感應(yīng)加熱裝置

1、 職業(yè)教育材料成型與控制技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫金屬材料與熱處理課程感應(yīng)加熱裝置主講教師：馬晶西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院感應(yīng)加熱裝置一、感應(yīng)加熱原理感應(yīng)加熱就是利用感應(yīng)電流通過工件產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面局部加熱，繼之快速冷卻，以獲得M組織的工藝。1. 感應(yīng)加熱的特點(diǎn)1）熱源在工件表層，加熱速度快，熱效率高。2）工件不是整體加熱，變形小。3) 工件加熱時(shí)間短，表面氧化脫碳量少。4）工件表面硬度高，缺口敏感性小，沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度以及耐磨性等均有很大提高。這樣有利于發(fā)揮材料的潛力，節(jié)約材料消耗，提高零件使用壽命。5）設(shè)備緊湊，使用方便，勞動(dòng)條件好。6）不僅用在表面淬火還可用在穿透加熱與化學(xué)熱處理等。2. 感

2、應(yīng)加熱的分類根據(jù)所用電流頻率的不同，將感應(yīng)加熱裝置分為高頻感應(yīng)加熱裝置、中頻感應(yīng)加熱裝置和工頻感應(yīng)加熱裝置。高頻感應(yīng)加熱表面淬火：電流頻率為100500kHz，最常用頻率為200300kHz，可獲淬硬層深度為0.52.0mm。主要適用于中、小模數(shù)齒輪及中、小尺寸軸類零件的表面淬火。中頻感應(yīng)加熱表面淬火：電流頻率為50010000Hz，最常用頻率為28008000Hz，可獲淬硬層深度為35mm。主要用于要求淬硬層較深的較大尺寸的軸類零件及大中模數(shù)齒輪的表面淬火。工頻感應(yīng)加熱表面淬火：電流頻率為50Hz，不需要變頻設(shè)備。可獲淬硬層深度為1015mm。適用于軋輥、火車車輪等大直徑零件的表面淬火。3.

3、 感應(yīng)加熱的原理感應(yīng)加熱表面淬火在航空工業(yè)中廣泛應(yīng)用。圖1是高頻感應(yīng)加熱表面淬火示意圖。從圖中可見，欲淬火的鋼件被套在感應(yīng)加熱器內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)加熱器接入高頻電流時(shí)，在它周圍便產(chǎn)生交變磁場，同時(shí)零件中亦產(chǎn)生頻率相同而方向相反的感應(yīng)電流，由于“集膚圖1 感應(yīng)加熱的原理圖效應(yīng)”的緣故，感應(yīng)電流主要集中在工件表層，并且愈靠近表面，電流密度愈大，頻率愈高。在接入的高頻電流頻率很高的情況下，感應(yīng)電流全部集中在工件的最表層，而心部的電流密度幾乎等于零。其結(jié)果僅需幾秒或幾十秒就使工件表層迅速升溫至淬火溫度。當(dāng)工件通過噴水套時(shí)，即完成淬火。二、中頻感應(yīng)加熱裝置中頻感應(yīng)加熱裝置的電流頻率一般在1000-8000Hz，

4、適用于加熱深度大于3mm直徑為20-500mm工件的感應(yīng)加熱，多用于鋼鐵零件的表面淬火，也可用于回火、正火及熔煉金屬等。在汽車、拖拉機(jī)等制造業(yè)中，曲軸和凸輪軸等零件的表面淬火多采用中頻感應(yīng)加熱裝置。中頻裝置的頻率有1000、2500、4000、8000Hz等，其中2500Hz和1800Hz兩種應(yīng)用最多，功率從數(shù)十千瓦至數(shù)百千瓦。中頻感應(yīng)加熱裝置的中頻電源有中頻發(fā)電機(jī)組和晶閘管中頻電流兩種，應(yīng)用最廣又較早問世的是發(fā)電機(jī)組。它早在20世紀(jì)20年代初期就已應(yīng)用于感應(yīng)加熱，自1966年研制成較發(fā)電機(jī)組優(yōu)異的晶閘管變頻器（即晶閘管中頻裝置）后，前者就逐漸被后者所取代。本節(jié)只介紹晶閘管中頻電源感應(yīng)加熱裝置

5、。1.中頻感應(yīng)加熱裝置牌號(hào)僅舉一例，K/0.5，表示可控硅變頻器，頻感應(yīng)加熱中頻（0.5KHz）爐，輸出功率350，淬火、焊接兩種用途。頻率3060KHz。(1)中頻爐的應(yīng)用1)適于加熱深度為3mm，20500mm，工件的感應(yīng)加熱?？捎糜阡摷拇慊?，亦可正火、回火。2)在汽車、拖拉機(jī)的制造業(yè)中，曲軸、凸輪軸，多采用中頻爐表面淬火。以晶閘管變頻中頻爐為最常見。這是一種利用晶閘管將三相電流，變?yōu)閹装賻浊z單相直流電的裝置。因此，晶閘管是其核心元件。晶閘管，亦稱可控硅，它是一種大功率整流元件。常見的普通晶閘管由4層半導(dǎo)體組成。第一層P是陽極A，第二層是控制極G，第三層P是控制極，第四層N是陰極K。

6、它和二極管一樣，是單向?qū)щ姷钠骷瑓^(qū)別僅在于多了一個(gè)控制極它的結(jié)構(gòu)是四層三端結(jié)構(gòu)元件共有三個(gè)結(jié)?？梢园阉闯捎?個(gè)和1個(gè)管組成的裝置。晶閘管的工作原理是，當(dāng)極加正電壓，流到陰極的電流經(jīng)過管子內(nèi)部就有放大作用，此時(shí)極輸入一個(gè)正向信號(hào)，就會(huì)實(shí)現(xiàn)整流。在中頻感應(yīng)加熱爐的電路里，還有振蕩電路，實(shí)現(xiàn)變頻要求。具體原理此處從略。2.晶閘管變頻中頻爐的特點(diǎn)1）與已經(jīng)淘汰的發(fā)電式中頻感應(yīng)加熱爐比較,它的體積小,重量輕,噪音和振動(dòng)小,啟動(dòng)與停止方便.因此,應(yīng)用十分廣泛。2）教材中也提到發(fā)電式中頻爐。這種落后的設(shè)備已經(jīng)被淘汰。它是用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)能發(fā)出750V，8000HZ電流的中頻感應(yīng)加熱裝置。中頻爐淬火舉例（圖見

7、熱處理工藝學(xué)P189圖734）45鋼，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸，原始狀態(tài)正火；要求表面淬火19處，硬化層深度25mm。其中齒輪（1個(gè)）表面硬度HRC5058，其余18處均為HRC5563。選擇感應(yīng)器外圓形感應(yīng)器，內(nèi)圓直徑61 mm，高度31 mm，內(nèi)壁有噴水孔，采用10mm，銅板制成。感應(yīng)爐100KW，8KHz。在專用淬火床上進(jìn)行淬火。裝夾一次，可以完成各部位淬火。19處淬火部位，由專用控制設(shè)備操作，依次加熱并淬火、并且自回火。具體工藝參數(shù)如下：齒輪，加熱時(shí)間2s，冷卻水壓力2Kg/cm2。電壓600V，電流130140A；凸輪：加熱時(shí)間3s，冷卻水壓力2Kg/cm2。電壓630V，電流125150A

8、；偏心輪：加熱時(shí)間2s，冷卻水壓力2Kg/cm2。電壓630V，電流140150A；軸頸：加熱時(shí)間4s，冷卻水壓力2Kg/cm2。電壓600V，電流140160A；高頻感應(yīng)加熱表面淬火，是將鋼件表面快速加熱到淬火溫度，在熱量尚未傳至零件心部時(shí)，隨即迅速冷卻，在其表面獲得一定深度淬硬層的熱處理工藝。淬火后，工件表層為細(xì)針狀馬氏體，心部仍為韌性較高的原始組織（通常為調(diào)質(zhì)后的組織）。3.高頻感應(yīng)加熱裝置的工作原理高頻感應(yīng)加熱表面淬火在航空工業(yè)中廣泛應(yīng)用。圖5是高頻感應(yīng)加熱表面淬火示意圖。從圖中可見，欲淬火的鋼件被套在感應(yīng)加熱器內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)加熱器接入高頻電流時(shí)，在它周圍便產(chǎn)生交變磁場，同時(shí)零件中亦產(chǎn)生頻

9、率相同而方向相反的感應(yīng)電流，由于“集膚效應(yīng)”的緣故，感應(yīng)電流主要集中在工件表層，并且愈靠近表面，電流密度愈大，頻率愈高。在接入的高頻電流頻率很高的情況下，感應(yīng)電流全部集中在工件的最表層，而心部的電流密度幾乎等于零。其結(jié)果僅需幾秒或幾十秒就使工件表層迅速升溫至淬火溫度。當(dāng)工件通過噴水套時(shí)，即完成淬火。 圖2 高頻感應(yīng)加熱表面淬火示意圖4.高頻感應(yīng)加熱裝置的結(jié)構(gòu)簡介 P102圖6是高頻爐的外觀照片。從圖中可見，高頻感應(yīng)加熱裝置由電源柜、振蕩柜等組成。電源柜的面板上有指示燈、5個(gè)電表（陽極直流高壓表、燈絲電壓表、振蕩管陽極和柵極的電流表、高頻電壓表）。主要作用是用來顯示高頻爐各個(gè)電路的工作參數(shù)，也是

10、操作者判斷和調(diào)節(jié)高頻爐工作狀態(tài)的依據(jù)。這是高頻爐的指示裝置。保護(hù)裝置電源柜和振蕩柜里面，裝有全部電氣元件，柜子的門都有電氣連鎖開關(guān)，只有關(guān)閉好柜子的門，才能開啟整機(jī)。另外，高頻爐的振蕩柜、電源柜、變壓器、穩(wěn)壓器都要嚴(yán)格用螺栓接地，以保證設(shè)備和人身安全。5.高頻感應(yīng)加熱裝置的安全使用要求為了安全使用高頻爐，必須嚴(yán)格按照操作程序進(jìn)行：（1）送電送水合上電源空氣開關(guān)，高頻柜面板上的三相電源指示燈亮，說明供電正常；啟動(dòng)水泵，打開水路閥門，水壓不低于68KPa（0.8kgf/cm2）。（2）三級(jí)預(yù)熱振蕩管燈絲一級(jí)預(yù)熱接通燈絲一擋開關(guān)，對(duì)燈絲實(shí)施一級(jí)預(yù)熱。（3）振蕩管燈絲二級(jí)預(yù)熱按下第二擋燈絲加熱按鈕，振

11、蕩管燈絲電壓升到額定值，即33V左右，預(yù)熱時(shí)間1520min。（4）三級(jí)預(yù)熱給陽極加直流高壓即按下高壓接通按鈕，高壓指示燈亮，就會(huì)向高壓整流電路供電，輸出電壓由電壓表顯示。（5）加熱工件通常，用手動(dòng)控制加熱工件。用鉗子夾持工件，并放入感應(yīng)圈內(nèi)。按下加熱按鈕，加熱指示燈亮，計(jì)算加熱時(shí)間。到時(shí)間后，按下停止加熱按鈕。并迅速將工件沉入感應(yīng)圈下方的水槽中，實(shí)施水中淬火。（6）高頻爐關(guān)閉的操作程序，與開機(jī)程序相反。此處從略。6.實(shí)例分析以45鋼軸件為例，在高頻淬火時(shí)，加熱溫度840920（AC3以上100150），時(shí)間380400/s；并且需要說明的是，由于加熱速度十分快，鋼件表面不會(huì)產(chǎn)生過熱。而且晶粒

12、比一般淬火還要細(xì)??；淬火后得到隱針狀馬氏體。在這個(gè)例子里，如鋼件直徑10mm，設(shè)備頻率2500Hz，淬硬層可達(dá)2.4mm。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工件的淬硬層為直徑的10時(shí)，能獲得最大的疲勞強(qiáng)度；一般小型工件，淬火后淬硬層取直徑的1520。從上例可見，對(duì)于不同材料、形狀和大小的工件，具體高頻淬火的工藝，要查有關(guān)手冊(cè)得到。即包括高頻淬火機(jī)的型號(hào)、感應(yīng)器的形狀和尺寸、感應(yīng)器與工件表面的距離（1.53.0mm）、工件的移動(dòng)速度（0.33.0mm）、噴水器與感應(yīng)器的距離（1020mm）、采用的頻率、加熱的時(shí)間等。由于高頻感應(yīng)加熱設(shè)備具有加熱速度快，熱效率高、淬火質(zhì)量好表面硬度高、淬火層深度易于控制、工件變形小、脫

13、碳少；并且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化操作，工作環(huán)境清潔等優(yōu)點(diǎn)，因此，在冶金和機(jī)械制造廠家應(yīng)用十分廣泛。在熱處理技術(shù)的現(xiàn)代化中，也具有很好的發(fā)展前景。三、感應(yīng)熱處理輔助設(shè)備感應(yīng)熱處理優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械化自動(dòng)化程度較高，產(chǎn)品處理質(zhì)量的均勻性和一致性好，同時(shí)減輕體力勞動(dòng)和改善勞動(dòng)條件。感應(yīng)加熱用熱處理設(shè)備主要指淬火機(jī)床、感應(yīng)器以及各種專用的感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)、退火、淬火生產(chǎn)流水線等。1.淬火機(jī)床（1）淬火機(jī)床分類按生產(chǎn)方式分，淬火機(jī)床有通用、專用及生產(chǎn)線三大類型。通用淬火機(jī)床適用于單個(gè)或小批量生產(chǎn);專用淬火機(jī)床適用于批量或大批量生產(chǎn)；生產(chǎn)線將多種熱處理工藝組合在一起，生產(chǎn)效率更高，適用于大批量生產(chǎn)。按感應(yīng)加熱電源分，

14、由于感應(yīng)加熱電源不同，淬火機(jī)床結(jié)構(gòu)也有所不同，按電源頻率分為高頻淬火機(jī)床、中頻淬火機(jī)床、工頻淬火機(jī)床。按處理零件類型分，一般可分為軸類淬火機(jī)床、齒輪淬火機(jī)床、導(dǎo)軌淬火機(jī)床、平面淬火機(jī)床及棒料熱處理流水線等。按處理零件安放的形式分，有立式淬火機(jī)床、臥式淬火機(jī)床。按處理工藝分，可分為淬火、回火、退火、調(diào)質(zhì)及透熱等用途的淬火機(jī)床設(shè)備。2.淬火機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)1)機(jī)架：機(jī)架是機(jī)床的主要基礎(chǔ)件，必須有足夠的剛性，結(jié)構(gòu)力求簡單。2)升降部件：同時(shí)感應(yīng)淬火，零件需從感應(yīng)器中進(jìn)出，應(yīng)便于裝卸，連續(xù)感應(yīng)淬火，零件與感應(yīng)器作連續(xù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)設(shè)計(jì)升降、橫向或回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。3)零件裝卡與轉(zhuǎn)動(dòng)部件：為了感應(yīng)加熱均勻，圓

15、形零件應(yīng)在加熱時(shí)旋轉(zhuǎn)，一般旋轉(zhuǎn)速度采用30200 r/min。速度過快影響零件冷卻。4)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：由于移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)需要變速，一般采用無級(jí)變速，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。3.淬火機(jī)床的選擇要求1）使用要求直接與生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有關(guān)，對(duì)通用淬火機(jī)床一般考慮以下幾點(diǎn)：通用性。應(yīng)能處理軸類、齒輪等多種常見的感應(yīng)淬火零件?？煽啃?。定位準(zhǔn)確，移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)速度穩(wěn)定，控制電器、機(jī)件、監(jiān)控儀表動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠、重現(xiàn)性好。調(diào)整方便，操作與維護(hù)簡單，工作安全，保護(hù)措施齊全。機(jī)床價(jià)格合理，機(jī)床占地面積小，生產(chǎn)率高，能耗少。2）功能產(chǎn)數(shù)要求針對(duì)所處理零件技術(shù)要求，應(yīng)對(duì)淬火機(jī)床功能及所配控制器件有所要求和選擇。零件轉(zhuǎn)速：從加熱均勻性考慮

16、，轉(zhuǎn)速應(yīng)快；從噴水冷卻考慮，轉(zhuǎn)速不宜太滑板移動(dòng)速度，取決于加熱的比功率與感應(yīng)器寬度。淬火介質(zhì)管路直徑的選?。捍慊鸾橘|(zhì)進(jìn)水管徑與電磁水閥的通徑應(yīng)一致。中頻淬火變壓器型號(hào)的選擇。對(duì)于通用淬火機(jī)床，應(yīng)采用多匝比的中頻淬火變壓器，以適應(yīng)多品種零件生產(chǎn)，淬火變壓器容量最好為發(fā)電機(jī)容量的3倍。中頻電容器容量的確定。中頻電容器用KVAR表示其容量。4.感應(yīng)器（1）感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)圈：感應(yīng)器的主要部分，通過感應(yīng)圈產(chǎn)生的交變磁場，使得工件得以加熱。匯流板：連接感應(yīng)圈和連接板，將電流輸入感應(yīng)圈。連接板：用于連接匯流板和淬火變壓器的輸出端接頭。冷卻水管：用來冷卻感應(yīng)器本身兼供工件淬火用冷卻用水。（2）感應(yīng)器的分類感應(yīng)器的種類很多，按加熱方法的不同可分為同時(shí)加熱感應(yīng)器和連續(xù)加熱感應(yīng)器。按零件加熱部位形狀的不同，感應(yīng)器又可分為外表面加熱感應(yīng)器、內(nèi)表面加熱感應(yīng)器、平表面加熱感應(yīng)器、特殊形狀加熱感應(yīng)器，而按電源頻率的不同，感應(yīng)器還可分為高頻、中頻、工頻加熱感應(yīng)器。（3）感應(yīng)器的基本要求1）感應(yīng)圈應(yīng)與工件表面加熱區(qū)形狀和尺寸相適應(yīng)，使工件能夠迅速獲得所需要的加熱區(qū)和加熱層，加熱溫度的分布要均勻。2）感應(yīng)器的電效率應(yīng)盡可能高，應(yīng)盡量減少感應(yīng)器本身的電能損耗。3）感應(yīng)器工作時(shí)，由于渦流損失而發(fā)熱