīng)器的優(yōu)點是制作、調(diào)試方便，缺點是由于內(nèi)孔直徑很小，感應(yīng)器所用銅管也很小，因此沒有充足的空間布置噴水盒。此類型感應(yīng)器的有效圈是靠淬火水冷卻的，但是為了保證工件的淬火質(zhì)量，使工件淬火后不易開裂，淬火冷卻介質(zhì)為在蒸餾水中添加了濃度5%的APG水基淬火液，以降低工件的冷卻速度，這樣也就同時降低了淬火水對感應(yīng)器的冷卻能力。另外，在淬火過程中，為了保證加熱正常進行，淬火液的壓力又不能過大，必須確保“不反水”而影響加熱，這就進一步降低了淬火水對感應(yīng)器的冷卻能力。生產(chǎn)中如果出現(xiàn)噴水孔堵塞的情況，淬火水對感應(yīng)器的冷卻能力會再一次下降，稍有不慎感應(yīng)器就很容易燒毀。

為了解決感應(yīng)器使用壽命的問題，提高生產(chǎn)效率，我們對感應(yīng)器結(jié)構(gòu)和淬火方式進行進一步研究和改進。

4 內(nèi)孔加熱、外圓噴水淬火的方式

經(jīng)查閱相關(guān)文獻[2]，40C r B鋼的淬透性在24~26mm，如圖6所示。

零件內(nèi)徑為31.7mm、外徑為48mm、壁厚為8.15mm，而40CrB的淬透性為24~26mm，遠超過零件的壁厚8.15mm，因此做出如下設(shè)想：內(nèi)孔感應(yīng)器加熱，外圓噴水冷卻淬火，設(shè)計制作出的新型感應(yīng)器如圖7所示。改進淬火參數(shù)見表3，檢測結(jié)果見表4。

圖640CrB鋼的淬透性曲線

圖7 內(nèi)孔加熱、外圓噴水淬火的方式

表3 內(nèi)孔加熱、外圓噴水淬火參數(shù)

根據(jù)參考文獻[1]，當(dāng)感應(yīng)器的設(shè)計滿足5＜ 長/高＜10時，認為感應(yīng)器設(shè)計是良好的，此時感應(yīng)器效率較高。對于本文所設(shè)計的新型感應(yīng)器，由5＜26.5πn/h1＜10，得出0.06＜n/h1＜0.12，即認為此感應(yīng)器設(shè)計良好、效率較高。根據(jù)圖7和表3的設(shè)計參數(shù)，n＝5，h1＝50mm，那么n/h1＝0.1，則感應(yīng)器設(shè)計合理，效率較高。

表4 內(nèi)孔加熱、外圓噴水淬火檢測結(jié)果

根據(jù)表4檢測結(jié)果，此種內(nèi)孔掃描加熱、外圓噴水完成內(nèi)孔淬火的方式是合理的，且效率比常規(guī)的內(nèi)孔掃描噴水淬火的方式速度提高了40%，產(chǎn)能相應(yīng)增加了40%。

另外，由于內(nèi)孔無需噴水，感應(yīng)器可以通高壓冷卻水，所以感應(yīng)器的使用壽命大幅提高。

該感應(yīng)器的不足之處是對工裝要求較高，如果工裝設(shè)計或噴水盒位置調(diào)整不合理，會出現(xiàn)淬火起始位有8~10mm沒有淬火層深，如圖8所示。工裝設(shè)計改進之后，噴水盒位置與感應(yīng)器內(nèi)孔加熱位置調(diào)整合適，淬火起始位置可達到圖9所示的效果。

圖8 下側(cè)起始淬火位置

圖9 工裝改進后下側(cè)切樣照片

此外由于感應(yīng)器是多匝的，因此無法按常規(guī)感應(yīng)器添加硅鋼片，內(nèi)孔必須添加導(dǎo)磁泥，且導(dǎo)磁泥、灌封膠、凝固劑的比例必須合適（導(dǎo)磁泥 : 灌封膠A : 凝固劑B＝6.5 : 5 : 1），且單次只能按比例調(diào)配1~2個進行灌裝。如果配方不合適，或者一次灌裝多個，在導(dǎo)磁粉灌裝時會因固化先后順序不一致而導(dǎo)致流動性變差，出現(xiàn)填充不飽滿的情況（見圖10），如此會造成感應(yīng)器效率不一致。

圖10 導(dǎo)磁粉灌裝沒有填充飽滿

5 兩種淬火方式對比

兩種淬火方式對比見表5。

表5 兩種淬火方式對比