（机械工程专业论文）厚壁管中频感应热处理机床的开发与研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 厚壁管中频感应热处理机床的开发与研究 机械工程 孙海旺( 签名) 曼塑：盗丝 屈文涛( 签名) 荆俨( 签名)斗卜 摘要 随着世界石油工业的发展，石油勘探开发力度的不断加大，井下钻柱的工作环境更为 复杂苛刻，对石油钻具( 厚壁管) 产品力学性能提出了更高要求，而过去生产中对厚壁管 感应加热处理的机床采用螺旋摩擦传动方式，在旋转进给过程中，工件与托轮( 或托辊) 的接触不够稳定，造成传动系统与工件间的摩擦力不稳定，使得工件直线进给速度不均匀， 从而影响了热处理的均匀性和一致性，造成产品质量下降。 本文在厚壁管中频感应热处理状况全面分析与调研的基础上，分析了设备工作频率与 加热比功率，研究了加热方法和冷却方案，采用连续加热淬火法和喷射冷却方案，并给出 了厚壁管中频感应热处理机床的主要技术参数；通过分析机床的各传动系统，研制了厚壁 管中频感应热处理机床，由推车、床身、移动支承、固定支承、感应器底座、拉车、外喷 水冷却器、内喷气冷却器等部件组成，机床的进给系统、旋转系统、夹紧机构分别置于床 身左右两侧的小车上；并按现代设计方法进行设计、制作、试验及改进，最终定型机床。 该机床的工件直线进给运动和旋转运动分别由进给系统和旋转系统两套机构实现，其 运动由伺服电机驱动，可分别精确控制、调节速度，从而提高了综合力学性能，有利于提 高产品的使用寿命。 关键词：厚壁管中频感应加热直线进给旋转 论文类型：应用研究 l l 英文摘要 一一一 s u b j e c t ：d e v e l o p m e n ta n ds t u d yf o r t h em i d f r e q u e n c yh e a t - t r e a t i n gm a c h i n eo ft h e t h i c kw a l l e dp i p e s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：s u n h a i w a n g ( s i g n a t u r e ) 墨竺垒型型! 竺多 i n s t r u c t o r ：q uw e n t a o j i ny a n ( s i g n a t u r e ) 一 ( s i g n a t u r e ) 、五基场 a b s i 。r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eo i li n d u s t r y , t h ew o r k i n ge n t i r o n m e n to ft h ed r i l l i n gs t e m ( t h e t h i c k 。w a l lp i p e ) i sm o r et o u g ha n da c c o r d i n g l yt h e r ei s h i g h e rr e q u i r e m e n to nt h em e c h a l l i c 甜 p r o p e r t yo fd r i l l i n gt o o l s i nt h ep a s t , t h ef r i c t i o n 孵d r i v es y s t e mi su s e do nt h ei n d u c t i o nh e a t t r e a t m e n tm a c h i n e t h i st y p eo fd r i v em a k e st h eq u a l i t yo fd r i l l i n gt o o l sp r o d u c t sl o wd u et o m a c h i n e sp r e c i s i o n b a s e do na n a l y z i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h em i d f r e q u e n c yi n d u c t i o na n d i n v e s t i g a t i o n s o nt h et h i c k - w a l lp i p e ，t h i sp a p e ri sf o c u so nt h ea n a l y s i so ft h eo p e r a t i o n f r e q u e n c ya n dh e a t i n g r a t i op o w e r , a n dt h e s t u d y i n go fh e a t i n gm e t h o da n dc o o l i n gw a y a d o p ts e r i e sh e a tu p q u e n c h - h a r d e n i n ga n ds p a r g ec o o l i n gp r o j e c ta n dm a k e ss u r et h ep a r a m e t e r so ft h et h i c k w a l l p i p eh e a tt r e a t m e n ts y s t e m t h ee s s a ya n a l y s e s d r i v i n gs y s t e m ，t h en e wm a c h i n ef o r m i d - f r e q u e n c yi n d u c t i o nf o rt h et h i c k - w a l lp i p ei sf i n i s h e d ，w h i c hi n c l u d e sg o c a r t ，m a c h i n eb e d ， m o v a b l eb r a c k e t s ，f i x e ds u p p o r t s ，t h ef r a m e so fi n d u c t i o nd e v i c e s ，c o a c h e r , i n t e r n a la n de x “删 c o o l i n gs y s t e m ，e t c a n da l s ot h e r ea l ef e e d i n gs y s t e m ，r o t a t i n gs y s t e ma n dc l a m p i n gs y s t e m w h i c hl o c a t ea tt h em o v i n gp l a t f o r mo nb o t hs i d e so ft h en e w m a c h i n eb e d b 雒e d0 nt l l eb e l o w a n a l y s i sa n dt h ef u r t h e rm o r d e md e s i g n ，m a c h i n i n g ，t e s ta n di m p r o v e m e n t ，f i n a l l yt h en e w t y p e o fh e a t 臼e a t m e nm a c h i n ei sc o m p l e t e t h en e wm a c h i n ei sc h a r a c t e r i z e db yt h et w os e t so fl i n ef e e d i n gm o v e m e n ta n d r o t a t i n g m o v e m e n t ，w h i c ha r ed r i v e nb yt h ef e e d i n gs y s t e ma n ds p i n n i n gs y s t e mr e s p e c t i v e l y , a n dt h e i r s p e e d sc a nb ea d j u s t e da n dc o n t r o l l e db yt h es e r v om o t o r s ，t h es y n t h e s i z e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s c a nb ee n h a n c e d ，i ti si nf a v o ro f t h es e r v i c el i f eo f p r o d u c t s k e y w o r d s ：t h i c kw a l l e dp i p e ；t h em fi n d u c t i o nh e a t ；f e e d i n g s y s t e m ；s p i n n i n gs y s t e m t h e s i s ：e x p l o i t a t i o ns t u d y i i i 主要符号表 主要符号表 q 导体的发热量，j i通过导体的电流强度，a r 导体的电阻，q t 时间，s i x 距离表面x 处的电流密度，a i o 表面电流密度，a e 自然对数底 6 电流透入深度，c m p 电阻率，q c m h 螺杆的螺距，r a i n p d 电动机的功率，w w 工件承受的夹紧力，n q 弹性套筒锥角之半 p l 套筒与外套间的摩擦角 f 频率，h z 斗导磁率，g s o e s 导程，r a i n d直径，n a r n 九 螺旋升角 n转速，r m i n e 材料的弹性模量，n m m 2 【硝 抗拉强度，m p a 【o 。】屈服强度，m p a 夹爪与工件的径向间隙( 直径上) ，l 砌 l夹爪的根部至锥面中点的距离，r a i n p弹簧夹爪每瓣所占扇形角之半 h 夹爪弯曲部分的厚度，1 t l i i l i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：墨尘逸坠黾飙谚，! 伊 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：鱼! ! 盈照 导师签名： 日期：至翌竺竺 日期： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 机床开发与研究的必要性及题目来源 1 1 1 必要性 随着世界石油工业的发展，石油勘探开发力度的不断加大，深井、超深井、高压气井、 酸性气井的不断开发，以及“欠平衡”钻井等非常规钻井方法的发展，井下钻柱的工作环 境更为复杂苛刻，石油钻具面临的腐蚀环境日趋严酷，钻具( 厚壁管) 受力情况日趋复杂， 为适应产品使用条件，对石油钻具产品力学性能提出更高要求。而过去生产中对厚壁管采 用5 0 h z 工频感应加热处理，机械传动部分采用螺旋摩擦( 斜置托轮或托辊) 1 1 1 2 1 传动方式， 依靠托轮( 或托辊) 与工件之间的摩擦实现工件的直线进给，这类热处理机床的传动方式 由于工件本身存在加工误差，在工件旋转进给过程中，工件与托轮( 或托辊) 的接触不够 稳定，造成托轮( 或托辊) 与工件间的摩擦力不稳定，使得工件直线迸给速度不均匀，从 而影响了热处理的均匀性和一致性，造成产品质量下降，这种方法受工件本身精度和设备 精度影响严重，而且没有比较理想的补救办法。要解决此问题，需重新开发感应热处理机 床，提高机械传动部分精度，从而提高产品的力学性能。 当前，国内外对热处理设备发展的普遍要求是：保证工艺要求和再现性，节约能源， 节约时间和劳力，降低成本和减少公害。感应热处理正是由于加热速度快、时间短、氧化 脱碳少、生产成本低、污染少、可以根据需要采取局部处理强化、易于安装在冷加工生产 线上，而适应了时代发展的需求，因此开发感应热处理设备具有很高的经济和社会效益。 1 1 2 题目来源 本课题是我公司针对目前厚壁管零件的感应热处理的实际情况，为提高钻具的机械性 能，在文献调研的基础上结合厚壁管零件的特点及热处理现场的实际状况而研究开发的。 1 2 国内外研究现状 目前公开文献所报道的绝大多数感应热处理机床主要是针对锻件质量要求高的，有一 定批量的汽车零件、摩托车、自行车零件厂，用于对汽车半轴、曲轴、凸轮轴、转向齿条、 等速万向节、气缸套和汽车齿轮等零件的感应淬火，对于厚壁管零件的感应热处理设备方 面的内容报道的很少，但是，可以通过借鉴国外成功开发的现有热处理设备的特点来指导 厚壁管零件的感应热处理机床的开发。 ( 1 ) 储料与进出料方式【1 j 【3 j 推进式进料 采用推进系统将工件一件件按工作周期( 生产节拍) 连续或不连续推进感应加热器加 热的进料方式。西德a e g e l o t h e r m 设计制造的b t h 系列加热机就是其中一种。机体 下部为中频电源部分，上部由引料输送链、进料机、感应加热炉、冷却水分配装置、快速 出料辊道组成。工作时引料输送链由无级变速电机带动，作为料仓和不间断送料机构，可 储存一定量的坯料，进料机则由气动扁嘴夹钳和曲柄连杆推进机构组成，可按工作节拍夹 紧坯料，间隔式向感应炉内推料。坯料一件件顶入，在感应炉内逐步加热，至出料口，由 西安石油大学硕士学位论文 出料辊道快速带出。出料辊道设计为六角辊子，带有一定的覆波效果，对坯料间的粘接( 熔 焊) 有一定分断作用。这种加热机有时根据用户的要求带上红外温度测量仪及三路分选机 构，可将坯料加热过温或欠温的坯料剔除，以保证加热锻件温度的一致性。b t h 型加热机 广泛适用于中、小批量，常规尺寸的锻件如汽车连杆，万向节，万向节叉，突缘叉，摩配 零件，高压阀类零件的加热。但由于它采用顶推进料，而锻坯一般是剪切下料，端部有斜 口。若提高产量，意味着感应炉体增长，炉内加热料段增加，顶推时易造成拱料，擦伤炉 衬。这种进料形式坯料在导轨上直接摩擦，导轨使用寿命短。所以b t h 型加热机生产率 不能很高。 步进式进料 杭州杭开电气有限公司的v t h z 5 0 0 0 型加热机( 图1 - 1 ) ，采用四连杆原理的步进送 料系统，从感应炉内截面看( 图1 2 ) ，平时坯料搁在同定导轨上，当送料时，液压机构先 将步进梁顶起，同时抬起步进导轨使坯料脱离固定导轨，搁在步进导轨上，步进梁在液压 缸的推动下，将坯料向前输送一个步进长度，然后步进梁下降复位，坯料搁回到固定导轨 上等待下一次步进。步进长度可根据坯料长度调节接近开关加以设定。坯料经过步进送料 系统循环往复通过多节感应炉加热到锻造温度，然后由液压机械手夹住快速拉出，并根据 温度检测结果，正常坯料送入压机接口，不合格料分选剔除。v h t - 5 0 0 0 型加热机的特点 是每次步进_ 定长度，适用于断续进给。 图1 1v t h z 5 0 0 0 型加热机 导轨 导轨 坯料上抬前 坯料上抬后 图l - 2v t h 5 0 0 0 加热机感应炉内截面图 0 斜置的托轮或托辊传动式进料 对于批量很大的，长度大于2 0 0 0 m m 的大坯料，加热感应炉总长度都比较长，感应炉 2 第一章绪论 需分成三节以上，进出料方式采用托轮或斜置的托辊传动。如中外合资西安博大电炉有限 公司开发的螺杆钻具中定于和转于的中频感应热处理生产线( 圈1 3 ) ，其卧式淬火、回火 两用机脒的机械部分包括储料上料机构、变频调速旋进机构、环筒形二级喷淋系统、出料 翻料机构、出料储料机架、电容器柜、液压站等。储料上料机构( 由斜置储科平台及隔料 翻料机构组成) 在油缸的作用下，每翻转一次，将一根上件送至变频调速旋进机构的托辊 上，并将余料阻挡在储料台上。变频调速旋进机构包含组斜置的托辊( 图1 4 ) ，当上料 机将待加热1 件放至托辊上时，在变频调速旋进机构减速机的带动下使i 件边旋转边前 进，当丁件被送到变频调速旋进机构末端时，通过进料传感器控制翻料机构复位，预各进 行下一个上件的上料动作，变频调速旋进机构设有两台变频调速机使j = 件进料与出料的速 度可分别控制，以消除工件之间的间距。出料翻料机构由出料输送机和翻料机构组成，输 送机由一组斜放托辊组成，与进料机构相同；翻料机构在工件完全出感应器后，通过光电 开关于牵制，将热处理后的t 件转移到出料储料机架上。 l 土动托辊、2 从动托辊、3 进料机架、4 中阃机架、5 感臆器、6 中间托辊、7 喷淋系统、8 出料机 架、9 出料台、l o 出料韶料机构、1 1 一f 1 频变频器、1 2 电辑器柜、1 3 水冷电缆、1 4 液压站、1 5 储料台、 1 6 隔 翻料机构、1 7 控制台、18 红外线a 5 温系统 图1 3 蝶杆钻具中频鲢应调质热处理生产线示意图 i i i 西北方风雷工业集团有限公司早期开发且现在正在使用的赙应热处理机床进出料 方式采用斜置的托轮传动( 图1 - 5 ) ，通过磨擦来带动工件边旋转让前进，两轮均为主动。 传动系统由变频橱速电机、减速器、万向节、链轮、链条和斜置的托轮组成，机床机械都 分的其余结构与中外合资西安博大电炉有限公司的热处理机床摹本相同。 嗣匿 蕾圈遣劐 图1 - 4 斜置的托辊图1 5 斜置的托轮 西安石油大学硕士学位论文 局部加热 对于某些零件，如汽车半轴，法兰轴及钢轨道钉等只需局部加热的坯料，不能用整体 加热的加热机进行加热。它们只需在棒料的端部区域局部加热，由于是局部加热，感应炉 不能用通常的贯穿式感应炉，而需用特殊的感应炉如开口式炉或筒圈式排列炉，再根据坯 料及炉子类型设计相应的输送机构。如杭州杭开电气有限公司的e t h 加热机，它由料仓， 坯料提升机构，翻料机构，链式输送机构，出料机构和中频电源组成。这类加热机根据坯 料加热范围不同，机构差别很大，都是专机专用，通用性比较差。 ( 2 ) 传动系统【4 1 5 1 【6 】 主要采用机械传动，已淘汰了液压缸传动，用g c j 代替了g c t 系统，采用变频调速 电机、步进电机或伺服电机，通过滚珠丝杠传动，移动速度均匀、精确。托架重复定位精 度达到0 0 3 m m 或0 0 2 5 m m ，主轴定位精度达到0 01 。( 国内淬火机床工进速度变化量 在5 以内，重复定位精度达到0 0 5 m m ) 。专用淬火机床采用步进链传动、托盘送料、 机械手或机器人送取料等。淬火变压器与感应器除x 轴速度可编程外，z 轴亦可编程。 ( 3 ) 控制方式【7 】 1 0 l 大量应用数控( n c ) 设备实现动作顺序控制，控制精度极高，而且可以储存几百种零 件的工艺参数，记忆加工的零件数量。实时监控设备的运行状态，可与报警设备联机，一 旦设备出现故障随时报警停机。n c 储存的资料可以随时调出、显示。一些简易机床也采 用p l c 控制，实现较低水平的智能化。如a l l e n b r a d l y 2 3 0 程控器、s i e m e n s 8 0 2 、8 0 5 、8 1 0 、 8 4 0 计算机等均已应用于一些自动淬火机床。感应加热过程的能量监控系统和工件加热温 度的监控精度大大提高，其重现性达0 1 。最近t o c c o 公司又发展了感应器监控仪， 直接测量感应器上的输入能量k w - s ，以取代设备的能量监控。 ( 4 ) 机床的防锈、防水、防汽措施【8 1 【9 】 机床的防锈 淬火机床的水和水蒸气是必然存在的，它们对机床的水槽、运动部件的锈蚀和浸蚀是 防不胜防的，而部件生锈又是设备的故障源。淬火机床的防锈主要措施是使用不锈材料： 水槽用不锈钢板制作或贴敷不锈钢板；滚珠丝杠、顶尖和顶尖套采用不锈钢制作，并根据 场合和功用不同分别采用1 c r l 8 n i 9 t i ，2 c r l 3 或3 c r l 3 等；有些部件要采用黄铜制作。 机床防水 淬火机床工作时淬火水飞溅是很正常的，然而淬火水飞溅不仅影响文明生产，也影响 工人操作。防止淬火水飞溅的主要措施是安装防护门，防护门用不锈钢板和有机玻璃制作， 黄铜导轨和尼龙轴承等。对于淬火变压器上下移动机床，在变压器上下要安装不锈钢防水 拉帘。防止淬火水汽和油烟污染环境淬火机床工作时要产生水蒸气，零件清洗不干净也会 产生油烟。在一些外资企业，厂房密闭，水汽和油烟不许散发，此时机床的前槽上方要加 盖封闭，再加上废汽冷凝器，将水汽和油烟冷凝成液态排出，或加油雾收集器等措施。 防止淬火水汽和油烟污染环境 4 第一章绪论 淬火机床工作时要产生水蒸气，零件清洗不干净也会产生油烟。在一些外资企业，厂 房密闭，水汽和油烟不许散发，此时机床的前槽上方要加盖封闭，再加上废汽冷凝器，将 水汽和油烟冷凝成液态排出，或加油雾收集器等措施。 ( 5 ) 淬火变压器的三维微调装置和感应器的快换连接技术【1 3 】【1 4 】 1 s l 变压器三维移动自9 0 年代开始用于高中频感应加热淬火机床，可方便工艺调整。现 在的变压器三维移动平台上下、左右和前后三个方向可各移动5 0 m m ，用以满足淬火位置 的少量调整。 感应器的快换技术包含两个内容：( 1 ) 感应器与淬火变压器的电气连接的快换装置， 它的紧同要方便快速，安全通过大电流，不发热。( 2 ) 感应器上的冷却水管和淬火水管的 快速连接，冷却水管和淬火水管采用快换连接头连接，可做到快速、可靠。现在国内已经 生产系列的黄铜快换接头，可以满足需要。 1 3 本文主要研究内容及创新点 1 3 1 主要研究内容 本论文首先分析感应热处理的基本过程，研究感应热处理工艺方案及参数，确定厚壁 管热处理的工作频率、加热比功率、加热方法及冷却方案，从而确定厚壁管感应热处理系 统的主要技术参数，再根据感应热处理系统的主要技术参数研究开发热处理机床。 研究开发热处理机床首先确定机床的总体结构，其次分析机床的进给系统、旋转系统、 夹紧机构、冷却系统及其它部分，从而确定本机床各系统的结构类型并进行设计计算和结 构参数设计，对各部件进行三维虚拟装配和干涉检查、强度校核，完成图纸设计，最后通 过制作、试验及改进，最终定型机床。 1 3 2 创新点 ( 1 ) 研制新型厚壁管中频感应热处理机床。 ( 2 ) 工件直线进给运动和旋转运动分别由两套机构实现，分别由伺服电机驱动，可精 确控制。 西安石油大学硕： = 学位论文 第二章厚壁管中频感应热处理理论分析 2 。1 感应热处理基本理论 感应加热是将零件( 导体) 置于感应器内，当有一定频率的交流电通过感应器时，在 零件表面就有感应电流产生，此电流分布在表面，并以涡流的形式出现，迅速加热表面使 其达到所需温度，其基本模型如图2 1 所示。感应加热的基本原理可以用电磁感应定理和 焦耳楞次定理来描述【z 引。 一 图2 - 1 感应加热原理 电磁感应定理可描述为：当穿过任何一闭合回路所限制的面的磁通量随时间发生变化 时，在回路上就会产生感应电动势e ： e = 一兰!( 1 2 - 1 )e2 一一l， 五g - 焦耳楞次定理的表达式为： q = 1 2 r t ( 2 2 ) ( 1 ) 集肤效应及透入深度【2 2 】 2 3 】阱】 2 5 】【2 7 】 2 8 】 当直流电通过导体时，电流在导体截面上的分布是均匀的，即各处电流密度相等。但 是，当交流电通过圆柱导体时，电流分布是中心密度小，越接近表面，密度越大，当电流 频率相当高时，导体的中心可以没有电流，而全部集中在导体的表面层，这种现象称为高 频电流的集肤效应。产生集肤效应的根本原因是交流电通过导体时产生与外加电动势方向 相反的自感电动势，而自感电动势在圆柱导体中心最强、表面最弱，因此使电流趋向表面， 电流从表面向里面近似按指数曲线迅速衰减，在距表面x 处的电流密度可用下式列出： l l = l o e - x 6 ( 2 3 ) 6 = 云1 1 p 心1 0 9 - ( 2 4 ) 场量在导体内的衰减快慢又可用导体的透入深度6 表示，因此，集肤效应与透入深度 之间有着密切的关系，当电磁波从导体表面向导体内部传播时，经过距离5 后，其值衰减 到表面值的l e ( 即为表面值的o 3 6 8 倍) ，6 为该导体的透入深度。在电流透入深度范围内 吸收的功率，为金属圆柱吸收总功率的8 6 5 ，因此，6 便成为选择加热电流频率的重要 6 第二章厚壁管中频感应热处理理论分析 参数。在实用中可近似认为，涡流只存在于零件表面深度为6 的薄层中，而在薄层以内的 心部中没有涡流。 钢铁材料在感应加热过程中，其p 和p 是要发生变化的。虽然电阻率p 同磁场强度无 关，但却要随温度上升而增大。在8 0 0 - - 9 0 0 的温度范围内，各类钢的电阻系数基本相同， 约为1 0 。4 q c m 。导磁率p 的大小与材料的化学成分和磁场强度有关，如图2 2 所示。在感 应加热过程中，磁场强度一般是几十至几百o e ，相应的p 是2 0 1 0 0 以上。但在材料失去 磁性之前，导磁率基本不变，而达到居里点温度以上时，钢材就失去磁性，p 急剧下降为 真空的导磁率，即“l ，如图2 3 所示。 叠基强度( o e ) 图2 2 室温下p 与h 的关系 l 、工业纯铁，2 、0 3 碳钢，3 、0 4 5 碳钢， 4 、0 6 碳钢，5 、0 8 3 碳钢 p 温暖 图2 - 3 钢材p 、p 与温度的关系 由式( 2 - 4 ) 可知，随着材料的温度上升，会导致p 增大和肛下降，则使涡流分布平缓， 透入深度6 增大。当温度上升到磁性转变点时，特别由于其中肛的急剧下降，可使涡流透 入深度6 增大几倍至十几倍。若将p - - 1 0 4 q c m 和p = l 代入式( 2 - 4 ) ，那么材料在失去磁 性后的涡流透入探度6 热可按下式求出， 6 热= 1 5 0 ( 2 5 ) 6 热2 丽 ( 2 。5 ) 6 热称为“热态的涡流透入深度 ( 以下简称“热透深度”) 。把材料在失磁前的涡流透入深 度对应地称为“冷态的涡流透入深度”( 以下简称“冷透深度”) 并用6 冷表示。 ( 2 ) 邻近效应哗j 两个相邻载有高频电流的金属导体相互靠近时，由于磁场的相互影响，磁力线将发生 重新分布，导致电流的重新分布。两个载流导体的电流方向相同时，电流从两导体的外侧 流过，即导体相邻表面的电流密度最小；反之，如果两个载流导体的电流方向相反时，电 流从两导体的内侧流过，即导体相邻表面的电流密度最大。这种现象就称为高频电流的邻 近效应。频率越高，两导体靠得越近，邻近效应就越显著，邻近效应在感应加热中有很大 的实际意义。由于感应器内的高频电流与零件的感应电流方向总是相反，因此，对感应加 7 西安石油人学硕士学位论文 热有利。但另一方面，由于邻近效应，只有当感应器与零件间隙处处相等时，涡流在零件 表面上的分布才是均匀的。对圆柱形零件，为实现均匀加热，通常借用淬火机床，使零件 在加热过程中以一定速度旋转，以消除邻近效应的影响，实现均匀加热。 当零件加热区有特殊要求时，就要直接运用交流电的邻近效应来设计感应器的形状， 即感应器的形状应与零件加热区的形状相似，零件上感应产生的涡流是沿着符合于感应器 形状的路径流过的。零件仅在此区域被局部加热，加热区就好像感应器的影子一样。因此， 为取得较好的加热效果，在设计感应器形状与结构时，必须考虑感应器与零件加热区形状 相似。 ( 3 ) 环状效应( 也称圆环效应或环流效应) 【2 7 】 2 8 1 如果将交流电流通过圆环形导体或螺旋线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内 侧，这种现象称为圆环效应。圆环效应的产生原理可以解释为两半圆环的导线，一端连在 一起，另外两端通入大小相等、方向相反的交变电流所产生的邻近效应。在实际应用中， 使用感应器内环加热工件，温升速度快、效率高。 ( 4 ) 尖角效应i 2 2 j 将尖角( 棱角) 或形状不规则的零件放在圆环形的感应器中，如果零件的高度小于感 应器高度，感应加热时，在零件拐角处的尖角部位或棱角部分由于涡流强度大，加热激烈， 在极短的时间内升高温度，并造成过热，这种现象称为尖角效应。由于尖角效应的存在， 为设计和制造感应器提供依据，即对有尖角或形状不规则的零件，必须考虑在感应器上有 曲率半径应适当加大感应器和零件的间隙。 另外，热传导的作用在感应加热过程中也是不容忽视的。在感应加热过程中金属工件 内部各点的温度是在不断地发生变化的，感应加热的功率越大，加热时间越短，金属工件 表面温度就越高，工件中心部位的温度就越低。如果感应加热时间长，金属工件表面和中 心的温度通过热传导而趋于均匀【2 6 】。 2 2 感应热处理的分类 ( 1 ) 按频率范围分 按感应加热的电流频率分可分为：工频，频率为5 0 h z 是工业频率，用于大型工件 的表面淬火及穿透加热热处理。中频，频率在5 0 0 , - - , 1 0 0 0 0 h z 之间为中频，用于表面淬 火及穿透加热热处理；工业上常用的中频频率为5 0 0 、1 0 0 0 、2 5 0 0 及8 0 0 0 h z 。高频，频 率在1 0 k , - - - , 1 0 0 k h z 之间为超音频，主要用于中模数齿轮、凸轮等沿轮廓淬火。频率在1 0 0 k - - - 5 0 0 k h z 之间为高频，主要用于表面淬火；在工业上常用的高频频率为2 5 0 k h z 。近年来为 适应小零件表面淬火或局部区域的脉冲淬火，或化学分析定碳时的试样加热，己生产出频 率以兆赫计的小型超高频设型2 9 】【3 0 】。 ( 2 ) 按变频原理分【蚓 除工频外，中须及高频均需变频设备，而中频及高频频带范围与变频设备的原理及结 构有密切关系。 8 第二章厚壁管中频感应热处理理论分析 中频感应加热设备按其原理不同可分为两大类：增频发电机( 也叫中频发电机) 及可 控硅变频装置( 也叫可控硅中频逆变器) 。离子管式发生装置( 0 5 - - - 3 k h z ) 在我国没有得 到应用。中频发电机与一般发电机没有本质区别，按发电机原理只要增加发电机磁极数量 及转速，就可以使其频率得到提高，每台发电机只有一个频率，而且是固定不变的，但由 于结构上的原因，很难将上限提高到1 0 k h z 以上。可控硅中频装置的变频效率较中频发电 机高出许多( 前者为9 0 - - - 9 5 ，后者为7 0 - - 8 5 ) ，其次是零件在加热过程中导磁率队电 阻率f 改变引起负载变化时，能自动改变频率，使变频器始终工作在谐振状态，即在最佳 状态下工作，而不像中频发电机需补加电容来维持最佳工作状态，此外，还有体积小、节 约材料、占地面积小、噪音小、安装简便等许多优点，因而有取代中频发电机的趋势。 高频感应加热装置亦叫高频设备，是利用电子管振荡的原理，将工频转换为l o o 5 0 0 k h z 或更高的频率的一种变频设备。我国已能生产1 0 - 2 0 0 k w 的系列产品。功率大者 频率较低表面淬硬层较深：功率小者频率较高，因而表面淬硬层也较浅。为了使中模数齿 轮、链轮、凸轮轴的凸轮等实现沿轮廓淬火，福建省机械研究所经过大量试验研究，已将 下限频率降至2 0 - - - 7 0 1 d - l z ，研制成功所谓超音频感应加热设备。上海跃进机械厂采取增减 电容的办法，对6 0 k w 高频进行改造，频率范围由原来2 0 0 - 3 0 0 k h z 扩展到1 0 4 5 0 k h z ， 淬硬层深度可从零点几m m 至2 m m 范围内变化，使电流频率的选择更加合理。另外，我 国近几年来对原有高频设备不断进行改进，并研制出新产品如用硅整流取代闸流管，用感 应调压器取代高压变压器；一机双频输出，用单回路振荡槽路取代损耗较大的三回路振荡 槽路等。 2 3 感应热处理过程分析 2 。3 1 感应加热的物理过程 感应加热时，电磁场在金属中建立的时间很短，以致在许多情况下均可忽略不计，通 常认为电磁场在金属中的建立是瞬时的【3 0 】。 ( 1 ) 透入式加热 当感应线圈刚刚接通电流，工件温度开始明显升高前的瞬间，涡流在零件表面的分布 是符合冷态分布曲线的，如图2 - 4 。由于越趋近零件表面涡流强度越大，因此升温也越快， 见式( 2 3 ) 。当表面出现一超过失磁温度的薄层时，加热层就被分成两层：外层的失磁层 和与之毗连的未失磁层。失磁层内的材料导磁率p 的急剧下降，造成了涡流强度的明显下 降，从而使最大的涡流强度是在两层的交界处。涡流强度分布的变化，使两层交界处的升 温速度比表面的升温速度更大，以此使失磁层不断向纵深移动。零件就这样得到逐层而连 续的加热，直到热透深度6 热为止。这种加热方式，称为透入式加热。它是铁磁性材料在感 应加热过程中所具有的独特的加热方式。 9 西安石油大学硕士学位论文 p e 曼 t 翘 囊 堪 麝 、! 孙 一砖意 7 j i 删) 一 各乜 i 一 、 i 嗣爱礞前雁鼻f r o m 图2 _ 4 钢板感应加热时冷态和热态的涡流分布曲线 ( 2 ) 传导式加热 当失磁的高温层厚度超过热透深度6 热以后，涡流完全按着热态特性分布。在继续加热 时，热量基本上是依靠在厚度为6 热的表层中析出，而在此层内越靠近表面，涡流强度和所 得到的能量越大。同时，由于热传导的作用，加热层的厚度将随时间的延长而不断增大。 当工件的加热层厚度远远大于材料在该电流频率下的热透深度时，那么这种加热层就是主 要依靠热传导方式获得的，其加热过程及沿截面的温度分布特性同用外热源加热( 如在炉 内加热或火焰加热等) 的基本相同，因此称为传导式加热。一般说来，在感应加热过程中 温度场的建立较之电磁场要缓慢得多，建立的速率大约比电磁场滞后1 0 0 倍。 2 3 2 钢的感应加热相变过程和加热后的淬火冷却 ( 1 ) 感应加热时碳钢的相变 图2 5 所示的铁碳相图是铁碳合金在缓慢加热和缓慢冷却条件下制作出来的，它是加 热速度不太大的普通热处理选择加热温度的重要依据。而感应热处理特别是感应加热表面 淬火，其加热速度相当快，一般为1 0 0 - - 一4 0 0 s ，因此要求加热相变在极短的时间内完成。 加热相变的重要参数是相变温度( 亦称临界点) ，加热速度对临界点a c l 、a c 3 、a c m 及奥 氏体相变过程均有重大影响。 c y 图2 5 铁碳合金相图 加热速度对临界点a c l 的影响 第二章厚壁管中频感应热处理理论分析 a c l 是碳钢中由珠光体转变为奥氏体的温度，图2 5 所显示的a c l 是7 2 7 ( 2 。在感应加 热时，随着加热速度的提高，临界点a c l 向更高的温度偏移。 感应加热相变和普通缓慢加热相变一样，也是通过成核和核长大完成从珠光体到奥氏 体的相变过程。奥氏体的晶核总是在渗碳体与铁素体两相的交界面上形成，然后依靠渗碳 体的溶解提供碳分，使奥氏体晶核向渗碳体和铁素体两个方向长大，直到与其他长大的奥 氏体晶核相接触为止，产生了奥氏体晶粒。珠光体转变为奥氏体不是自发的，必须在一定 的过热度下进行，而感应加热能够提供很大的过热度。 随着加热速度的提高，奥氏体的形成、残余碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化的温度 也提高了，例如t 8 钢的平衡温度是7 2 7 ，普通热处理的淬火加热温度一般为7 6 0 7 8 0 ，感应淬火的加热温度通常是8 2 0 一- - 8 6 0 c 。 加热速度对临界点a c 3 的影响 亚共析钢的原始组织是珠光体和铁素体的机械混合物。在加热相变过程中，首先完成 珠光体到奥氏体的相交，在亚共析钢中珠光体一般是弥散的，所以它的转变进行得很快。 随着温度不断升高，剩余的铁素体逐渐转变为奥氏体，铁素体的转变终了的温度就是临界 点a c 3 。也不难看出，亚共析钢的加热相变是从a c l 开始，到达并超过a c 3 结束。因此， 亚共析钢要想得到满意的淬火组织，其淬火加热温度必须超过a c 3 点。 快速的感应加热与缓慢加热的相变机理相同。只是相变的扩散速度，牵制了相变过程， 而提高加热速度，能产生更大的过热度，进而提高了扩散速度。使相变在短时间完成。因 此随着加热速度的提高，临界点a c 3 向更高的温度偏移。 加热速度对临界点a c m 的影响 过共析钢的原始组织由珠光体和碳化物组成。当加热温度达到a c l 时，珠光体首先转 变为奥氏体，剩余碳化物随着温度的升高而逐渐溶解到奥氏体中去，其溶解终了的温度就 是临界点a c m 。在感应加热时，随着加热速度的提高，临界点a c m 也随之提高，即二次渗 碳体溶解终了的温度越高。 在缓慢加热时网状渗碳体的溶解过程中，往往伴随着碳化物的聚集，导致溶解变慢。 在感应加热时，由于加热时间短，过热度大，没有碳化物的聚集现象，因而对碳化物的溶 解较为有利。但是，由于碳原子来不及扩散，奥氏体中的碳分是极不均匀的，在曾经是网 状渗碳体的地方，碳浓度较高，淬火后这些地方将保留一些残余奥氏体。 ( 2 ) 合金结构钢感应加热的相变 合金结构钢是在碳素结构钢的基础上适量加入一种或几种合金元素，其目的是提高钢 的淬透性，通过热处理手段，提高零件的整体强度和韧性。 在感应加热时，合金元素对奥氏体的形成、奥氏体晶粒大小及淬火后的组织有着重大 的影响，主要表现在以下几个方面： 多数合金元素使钢的共析点向碳浓度较低的方向移动，从而改变了钢的原始组织状 态。 1 1 西安石油人学硕士学位论文 合金元素改变了相变的开始温度。 合金元素影响碳化物的稳定性。 合金元素影响碳在铁中的扩散速度。 ( 3 ) 感应加热后的淬火冷却 前面已经叙述加热速度对相变临界点的位置有很大影响，使相变在一个温度范围内进 行。因此，加热速度对淬火加热温度有很大影响。 快速加热形成的奥氏体，通常其碳浓度和合金元素的分布是很不均匀的，因此各个区 域的过冷奥氏体稳定性也很不一致。如果经缓慢加热得到浓度均匀的奥氏体，在奥氏体最 不稳定的温度下，开始发生铁索体渗碳体分解的时间为t l ，而快速加热形成的奥氏体 中，在原来是珠光体的地方，碳浓度比较高，过冷奥氏体的稳定性比较大，若最小等温分 解时间为您则t 2 t 1 。同时，在原来是铁素体的地方，碳浓度比较低，过冷奥氏体的稳定性 较小，若最小等温分解时间为t 3 ，则t 3 t l ，即 i 7 3 v 2 。同一种钢( 亚共析钢) ，对缓慢加热而言，实际冷速v 冷= v l 时就能淬上火，但对快速加热而言，此冷速仅能使含碳量比较高的区域得到完全马氏 体组织( 因为v 冷 v 2 ) ，在含碳量比较低的区域将出现非马氏体组织。由此可知，要在全 部加热淬火区得到马氏体组织，快速加热时的淬火冷速必须要比普通炉中缓慢加热淬火的 高。已有的实验工作还证明，为了在感应加热表面淬火时获得最高的硬度，冷速仅仅高于 避免过冷奥氏体分解的临界冷速是不够的，它要求更高的冷速，以避免在马氏体转变温度 区间内发生马氏体的部分回火。 2 4 厚壁管中频感应热处理工艺方案的研究 2 4 1 厚壁管中频感应热处理的主要技术要求 工件的材料为4 1 4 5 h ，化学成份见表2 1 ；直径为巾8 9 - - 由2 4 1 m m ，壁厚约2 5 8 0 m m ， 长度为9 0 0 0 - 1 0 0 0 0 m m ，厚壁管零件规格参数如表2 2 ；硬度要求为2 8 5 3 4 l h b s ，机械 性能要求如表2 3 ；热处理工艺技术要求如表2 - 4 ，工件机械性能取样检测范围：工件表面 ( 向中心方向) 2 5 4 m m 处向下取样检测。 表2 14 1 4 5 h 的化学成份( ) cs im nm oc rspc uf e 0 4 2 0 4 8 0 1 5 0 7 5 -0 1 5 0 7 5 o 0 3o 0 30 2余量 o o l0 3 01 2 00 2 51 2 0 表2 - 2 厚壁管零件规格参数 外径( m m ) 内径( m m ) 壁厚( m m )长度( m m ) 由8 8 9由3 8 12 5 49 2 0 0 1 0 5 0 0 由1 0 4 8由5 0 82 79 2 0 0 1 0 5 0 0 第二章厚壁管中频感应热处理理论分析 由1 2 0 7由5 0 83 4 9 59 2 0 0 1 0 5 0 0 由1 2 7m 5 7 23 4 99 2 0 0 1 0 5 0 0 西1 5 2 4由5 7 24 7 69 2 0 0 1 0 5 0 0 咖1 5 8 8由5 7 25 0 89 2 0 0 1 0 5 0 0 由1 6 5 1巾5 7 25 3 9 59 2 0 0 1 0 5 0 0 巾1 7 1 4m 5 7 25 7 19 2 0 0 1 0 5 0 0 巾1 7 7 8由5 7 26 0 39 2 0 0 1 0 5 0 0 由1 8 4 2由7 1 45 6 49 2 0 0 1 0 5 0 0 由1 9 6 8巾7 1 46 2 79 2 0 0 1 0 5 0 0 由2 0 3 2由7 1 46 5 99 2 0 0 1 0 5 0 0 巾2 3 0 4由7 1 47 9 59 2 0 0 1 0 5 0 0 由2 4 1 0由8 47 8 59 2 0 0 1 0 5