感应热处理用感应器的设计与制造(二)

发布于 2021-01-28 08:09

"感应模压淬火

感应热处理用感应器的设计与制造

（二）

作者： R.戈尔茨坦，W. 斯图尔和M. 布莱克
译者：彭智泓

感应器设计的注意事项

感应热处理线圈有多种形状和尺寸，必须在给定的感应热处理应用中执行各种任务。根据应用，感应线圈的设计要求包括：

- 以所需的生产率满足热处理规范

- 足够坚固以承受制造变化

- 装入感应淬火机床

- 具有与感应电源匹配的电气参数

- 提供淬火

- 寿命长

- 效率高

- 在感应器之间可重复

在开发新的感应热处理线圈和工艺时，遇到的第一个问题是零件将在现有系统上生产还是必须建造新机器。在许多情况下，零件生产商希望在具有备用能力的现有机器上开发新的工具。这将降低自由度，并使感应线圈的设计工艺变得更加复杂，因为将需要低于最佳的频率或线圈样式来适应现有机器（参考文献16）。

稍后在本卷和本卷的其他文章中将提供有关此主题的更多详细信息。本文的讨论仅限于这些因素与感应线圈设计之间的关系。

零件中的电流

在大多数感应热处理应用中，感应电流是功耗的主要来源。像所有其他电流一样，涡流必须形成闭合回路。大多数情况下，由于邻近效应，工件中的电流会遵循感应加热线圈的形状。工件给定截面中的功率密度取决于电流密度。电流密度会受电磁效应（末端效应，边缘效应等）、磁通量集中器的存在、铜管的宽度、零件的几何形状以及线圈与工件之间的（耦合）距离的影响。

线圈设计的下一步是确定电流如何在零件中流动，这是至关重要的，尤其在几何形状发生变化的情况下。感应热处理中遇到的一些常见的几何形状变化是圆角，凹槽，拐角，台阶，倒角，花键，键槽和油孔。这些关键区域相对于相邻关键区域的加热在很大程度上取决于感应线圈的样式和加热频率。

这里，首先讨论电流的选择，即在几何形状变化的平面内还是垂直于几何形状变化的电流。当电流垂直于几何形状变化的方向时，由于邻近效应，自然的趋势是电流集中在更靠近感应线圈的零件表面上。另一个考虑因素是，在距离更近的部分的末端附近，由于电磁的端端效应，取决于零件是磁性的还是非磁性的，热量的减少或是增加；对于淬火应用，有的增加，而对于回火则热量降低。变化的幅度取决于频率（图7）（参考文献12）。

图7 端部效应图

当电流沿几何形状变化的方向流动时，电流在感应器下方以近似于感应线圈的宽度流动。发生尺寸变化时，电流将通过该尺寸变化而跟随零件的轮廓。在尺寸变化点，加热的变化受电磁边缘效应控制。边缘效应往往小于末端效应，因此意味着该区域的温差较小。随着线圈和零件之间的距离增加，电流量几乎保持不变，但电流开始流经更宽的长度。热量不集中会导致较低的功率密度（图8）。功率密度之间的差异倾向于小于电流在几何变化方向上的垂直方向上的差异。

图8 边缘效应图

图9 主轴的加热模式

图10 主轴环形感应器

环形/非环形感应器由多个局部环路组成，这些局部环路通过轮廓符合零件表面的铜管连接（图11）。对于这些感应器，零件必须旋转以确保均匀加热。像这种简单的零件，可能只需要一个顶部和一个底部的局部回路。这种情况下，电流在线圈匝流动并跟随零件中线圈的轮廓。通过这种方式，淬火模式的顶部和底部由端环控制，而横杆确定中央区域的淬火模式。通过沿着零件表面铜管，电流沿半径的方向流过。