（机械设计及理论专业论文）凸轮共轭感应淬火机构设计及感应加热数值模拟.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 感应加热因其具有加热速度快、效率高、加热质量高、节约能源、易于实现 机械化和自动化等显著优点而被广泛应用于现代工业加热领域。凸轮作为机械装 备的关键零部件，要求其在表面具有足够硬度及耐磨性的同时，心部具有良好的 塑韧性，感应淬火工艺因满足此要求已被广泛应用于凸轮感应淬火热处理。随着 现代高端机械装备对凸轮质量要求的提高，传统的感应热处理机构及工艺己无法 满足凸轮热处理要求。基于此，本文致力于凸轮感应淬火机构的设计，并对感应 淬火过程进行数值模拟，以期对凸轮感应淬火提供指导。 本文在总结前人工作的基础上，通过理论分析、有限元模拟相结合的方法， 主要对以下内容进行了研究： 针对凸轮对感应淬火工艺的新要求，在分析现有凸轮感应加热机构研究及 应用现状的前提下，基于共轭凸轮机构特殊运动规律，提出了一种凸轮共轭感应 淬火机构，可实现感应器与凸轮表面始终保持恒定间隙； 对凸轮共轭感应淬火机构进行运动控制计算，得到了主轴角速度计算公式， 可实现感应器沿凸轮轮廓恒线速度运动； 一 对凸轮感应淬火模型进行了合理简化，在考虑相对磁导率、电阻率、比热 容、导热系数等温度时变参数的情况下，运用a n s y s 软件建立了凸轮感应加热数 值计算模型； 以凸轮间隙为主要研究目标，模拟了间隙为1 、2 、3 、4 m m 四种情况凸轮 感应加热过程，并对模拟结果做了详细的分析，得出了各种间隙情况的适用范围， 为凸轮共轭感应淬火机构的应用提供指导。 关键词：凸轮；共轭；感应加热；多物理场耦合；数值模拟 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so ff a s th e a t i n gs p e e d ，h i 曲e 历c i e n c y ，h i 曲h e a t i n gq u a l i 劬 e n e 唱ys a v i n g ，e a s yt or e a l i z em e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i o na n d0 t h e rs i g n i f i c a n t a d v a n t a g e s ，i n d u c t i o nh e a t i n gi sw i d e i yu s e di nm o d e mi n d u s t r i a lh e a t i n gf i e l d a st h e k e yp a r t sa n dc o m p o n e n t so fm e c h a n i c a le q u i p m e n t ，s u d 、a c eo fc a mr e q u i r eh a v i n g e n o u g hh a r d n e s sa n dw e a r i n gr e s i s 切n c ea n dm e a n w h i l et h ec o r ei sd e m a n dt oh a v e g o o dd u c t i l i 够a n dt o u g i l l l e s s i n d u c t i o nh a r d e n i n g ，w h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t ，h a s b e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h ec 锄i n d u c t i o nh a r d e n i n g t h et r a d i t i o n a l i n d u c t i o nh e a t i n g m e c h a n i s ma n dt e c h n o l o g yc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fh e a tt r e a 勃m e n to fc 锄w i t h t 1 1 e i n c r e a s i n g d e m a n d so fc 啪 q u a l i 够 f r o mm o d e mh i g h - t e c h m a c h i n e r ya n d e q u i p m e n t b a s e do nt h i s ，t h et h e s i sd e v o t e dt ot h ed e s i g no fc a mi n d u c t i o nq u e n c h i n g m e c h a n i s ma n dh o p et op r o v i d eg u i d a n c ef o rc 啪i n d u c t i o nq u e n c h i n gb yn u m e r i c a l l y s i m u l a t i n gt h ei n d u c t i o nq u e n c h i n gp r o c e s s b yc o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h eb a s i so f s u m m a r i z i n gp r e v i o u sw o r k ，t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： 一 a i m e da tt h en e wr e q u i r e m e n t so fc a mi n d u c t i o nq u e n c h i n gp r o c e s s ，o nt h e p r e m i s eo fa n a l y z i n gt h ec u r r e n tc 锄i n d u c t i o nh e a t i n gm e c h a n i s ma n di t sp r e s e n t 印p l i c a t i o ns i t u a t i o n ，t h ec 锄c o n j u g a t ei n d u c t i o nh a r d e n i n gm e c h a n i s m ，w h i c hc a n k e e pc o n s t a n tg 印b e 铆e e ni n d u c t o ra n dc a ms u r f a c e ，i sp r o p o s e db a s e do nt h es p e c i a l m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n j u g a t ec 锄m e c h a n i s m b yc a l c u l a t i n g t h em o t i o nc o n t r o lm o d e lo ft h ec 锄 c o n j u g a t ei n d u c t i o n h a r d e n i n gm e c h a n i s m ，t h es p i n d l ea n g u l a rv e l o c i 锣f o 咖u l aw o u l db eo b t a i n e d ，a n dt h e n i tc a nr e a l i z et h a tt h es e n s o ri sm o v i n ga tc o n s t a n tl i n es p e e d a l o n gt h ec a mp r o f i l e t h ec a mi n d u c t i o nh a r d e n i n gm o d e li ss i m p l i f i e dr e a s o n a b l y ，a n dc a mi n d u c t i o n h e a t i n gn u m e r i c a lm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n s y ss o 行w a r eu n d e rt h e c o n d i t i o no f c o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r et i m e - v a r y i n gp a r 锄e t e r so fr e l a t i v e p e 彻e a b i l i 吼r e s i s t i v i 瓴s p e c i 矗ch e a tc 印a c i 吼t h e n l l a lc o n d u c t i v 时e t c c 锄i n d u c t i o nh e a t i n gp r o c e s si nt h ef o u rk i n d sw h i c ht l l eg a pi sl ，2 ，3 ，4 m mi s s i m u l a t e df o rt a k i n gt h eg a pa st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t a n ds p h e r eo fa p p l i c a t i o no f t h ev a r i o u sg 印c o n d i t i o na r eo b t a i n e da f 记ra n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t si nd e t a i l ， w h i c hp r o v i d eg u i d a n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no fc a mc o n j u g a t ei n d u c t i o n h a r d e n i n g m e c h a n i s m i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 k e y w o r d s ： c a m ； c o n j u g a t e ； i n d u c t i o nh e a t i n g ；m u l t i f i e l d c o u p l i n g ； n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 凸轮因其结构简单、运动控制准确等优点，是机械装备中常用的运动控制零 件。凸轮机构中，凸轮与从动件接触线上各点的相对速度不同导致凸轮磨损严重， 此外，凸轮工作面廓线的不同还会产生各种形式的冲击，也造成了凸轮工作面的 磨损。为保证其运动控制准确及使用寿命，要求凸轮工作表面具有良好的机械性 能，即凸轮工作表面的有高的强度、硬度和耐磨性，心部有足够的塑性和韧性。 要满足凸轮具有良好机械性能的要求，最好的办法就是对凸轮进行表面热处理。 表面热处理有很多种方法，主要分为化学热处理和表面淬火两大类。表面淬 火是对零件表层进行局部或整体加热，使零件表层在一定厚度范围内的温度高于 淬火温度，但零件心部温度低于淬火温度，立即经冷却液淬硬，这时工件表面因 达到淬火温度而得到淬硬，而工件心部却因低于淬火温度保持原有塑韧性。目前 常用的表面热处理工艺有浴炉快速加热淬火、感应加热淬火等。感应加热淬火是 利用交变磁场在工件表面产生感应电流进行加热的热处理方法，与利用外部热源 进行加热的浴炉加热淬火、火焰加热淬火热处理相比，感应淬火的加热速度快， 生产效率高，工件热处理质量高，能量损耗小，易于实现机械化和自动化，是目 前应用较为广泛且最有发展前景的表面淬火方法。 凸轮感应淬火工艺及感应器的合理设计是保证凸轮淬火质量的前提。以往的 凸轮淬火感应器都是凭借技术工人的实践经验，对感应器的厚度、宽度、感应器 与凸轮之间的距离等结构参数以及淬火过程中的电流、频率等工艺参数进行设计， 且感应淬火都采用传统的固定式加热。这种加热方式不能对淬火感应器及感应淬 火工艺进行科学合理的设计，且生产效率低，淬火后凸轮质量不稳定，淬火层硬 度深度分布不均匀，产品的报废率高，而且每次试验花费的时间长。 由于凸轮产品的多样性导致凸轮廓线的复杂性，凸轮淬火感应器及淬火工艺 若采用传统的经验设计必然增加设计周期，影响凸轮的更新换代速度。利用有限 元法对凸轮感应淬火进行数值模拟可极大的缩短感应淬火工艺及感应器的设计周 期，并且可以保证凸轮轴有理想的淬火效果。同时，要保证凸轮淬火后工作表面 的机械性能一致，感应器与凸轮工作表面之间间隙相等是保证热处理质量的重要 参数。传统固定式加热大都依靠人工定位调整凸轮表面与感应器的间隙，很难保 证间隙相等，无法保证凸轮表面淬硬层的均匀性。 基于上述原因，本文致力于设计一种新型感应淬火机构，实现淬火感应器沿 凸轮表面等距恒线速度运动，达到对凸轮淬硬层深度及均匀性精确控制的目的。 1 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 利用有限元分析软件对所设计的凸轮共轭感应淬火机构感应加热过程进行数值模 拟，设计出合理的感应器及感应淬火工艺。 1 2 感应加热简介 1 2 1 感应加热热处理原理与技术 感应加热是利用交变磁场产生的感应电流对工件进行加热的表面热处理工艺。 主要用于对工件进行整体或局部淬火。 感应加热基本原理 如图1 1 所示，将待淬火工件置于感应器中，当交流电流流过感应器时，会在 感应器周围产生交变磁场，交变磁场在工件内部产生涡流对工件进行加热。 图1 1 感应加热原理示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a 铲a i i lo f i i l d u c t i o nh e a t m g 感应加热分类 表1 1 感应加热分类 r i a b l e1 1c l a s s i f i c a t i o no fi i l d u c t i o nh e a t i l l g 1 2 2 感应加热特点 与传统炉浴淬火、火焰淬火相比，感应加热的优缺点如下： 优点： 1 ) 非接触式加热，只对工件需要加热的部分进行加热，电能损耗少，可实现 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 清洁生产； 2 ) 加热效率高，工件表面氧化少； 3 ) 根据工件工作环境的要求，可通过工艺调整实现对工件淬硬层深度的精确 控制； 4 ) 淬火后的马氏体组织较细，工件的强度及塑韧性较好，机械性能稳定。 缺点： 1 ) 感应加热设备复杂，影响淬火结果的因素多，对工件的适应性较差； 2 ) 对于复杂工件需要制作专用感应器，而现在大多数淬火感应器依靠经验设 计，难以保证工件淬火质量的稳定性。 1 3 国内外研究现状 感应加热技术的应用始于第二次世界大战期间，我国感应加热技术应用始于 2 0 世纪6 0 年代末。8 0 年代，国内外感应加热技术得到了迅猛发展，尤其是近年 来数值模拟技术的广泛应用，为感应加热的实际应用提供了强大的理论支撑。 数值模拟即计算机模拟，是现代产品设计的重要方法，它以电子计算机为手 段，通过数值计算和图像显示相结合的方法，实现对工程、物理问题乃至自然界 各类问题研究的目的。感应加热是一个复杂的多物理耦合过程，涉及热学、电磁 学等多学科综合知识，很难用某一特定软件或理论来精确模拟该物理过程【l 】。利用 数值模拟方法可对现有感应淬火工艺及淬火感应器进行校核及优化，预估新工件 感应淬火工艺参数及感应器结构参数，从而避免感应淬火重复试验带来的费时、 废料等问题。 国内外研究人员在感应加热有限元分析方面做了大量的研究。1 9 6 5 年a m w i n s l o w 首次将有限元模拟技术应用于电磁场分析；9 7 3 和l9 7 4 年，m v kc h a n 和 d o n e aj 分别用有限元分析技术得到了二维轴对称问题的磁矢量势解；7 0 年代末， 2 d 电磁场的有限元技术基本成熟，出现了许多大型通用有限元分析软件，三维电 磁场、涡流场的有限元分析己成为大多数学者的重要研究方向【2 】【4 】；八十年代末， 可以模拟三维电磁场、涡流场的通用软件已在工业发达国家开始应用，如通用有 限元分析软件a n s y s ，不仅能对单个物理场( 如结构、热、磁) 进行分析，还可 以对多个物理场耦合( 如磁一热、热一应力) 情况进行分析。a d 锄b o k o t a 等例在 研究感应淬火问题是，综合考虑了温度场、电磁场、相变、残余应力等多种物理 工况，对加热过程进行了比较全面的分析。b j y a n g ，a h a 仕i a n g a d i 等【6 j 提出了一 种最有效的模型和方法模拟感应加热过程中组织演变和成分变化规律，并对该方 法进行了描述、验证。f i r e t e a n uv ，t u d o r a c h et 等【7 j 建立了四种不同的模型模拟横 向磁通感应加热过程中磁场强度分布。b d r o b e n k o ，o h a c h k e v y c h 等【8 】针对轴对称 气 重庆大学硕士学位论文1 绪论 可磁化坯料置于外部电流产生的电磁场中的情况，建立了非平稳电磁场、温度场 耦合的数学模型。模型考虑了各种工艺参数及材料热物性参数，并通过有限元方 法对数学模型进行了计算。w a n gk f ，c h a n d r a s e k a rs 等【9 j 【1 0 j 建立了导磁率不同的 两部分材料组成的工件的感应加热模型，计算得到了其加热到居里点时的磁力线 分布情况。并模拟了感应器沿工件移动和相对静止两种工况下的感应加热过程。 c h a b o u d e zc ，c l a i ns 等】建立了螺旋线圈感应器加热变截面工件的数学模型， 并对其温度场分布情况进行了模拟，通过与试验数据对比证明了模拟结果的正确 性。f u h m a n nj ，h o m b e r gd 等【1 2 】【1 3 建立了4 2 g 订以0 4 钢的感应加热数学模型，并 对其感应加热过程进行了数值模拟，对加热过程中热传导、相变等问题进行了研 究。t s l a 仕r l e w i s 等【1 4 j 研究了经感应淬火和未经处理两种工艺下双金属材料 工件的冲击耐磨性。在冲击磨损试验台上测试，观察感应淬火前后材料性能的变 化。结果显示感应淬火后双金属材料工件的冲击耐磨性得到了显著提高，相比激 光淬火硬化后的铸铁，它的冲击耐磨性能更好。p o k r o v s k i ia m ，l e s h k o v t s e vv g 等【15 】对影响工件淬硬层深度及硬度的因素进行了研究，结果表明不同温度下工件 表明的相组分和淬火液的种类对工件表明硬度和淬硬层深度影响很大，并开发了 计算工件表明硬度的软件。x ud h ，k u a n gz b 等【1 6 j 在考虑了相变与相变潜热的情况 下研究了表面感应淬火的残余应力分布。 国内研究人员在感应加热数值模拟方面也做了很多有益的探索。刘浩，陈立 亮等 1 7 】应用感应加热理论，建立了温度场与电磁场耦合的有限元数学模型，利用 a n s y s 软件对钢坯的感应加热过程进行数值模拟，得到钢坯随时间变化的温度分 布云图，并分析了工件在感应加热过程中温度变化特点，结果表明通过优化组合 交流电频率、电流大小等工艺参数，可实现铸坯温度均匀的目的。于恩林，韩毅 等【18 以提高直缝焊管质量为目的，分析了感应加热温度场分布规律对工件焊缝质 量及性能的影响。在a n s y s 软件中运用a p d l 语言编制了焊缝感应淬火多场耦合命 令流程序，在此基础上建立了焊缝三维感应加热有限元模型，分析了工件温度场的 分布规律。对某公司生产的直径小于2 1 9 m m 钢管进行模拟分析，综合考虑自身冷却 条件和不同的磁棒分布规律对加热效率的影响。结果表明，阵列式分布的小磁棒加 热效果较好，这与生产实际相符合。杨金堂，屈海瑞等【19 】利用a n s y s 软件对u 7 1 m n 重轨感应加热过程中的温度分布进行了模拟计算，得到了重轨截面随时间变化的 温度分布云图，并分析了重轨温升特点，结果表明：通过调整加热频率、线圈宽 度、重轨移动速度等参数，可使重轨在连续通过感应器加热的情况下达到相变温 度。张月华【2 0 】应用电磁学和传热学等基本理论，建立了铸锻坯料感应加热数学模 型，并运用a n s y s 软件对坯料加热过程中的温度分布进行了变参数研究，为揭示 感应加热过程规律及工艺参数优化提供了理论依据。周跃庆，张媛媛等【2 l j 基于麦 4 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 克斯韦方程组和导热微分方程组，推导出了轴对称感应加热工件的电磁场、感生 涡流以及温度场分布的基本方程，建立了工件二维数值计算模型，通过a n s y s 软 件工件感应淬火过程进行了仿真，并通过试验验证了仿真的准确性。刘继全等【z 2 j 建 立了圆钢工件和平表面工件数值计算模型，模拟了电流频率、密度、加热时间等 工艺参数对淬火效果的影响，避免了以往通过经验设定工艺参数及制作感应器带 来的耗时、废料、工件质量不稳定等问题。帅克刚【2 3 j 基于建立了高频感应加热过 程的数学模型，并对其温度场分布情况进行了详细的分析，通过与试验测得的数 据对比验证了模型的正确性。鄢波，程先华等【2 4 】应用a n s y s 软件对连杆感应加热、 冷却液强制对流喷射淬火和空冷工况进行了模拟，结果表明工件的硬化层厚度与 速功比为线性关系。 综上所述，虽然国内外学者已经在感应加热数值模拟方面做了大量工作，本 文在此基础上对新设计的凸轮共轭感应淬火机构的加热方式进行数值模拟，分析 感应加热过程中各工艺参数及结构参数对新机构加热过程的影响，以期对凸轮共 轭感应淬火机构的应用提供理论基础和指导。 1 4 选题的意义及应用前景 随着我国现代化进程的提速，我国装备制造业正处于由制造大国向制造强国， 由中国制造向中国创造的历史性转变过程中。建设资源节约型、环境友好型社会 是新世纪我国制造业发展的共同使命。但目前我国制造业与发达国家相比，单位 产品的资源浪费与环境污染还远远高于发达国家。据统计，目前我国制造业中金 属热加工消耗的资源站制造业能源消耗总量的七成以上【25 | 。且金属热加工对环境 污染严重。因此，如何减少金属热加工能源消耗对我国建设资源节约型、环境友 好型社会至关重要。 感应加热是利用交变电流产生的磁场对工件进行加热。与传统的整体加热方 式相比，感应加热只对工件需要加热的部分进行加热，减少了能量损耗，而且对 环境没有污染。凸轮作为机械装备中的关键核心部件，需求量与产品质量都在逐 年增加。因此，研究感应加热在凸轮热处理工艺中的应用具有相当的现实意义及 工程实用价值。 目前装备制造业正在向高、精、尖的方向发展，相应的对机械装备核心零部 件也提出了更高的要求。传统凸轮感应淬火用感应器都是依靠经验设计，淬火后 凸轮淬硬层深度不均匀，产品质量不稳定。本文分析了传统淬火感应器的优缺点， 在此基础上提出了一种新的凸轮淬火机构，以期实现凸轮淬火后淬硬层深度均匀 的目的。本文凸轮淬火机构设计是对凸轮进行精确淬火，属于精加工范畴，符合 目前装备制造业发展趋势，同时该新型淬火机构丰富了凸轮感应淬火方式。 气 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 数值模拟技术目前在装备制造业中得到了广泛应用，主要用于工程问题的设 计、校核、预测等，可极大提高设计效率及产品可靠性，缩短开发周期。在数值 模拟领域，多场祸合仿真是该领域的前沿课题。感应加热是涉及机械、材料等的 多学科交叉多场耦合工程问题，包括电磁场、温度场、相变、力学等多个物理场。 因此，本文研究新型凸轮淬火工艺下凸轮感应加热过程具有一定的科学意义及工 程实用性。 1 5 本文主要研究内容 本文在讨论了目前各种凸轮感应淬火机构的基础上，设计了一种新的凸轮感 应淬火机构，并对其感应淬火过程进行了数值模拟。主要的研究内容有： 分析现有凸轮感应淬火机构的优缺点，基于共轭凸轮机构特殊运动规律， 设计凸轮共轭感应淬火机构并对其进行运动控制计算； 基于电磁学、传热学和有限元理论，建立凸轮感应加热数学模型，确定了 边界条件和初始条件，分析电磁场与温度场耦合计算流程。 综合考虑相对磁导率、电阻率、边界对流换热系数、热物性参数等非线性 因素的影响，运用a n s y s 软件模拟凸轮感应淬火过程，并对不同间隙情况下模拟 结果进行分析。 6 重庆大学硕士学位论文 2 凸轮共轭感应淬火机构设计及运动控制计算 2 凸轮共轭感应淬火机构设计及运动控制计算 2 1 凸轮感应淬火机构及感应器发展现状 2 1 1 淬火感应器的设计概念与要求 感应器设计与感应加热工艺密切相连，是感应加热工艺的后续部分。感应淬 火工艺制定前，需对淬火工件图样进行仔细分析，例如：工件几何形状、淬火区 层深范围、生产率、工件材料与淬火剂，加热方式是采用一次固定加热、扫描加 热、一发法淬火加热等。 传统感应器设计采用经验法，根据已有经验设计的感应器，其结构大同小异， 仅在局部结构上、材料上不断改进和更新，并采用c a d 方法。较进步的方法是针 对新产品，根据新思路设计实验感应器，经过实验改进，达到要求后，确定感应 器的结构。 近年来随着计算机的发展，工业发达国家已开始通过数值模拟技术设计感应 器。具体做法为根据工件技术要求，通过计算机模拟软件在计算机上进行模拟加 热，取得热与电相关资料，进行感应器设计。此方法在一些工业发达国家已经应 用，例如：对轴颈圆角部分加热的电磁场分布；管子钎焊感应器的多种方案比较； 导磁体的效果等。计算机模拟可在任何工件几何形状和环境下进行，模拟过程表 演动力学的全部过程，具有相当精确的数据( 取决于应用软件的质量) ，并能留下 记录供今后研究应用。 传统感应加热用感应器是铜质的线圈或金属块，当感应器中通过交流电时， 便会在其周围产生同频率的交变磁场，置于交变磁场中的工件会产生涡流从而对 工件进行加热，涡流与感应器电流平行，方向相反。 传统的感应器制作以经验为主，通过反复调整感应器结构参数，试验过程耗 时、废料，且最终产品质量稳定性差。近年来随着计算机技术的发展，通过数值 模拟技术来设计感应器已在一些工业发达国家开始应用。 感应器设计要求： 1 ) 达到工件加热范围的要求； 2 ) 具有一定的使用寿命和强度； 3 ) 便于装卸； 4 ) 便于制造，达到通用化、标准化和系列化； 5 ) 节能，高效。 感应器设计的理论与法则 1 ) 集肤效应。感应器中通过的交变电流产生交变磁场，交变磁场在工件上产 7 重庆大学硕士学位论文2 凸轮共轭感应淬火机构设计及运动控制计算 生的涡流集中在工件表面，即集肤效应。 2 ) 邻近效应。交变电流在两临近导体中反向流时，电流会沿着导体内侧流动 的现象。 3 ) 电流走捷径的趋向。这是由于电流走捷径时电阻小，因此在中频感应器设 计时应考虑。图2 1 显示出曲轴感应器电流走捷径现象。 ，li 、 ， 潞径 ，l ， 一t 锄翁；， 广哟。 图2 1 曲轴感应器电流走捷径的趋向 f i g 2 1c u r r e n ts h o r t c u t 仃e n do fc 删咄s h a f 【i i l d u c t o r 4 ) 局部涡流集中现象。感应加热时涡流集中于工件的尖角或圆弧或小孔的现 象。 5 ) 导磁体的驱流作用。当感应器上附装导磁体时，磁场分布会偏向于导磁体 的开口方向。 2 1 2 凸轮淬火感应器国内外研究现状 感应加热是金属热处理的重要手段，它具有加热速度快、不氧化、不脱碳、 不污染环境、节省能源、并能放置在加工线上、易于实现机械化和自动化等多方 面的优点，因此近年来得到迅速发展。众所周知，感应淬火技术的核心是感应器 的设计，合理的感应器设计会提高感应淬火的效率和质量。因此，设计改进现行 感应器是目前感应淬火工艺研究的重点。 国内外热处理工程技术人员对淬火感应器的设计主要以经验设计为主，通过 调试，修改定型。但凭借经验设计感应器耗费材料和精力，淬火效果不理想。因 此，通过计算机模拟感应加热过程来设计、制造及选用合理的感应器已成为近年 来感应加热研究的重点。 凸轮机构因其具有响应速度快、机构简单紧凑、能够实现各种复杂运动规律 的特点，在机械化、自动化生产设备中得到了极其广泛的应用。盘形凸轮作为凸 轮机构中的重要零件，工作过程中与连杆存在严重的摩擦，因此要求凸轮表面具 重庆大学硕士学位论文 2 凸轮共轭感应淬火机构设计及运动控制计算 有较高的硬度，常用的工艺措施是对凸轮进行表面感应淬火。 针对不同的凸轮通常采用的感应淬火方法也不同，如汽车凸轮轴等小尺寸凸 轮常采用圆环形感应器在普通淬火机床上进行淬火，船用柴油机、纺织机等的大 尺寸凸轮常采用仿形感应器在普通淬火机床上进行淬火或利用数控机床多轴联动 扫描淬火【2 6 j 【28 | 。但仿形感应器制作困难，制作成本高，且凭经验设计的仿形感应 器淬火效果不理想，数控机床多轴联动扫描淬火对机床要求较高，且运动控制复 杂，对大多数企业来说不适用。对于某些特殊凸轮零件还需要设计专门的感应器 或感应淬火方法，如陕西科技大学的郑吴等人通过对弧面凸轮工作环境和状态的 研究，提出采用高频感应加热淬火的方法对弧面凸轮进行淬火加热，通过控制感 应线圈模拟凸轮从动件的运动轨迹，达到对弧面凸轮工作廓面淬火的目的【2 9 1 。上 海工业大学嘉定通用机械厂的王伟雄等人在分析仿形感应器和圆形感应器对6 l 反 转凸轮轴淬火效果的基础上，设计了一个马蹄形感应器( 如图2 2 ) ，并在生产实 践中取得了很好的效果【2 8 1 。东风德纳车桥有限公司的左欣荣等人在分析制动凸轮 轴轴颈感应淬火特点基础上，通过对原淬火感应器的改进，设计出了分离型可移 动式并联矩形感应器( 如图2 3 ) ，提高了感应器的通用性及生产效率【30 | 。以上这 些方法都是针对特殊凸轮设计的感应器或感应淬火工艺，因此对凸轮感应淬火没 有普遍指导意义。 图2 2 马蹄形淬火感应器 f i g 2 2h o r s e s h o eq u e n c h i i l gi i l d u c t o r 9 重庆大学硕士学位论文2 凸轮共轭感应淬火机构设计及运动控制计算 图2 3 感应器( a ) 改进前( b ) 改进后 f i g 2 3i n d u c t o r ( a ) o r i g i l l a lo n e ( b ) i m p r o v e d 针对仿形感应器设计制作复杂，淬火效果不理想、多轴联动数控淬火对机床 要求较高的问题，本文提出了一种凸轮共轭感应淬火机构，通过单一轴旋转控制 实现感应器相对于凸轮表面等距匀速运动，从而达到凸轮淬硬层均匀的目的，同 时由于只需要控制工件的旋转速度，降低了对数控机床的要求，适用范围更广。 2 1 3 凸轮感应淬火机构及感应器方案分析 目前，国内外对凸轮感应淬火机构的研究及应用主要包括：固定式圆环形感 应淬火机构、固定式仿形感应淬火机构、二轴联动扫描感应淬火机构、三轴联动 扫描感应淬火机构等。 固定式圆环形感应淬火机构主要用于小凸轮( 轴) 的感应淬火，在汽车凸轮 轴行业应用尤为广泛。如图2 4 所示，圆环形感应器适用于凸轮基圆与桃尖径向尺 寸差较小凸轮( 轴) 。采用圆环型感应器的优缺点，优点：( 1 ) 感应器制作简单； ( 2 ) 同一感应器可适用于尺寸相差不大的零件淬火；( 3 ) 加热时工件旋转，易得 到分布均匀的淬火层。缺点：当凸轮基圆与桃尖径向尺寸差较大时，加热时涡流 分布不均匀，在保证基圆温度达到淬火要求及深度时，凸轮桃尖部分淬硬层必然 过大，造成凸轮桃尖部分开裂。 重庆大学硕士学位论文 2 凸轮共轭感应淬火机构设计及运动控制计算 图2 4 固定式圆环形凸轮感应淬火机构 f 唔2 4f i ) ( e d 锄u l a rc a mi n d u c t i o nh a r d e n i i l gi i i s t i t u t i o n s 固定式仿形感应淬火机构主要用于大型凸轮( 轴) 感应淬火，在船用凸轮、 刹车凸轮方面应用的较为广泛。如图2 5 所示。仿形感应器适用于凸轮基圆与桃尖 径向尺寸差较大凸轮( 轴) 。采用仿形感应器的优缺点，优点：当凸轮基圆与桃尖 径向尺寸差较大时，使用仿形感应器比用圆环形感应器易得到分布均匀的淬火层。 缺点：( 1 ) 感应器制作困难，型号不同的凸轮需要不同的感应器；( 2 ) 对工件装 夹定位精度要求高，定位不准易造成轴向和径向淬火层分布不均匀；( 3 ) 操作麻 烦，不同凸轮淬火时需频繁更换感应器。 。 图2 5 固定式仿形凸轮感应淬火机构 f i g 2 5f i ) ( e dp r o f i l 迦c 锄i i l d u c t i o nh a r d e n 吨m e c h a n j s m 二轴联动扫描感应淬火机构主要用于对淬硬层深度及均匀性要求较高的凸轮 淬火。但二轴联动机构感应器只能用单根圆管型感应器，否则会造成凸轮淬硬层 不均匀。洛阳理工大学的吴锐、许元奎等【3 l j 【3 2 】详细叙述了感应器沿凸轮等距恒线 速度运动的方法及意义。分析了二轴联动扫面感应淬火机构中感应器与凸轮相对 几何运动关系，建立了感应淬火机构运动控制数学模型，得到了感应器沿凸轮廓 线恒线速度运动的数学表达式。如图2 6 所示： 一一一 黎鬻?纛一 重庆大学硕士学位论文 2 凸轮共轭感应淬火机构设计及运动控制计算 图2 6 二轴联动扫描感应淬火机构 f i g 2 6t w o - a x i ss c 撇i i l gi n d u c t i o nh a r d e n i i l gm e c h a n i s m 三轴联动扫描感应淬火机构( 如图2 7 ) 主要用于对淬硬层深度及均匀性要求 较高的凸轮淬火。相比于二轴联动扫描感应淬火机构，三轴联动感应淬火机构对 控制系统的要求更高，但三轴联动机构感应器可以是u 型感应器，淬火效率更高。 芴 岳乒瓤 岁 、 图2 7 三轴联动扫描感应淬火机构 f 嘻2 7n l r e e - a x i ss c 锄i i l gi i l d u c t i o nh a r d e n i i l gm e c h a n i s m 此外还有凸轮随动感应淬火机构( 如图2 8 ) ，该机构设置一个与凸轮外形廓 形等距扩大的凸轮，两个凸轮同时旋转，推动附装感应器的杆前后移动，从而实 现感应器与凸轮间隙保持基本不变，通过对旋转速度的控制实现感应器沿凸轮廓 线的恒速运动。但由于安装感应器的导杆不是时刻都与工件表面垂直，因此间隙 控制不精确。 重庆大学硕士学位论文2 凸轮共轭感应淬火机构设计及运动控制计算 图2 8 凸轮随动感应淬火机构 f 逸2 8 c 锄f 0 1 l o w u pi i l d u c t i o nh a r d e n i l l gm e c h a n i s m 2 2 共轭凸轮机构简介 2 2 1 共轭凸轮机构基本形式 共轭凸轮( 又称主回凸轮) 机构，是用两个以一定位置固结在一起的凸轮控 制同一轴上推杆，从而使凸轮与推杆始终保持接触【3 3 】。如图2 9 所示，两个凸轮l 和2 固结在一起，同时推动具有两个滚子3 和4 的从动件5 。凸轮2 ( 称为主凸轮) 推动从动件完成沿顺时针方向正行程的摆动，凸轮l ( 称为回凸轮) 推动从动件完成 沿逆时针方向的反行程摆动。 0 图2 9 共轭凸轮机构 f i g 2 9c o n j u g a t ec 锄m e c h a i l i s m 2 共轭凸轮在凸轮机构中应用非常广泛，其形式也多种多样。所谓共轭凸轮就 是两组完整的凸轮机构，同类构件间相互刚性连接，分别控制同一从动件完成推 程和回程。如图2 1 0 所示是两种常见的共轭凸轮的结构形式：( a ) 为摆动共轭凸轮， ( b ) 为直动共轭凸轮。其中刚性连接的两个凸轮就称为共轭凸轮，以摆动共轭凸轮 为例，l 为主凸轮，2 为副凸轮，两个凸轮的型式一般采用外凸轮。对滚子从动件 重庆大学硕士学位论文2 凸轮共轭感应淬火机构设计及运动控制计算 也可采用内凸轮型式，但结构比较复杂。共轭凸轮机构从动件的运动方式可以是 摆动也可以是直动，两接触元素可以是滚子也可以是平底。组合起来平面共轭凸 轮可以分为六种形式：滚子直动、平底直动、滚子摆动、平底摆动、滚子与平底 组合摆动、滚子与平底组合直动。 ( a ) 摆动共轭凸轮矗动共轭凸轮 图2 1 0 平面双外缘共轭凸轮 f i g 2 10c o n j u g a t ec 锄o fd o u b l eo m e rm 盯g i i li 1 1o n ep l a n e 2 2 2 共轭凸轮机构工作特点 共轭凸轮机构实际是由两组能够实现相同从动件运动规律的凸轮机构以一定 方式组合而成的机构。两从动件是直动时，从动件的运动方向必须平行；两从动 件是摆动时，摆动轴线必须重合。共轭凸轮机构工作时，从动件的往复行程可以 认为是由两个凸轮分别驱动的，因此常称一个凸轮为主凸轮，另一个凸轮为副凸 轮。以一定安装角固结在一起的主、副两个凸轮控制两个刚性连接的从动件，使 凸轮能与从动件始终保持接触。即每一个径向圆盘( 即主、副凸轮) 分别和从动 件的滚子或顶尖接触。 共轭凸轮采用滚子接触从动件时，可获得良好的工作性能。这种共轭凸轮机 构从动件有两个摆杆和两个滚子，其中一个滚子借助外力牵制另一个滚子的运动， 这样就基本上可以消除间隙。因此，共轭凸轮机构在高速、较高运动负荷或冲击 负荷的情况下可以有效地控制从动件，从而使振动、噪声、磨损等得到有效控制。 共轭凸轮机构属于几何锁合型，盘形凸轮机构的凸轮轮廓与从动件是靠凸轮 的几何形状来保持二者始终接触。本文基于共轭凸轮机构的这种显著优点，结合 凸轮扫描感应淬火对淬火机构的要求，设计了基于共轭凸轮机构的凸轮共轭感应 淬火机构。 1 4 重庆大学硕士学位论文2 凸轮共轭感应淬火机构设计及运动控制计算 2 2 3 共轭凸轮机构的应用 凸轮机构是使从动件按预定规律运动的高副机构，作为机械式信息储存与传 递的基本元件，被广泛地应用于各种自动化机械中。一般凸轮机构的特点是只要 适当地设计凸轮轮廓曲线，便可使从动件获得任意预期的运动规律，且机构结构 简单、紧凑。共扼凸轮机构是一种典型的几何外形锁合结构，能够保证从动件始 终与凸轮接触从而控制其实现往复运动。此外，共轭凸轮采用滚子凸轮接触，磨 损少，且转动惯量比较小，适合于各种中、高速场合。基于上述原因，共扼凸轮 机构被广泛用于要求实现各种复杂运动的印刷机械、纺织机械中。 2 3 凸轮共轭感应淬火机构设计 2 3 1 凸轮共轭感应淬火机构设计 通过前文对现有凸轮感应淬火机构优缺点的分析，基于共轭凸轮的特殊运动 规律，本文提出了一种凸轮共轭感应淬火机构，通过单一轴数控实现凸轮相对于 感应圈等距匀速运动，实现了对感应器和凸轮间隙的精确控制，减小了以往二轴 联动、三轴联动机构对数控系统的要求。 本文提到的凸轮共轭感应淬火机构是在共轭凸轮机构的基础上改进而成，如 图2 1 l 所示，凸轮1 、2 不是刚性连接，凸轮1 安放在机床旋转工作台，连杆5 通 过弹簧7 保持滚子3 始终压紧在凸轮1 上【3 制，凸轮2 ( 工件) 以一定位置安放在凸 轮l 上，原来安装滚子4 的一端安装淬火感应器。淬火时连杆上摆杆滚子通过弹 簧始终压紧在凸轮上，下摆杆顶端感应器与凸轮表面保持一定间隙。工作时旋转 工作台带动凸轮l 以角速度旋转，在旋转周期内是变化的，以保证感应器沿凸 轮外表面恒线速度移动，达到凸轮淬硬层均匀的目的。 0 图2 1 1 凸轮共轭感应淬火机构 f i g 2 11c 锄c o r l j u g a t ei i l d u c t i o nq u e n c h i i l gm e c h a i l i s m 1 5 重庆大学硕士学位论文2 凸轮共轭感应淬火机构设计及运动控制计算 凸轮共轭感应淬火装置采用共轭的驱动杆和随动杆结构，并利用共轭凸轮的 传动特点，对需淬火凸轮进行感应淬火，使得感应器与凸轮需淬火的工作面距离 不变，并且通过调整主动凸轮的转动模式( 角速度) ，还可保证需淬火凸轮工作面 与感应器之间的相对线速度不变，从而保证感应淬火过程中工件表面各个部位具 有相同的淬火时间，从而达到均匀的对需淬火凸轮工作面进行感应淬火的目的， 使凸轮工作面的各个部位淬硬层深度基本相同，保证凸轮淬硬层深度的均匀性， 结构仅需要铰接轴组件和共轭的驱动杆及随动杆。本感应淬火装置操作简单，通 过调节旋转速度可得到不同的淬硬层深度，使用及制造成本低。 2 3 2 凸轮共轭感应淬火机构优缺点 凸轮共轭感应淬火机构是针对凸轮精确感应淬火而设计的，与已有的其他凸 轮感应淬火机构相比既有优点，也有一定的局限性。优点：( 1 ) 与固定式圆环形 感应机构相比，由于共轭凸轮机构的型锁和特性，凸轮共轭感应淬火机构可精确 控制感应器与凸轮轮廓的问隙，实现凸轮淬硬层深度的均匀性；( 2 ) 与固定式仿 形凸轮淬火感应器相比，针对不同的凸轮虽然二者都需要制作感应器或共轭凸轮， 但凸轮共轭感应淬火机构可通过调整间隙、转速等参数实现对淬硬层深度的不同 要求，固定式仿形淬火感应器则无法实现。且运用仿形感应器淬火后的凸轮淬硬 层深度不均匀，凸轮基圆及桃尖淬硬层较深，过渡区淬硬层深度则较浅；( 3 ) 与 二轴联动、三轴联动感应淬火机构相比，凸轮共轭感应淬火机构只需单一轴控制 即可实现感应淬火过程，对机床的数控化程度要求较低，适用性更强。且在保证 两凸轮共轭安装的情况下，对摆杆位置没有要求，操作简单。( 4 ) 可实现凸轮局 部加热。大多数情况下凸轮表面并不是都需要淬火，凸轮共轭感应淬火机构可实 现对指定凸轮表面区域进行局部感应淬火。缺点：( 1 ) 针对不同的凸轮需要制作 相应的共轭凸轮；( 2 ) 与其他扫描淬火方式相同，凸轮淬火后表面会产生软带。 2 4 凸轮共轭感应淬火机构运动控制计算 2 4 1 凸轮共轭感应淬