作者：劉陽偉
單位：
浙江省湖州市誠基機械有限公司
本文梗概：
汽車輪轂產品表面感應熱處理之前，感應器設計非常重要，感應器製作的好壞直接影響到產品的除錯加工，對產品淬火質量造成很大影響。針對某一產品的感應熱處理，從感應器設計到產品除錯完成進行分析討論。
概述
金屬能夠在感應器內加熱，主要是依靠電磁感應現象。電磁感應的實質是：交變的磁場引起交變的電場，交變的電場引起交變的磁場。交流電透過導體時導體表面處的電流密度較大，導體內部的電流密度較小，這種現象就是趨膚效應，也叫集膚效應或表面效應。另外還有鄰近效應和環狀效應，這些對於感應熱處理有著非常重要的意義。感應熱處理加熱時間短，產品氧化皮少，變形小，且節能環保，易於實現機械化和自動化，因此廣泛應用於汽車製造、拖拉機、工程機械、重型機械、軸承工業、鐵路及冶金等行業，未來的發展趨勢非常好。
筆者從事汽車輪轂感應熱處理已有近10年時間，下面對外法蘭、內法蘭感應熱處理工藝流程進行分析梳理，以供同仁參考，共同探討。
產品圖樣分析
外法蘭、內法蘭結構分別如圖1、圖2所示。
圖1 外法蘭結構
圖2 內法蘭結構
1. 關鍵尺寸
外法蘭（內孔）：產品壁厚、內徑、高度、溝間距、基圓尺寸及整體結構等。
該產品溝間距30。64mm，基圓直徑65。25mm，口徑壁厚10mm，淬火區域長40mm。內法蘭（外圓）：產品主溝道軸直徑、軸高、基圓尺寸及整體結構等。該產品為實心軸，主溝道直徑33。8mm，軸高71。1mm，基圓直徑60mm，淬火區域長52mm。
2. 技術要求
熱處理技術要求如圖3、圖4所示。
圖3 外法蘭
圖4 內法蘭
（1）內外法蘭淬回火技術要求
淬火表面硬度62～65HRC，回火表面硬度59～63HRC。金相組織為馬氏體4～6級。
（2）外法蘭檢測技術要求
以圖樣角度方向檢測，a、f點Ds＝1。9～3。2mm；b、e點Ds=2。2～3。7mm；c、d點Ds≥2。4mm。
（3）內法蘭檢測技術要求
以圖樣角度方向檢測 a、b、e、h點Ds＝1。9～3。7mm；d點Ds＝2。2～3。7mm；g點Ds≥1。5mm；c點Ds≥2。4mm；f點Ds=2～6mm。
3. 構畫產品感應器圖樣
根據以上尺寸資料及產品相關技術要求，測算感應器的總高度和有效圈尺寸，畫出感應器設計圖樣，並根據實際情況加以修改，最終確定感應器形狀。
4. 確定製作感應器的材料和尺寸
感應器由有效圈、導電板、接觸板及附件組成，由各種不同材料製作而成。
（1）導電的接觸板、有效圈、導電板。使用T2純銅製作，並以黃銅焊條進行釺焊。
（2）進出水管採用圓銅管外徑12mm，壁厚2mm；方銅管14mm×14mm×2mm。
（3）有效圈。外法蘭方銅管8mm×10mm×1。5mm；內法蘭方銅管12mm×15mm×2mm。
感應器設計和製造
1. 感應器設計圖樣
感應器設計如圖5所示。
圖5 感應器設計圖樣
（1）根據產品結構
，設計測畫出感應器圖樣，並標註各部件名稱。
（2）接觸板。
如圖6所示。
圖6 接觸板
接觸板應保證能與淬火變壓器連線可靠、緊貼、堅固。接觸板厚應＞1。57d（d為電流透入深度），但要＜12mm，此處板厚選擇10mm。
板寬根據感應器承受功率大小而變化，一般在60～190mm範圍內選擇，功率大時選上限。此處板寬選擇60mm，板長選擇70mm。
接觸板上壓緊螺栓衝孔直徑為15mm，共4個螺栓孔，螺栓可以使用M12。要注意的是4個固定孔一定要測量好位置，不然會導致與變壓器連線不到位。
另外，感應器上功率是沿導體長度分配的，因此導電板宜寬不宜窄。
（3）感應器有效圈設計。
為保證感應器製作質量，一些必要的模具必須準備好。
有效圈製作需要繞制心軸模具（見圖7），銅管退火後在心軸上繞制，心軸應比感應器繞製成品後直徑小一點。
圖7 繞制心軸模具
以外法蘭為例：感應器有效圈銅管寬10mm，產品擋肩處直徑47。5mm，心軸可以選擇直徑35mm。內法蘭產品也是同樣選擇心軸繞制，其中繞制產品R角處感應圈，心軸直徑可以選擇63mm，並且這一段感應圈要加工成一定角度的斜面，以便提高R角處的淬火效率。其他部位有效圈依照圖樣尺寸繞制。
（4）引數確定。
感應器分外圓淬火和內孔淬火，有效圈與工件高度差以及有效圈與工件的間隙，要根據現場淬火裝置的頻率來確定，如表1～表4所示。
表1 內孔加熱時有效圈與工件高度差
表2 內孔加熱時有效圈和工件的間隙
表3 外圓同時加熱時有效圈與工件高度差
表4 外圓加熱時有效圈與工件的間隙
依據以上資料參考，產品引數選擇：①內法蘭（內孔淬火）。依技術要求的淬硬層形狀為基礎，此產品整體高度64。6mm，淬火區域長40mm，那麼此次有效圈總高設定為44mm，有效圈與工件間隙為2mm。②外法蘭（外圓淬火）。依技術要求的淬硬層形狀為基礎，該產品法蘭盤平面以上高度為71mm，淬火區域長52mm。此次有效圈高度設定為54mm，半環有效圈與工件間隙為3mm。
（5）導磁體。
導磁體（見圖8）可以提高感應器加熱效率，並且可以更好地加熱產品圓角處。
圖8 導磁體
其尺寸計算：c=（0。2～0。75）a，一般c≥3mm。由此，外法蘭選擇寬度為3mm導磁體，內法蘭選擇寬度為4mm導磁體。
（6）噴液器。
外法蘭噴液器如圖9所示，內法蘭噴液器如圖10所示。孔間距為3。5～4。0mm，孔徑為1。2～1。6mm，孔徑宜小不宜大。另外，內法蘭噴液器還可以安裝快換接頭。
圖9 外法蘭噴液器
圖10 內法蘭噴液器
2. 感應器設計模型
圖11為內孔淬火感應器設計的模型，圖12為外圓淬火感應器設計的模型。導電銅管間隙為2mm，必須安裝絕緣板。此處使用厚度2mm的聚四氟乙烯絕緣板。
圖11 內孔淬火感應器模型
圖12 外圓淬火感應器模型
3. 感應器焊接
（1）感應器釺焊常用釺料有純銅、黃銅、銀銅和磷銅，一般用黃銅焊接，焊劑的選擇也很重要。
（2）焊接前必須對母材進行清潔，去除母材表面的氧化膜和油汙等，以提高釺焊質量。
（3）搭接方法和裝配間隙會影響感應器的焊接質量，在設計和拆分環節就要預算好。外法蘭感應器從簡單的部件焊接到整體釺焊完成以及導磁體安裝結束的部分過程如圖13所示。
圖13 外法蘭感應器焊裝過程
在焊接過程中一定要注意：①焊接時兩個部件要受熱均勻，所需焊接部件要固定好，焊點要均勻鋪開並堆起來，不均勻或焊點太薄會造成焊接缺陷，可能導致感應器漏水等。②在焊接有效圈時，要把接觸板固定在支架上，這樣焊接出的有效圈元件能達到要求尺寸，並達到垂直度與中心線偏差要求。
（4）內法蘭（外圓）淬火感應器，斜角有效圈的角度一定要設計好，否則會造成冷卻不足而損壞感應器。
（5）導磁體可以用504膠粘結，最後成形感應器導電管需要用玻璃纖維布纏繞固定。
4. 感應器成形
成形的感應器實體如圖14、圖15所示。
圖 14
圖 15
成形感應器需要進行質量檢測，主要有以下幾點：
（1）外觀及幾何尺寸檢查
接觸板和有效圈的端面垂直度，接觸板配合尺寸等。
（2）焊縫質量
試壓達到要求壓力時是否滲漏。
（3）其他
接觸板表面平整度，有效圈與工件間隙，感應器進出水管等設計是否匹配。
產品除錯與驗收
1. 安裝
（1）選擇淬火機床進行感應器和輔助裝置安裝，如圖16所示。
圖16 感應器和輔助裝置安裝
安裝注意事項：
①工裝安裝務必注意感應器和變壓器連線處貼近狀態，螺栓要鎖緊。
②安裝感應器時注意有效圈和產品的垂直度，感應器不能傾斜，否則會影響產品淬火質量。
③外法蘭需要安裝產品壓套作為吸熱裝置，這個相對於某些輔助外噴方式更穩定一些。
④檢查工件在夾具上旋轉時的圓跳動。一般工裝圓跳動≤0。3mm。
（2）淬火裝置電源匹配為250kW/8～30kHz。
（3）調整淬火裝置，確定合適的淬火工藝，達到產品的淬火技術要求。
外法蘭產品：投功比98%，加熱時間7。4s，冷卻時間14s，淬火液濃度1。5%～2。5%。
內法蘭產品：投功比98%，加熱時間7。7s，冷卻時間20s，淬火液濃度1。5%～2。5%。
採用上海好富頓水溶性淬火液，其濃度使用折光儀檢測。
2. 冷卻裝置的調整
（1）保證冷卻壓力，此處淬火液冷卻壓力為0。25～0。4MPa，感應器冷卻壓力為0。5～0。8MPa。
（2）冷卻裝置位置調整，冷卻出水不能被遮擋或堵塞。
（3）冷卻水有兩部分，一個是淬火液，另一個是系統冷卻水，普遍使用換熱器進行溫度冷卻。
淬火液溫度一般不大於35℃，溫度太高會造成冷卻不足，從而產品出現質量問題。系統冷卻水溫度，就是冷卻電器的軟水，這個溫度一般控制在30℃，絕對不能低於室溫，否則會使受冷電器表面凝結水珠，容易損壞電器。
3. 產品檢驗方式
熱處理產品檢驗需要線切割和金相試樣預磨機。
4. 產品回火工藝
感應淬火工件的回火，有自回火、感應回火、爐中回火。此處產品採用爐中回火。
回火溫度根據工件技術要求而定。一般硬度要求在52HRC以上時，回火溫度用180～200℃，回火時間1。5h；對於硬度要求在56HRC以上時，回火溫度可用160℃，回火時間1。5h。
該產品回火工藝最終確定為回火溫度165℃，回火時間2。5h。
5. 檢驗
圖17、圖18為除錯成功的產品樣件。
圖17 外法蘭淬火樣件
圖18 內法蘭淬火樣件
表5、表6為除錯產品首件檢驗資料。
經維氏硬度計檢測，產品表面硬度和有效淬硬層深度均達到技術要求。此次產品熱處理，從工裝感應器設計到產品除錯成功，圓滿完成。
結語
感應器的結構、形狀和尺寸是感應淬火技術的核心問題，對零件的感應淬火質量、生產效率和能量消耗有著直接的影響，因此一個合適的感應器是使感應淬火獲得優質、高效、節能的重要途徑。
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