（材料加工工程专业论文）等速驱动轴中间轴的感应淬火数值模拟分析.pdf

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s h a f ti so n eo ft h ek e yp a r t so fc a r s ，a st h ek e yp a r t ， c o n s t a n tv e l o c i t yd r i v e - s h a f ti sas a f e t yp a r t si nag r e a td e m a n dw h i c hc a l lc o n v e y h e a v yd r i v i n gt o r q u e ，s u p p o r th e a v yl o a da n dh a sh i 【g ht r a n s m i s s i o na c c u r a c y s oi t d i r e c t l ya f f e c t st h ed r i v e rs t e e r i n gp e r f o r m a n c e m i d d l e - s h a f to fc o n s t a n tv e l o c i t y d r i v e - s h a f tc o n n e c t e dt h eb o t he n d so fb e a r i n g t h e r e f o r e ，i m p r o v i n gi t sp e r f o r m a n c e a n dl i f ei si m p o r t a n tt oi m p r o v ep o w e ra n dh a n d l i n go fc a r s a tp r e s e n t ，t h em e t h o do fe s t i m a t i n gt h eg o r et e m p e r a t u r ei sa n a t o m i c a lm e t h o d a tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h i sa p p r o a c hi so n l yf o rac e r t a i np i e c e ，t h e r ea r en or e g u l a r i t y r e s u l t sa n ds u c ha na p p r o a c hi su n d o u b t e d l yi n c r e a s ec o s t s t h r o u g hp r o c e s sd e s i g n a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h em i d d l e - s h a f t t h eh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ec a nb e d e s c r i b e da n do nt h eb a s i so fa d j u s t i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h er e s u l t sr e v e a lt h e r e g u l a rp a t t e r no ft h es u r f a c et e m p e r a t u r e m e a n w h i l e ，t h e r ei sad i f f e r e n c eo ft h e s h a p et r a n s i t i o nr e g i o na n dt h eo t h e rr e g i o ni nt h ea c t u a lp r o d u c t i o nt h a tc a nb e s o l v e dt h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st oe x p l o r et h er e a s o n sf o rp r o b l e ms o l u t i o n , s ot h a tt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yh a sp l a y e das u p p o r t i n gr o l e , s a v i n gm a n y c o s t st oi m p r o v et h ep r o c e s s i nt h i sp a p e r , t h em i d d l e - s h a f to fc o n s t a n tv e l o c i t yd r i v es h a f tw a sr e s e a r c h o b j e c t ，i t sh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ed e s i g n e d o nt h eb a s i s o ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s o nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h el a w a tt h es a m et i m er e p e a t e d l ya m e n d e d p r o c e s sp a r a m e t e r si no r d e rt of i n do u tt h em o s tr e a s o n a b l ep a r a m e t e r s ，s ot h a tt h e s u r f a c eo ft h em i d d l e s h a f tc o u l da c h i e v et h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ea n di d e n t i f yt h e c a u s eo fa b n o r m a lp e r f o r m a n c eo ft h et r a n s i t i o nz o n e b ys i m u l a t i n gt h eh e a t i n g p r o c e s sw ef o u n dt h a tt h ei n d u c t i o nf r e q u e n c y , c u r r e n td e n s i t ya n dh e a t i n gt i m ea f f e c t o nt h et e m p e r a t u r eo ft h em i d d l e - s h a f t t h er e s u l t ss h o wt h a t ：w h e nt h ef r e q u e n c yw a s2 5 0 0 h z , c u r r e n td e n s i t yw a s 15 e 7 a m za n dt h eh e a t i n gt i m ew a s1 9 s ，t h eh e a t i n gt e m p e r a t u r er e a c h e dt h eb e s t q u e n c h i n gt e m p e r a t u r e m e a n w h i l ew e a l s of o u n dt h a tc u s pe f f e c to nt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nt h es i m u l a t i o np r o c e s st h a ti st h er e a s o nc a u s e du n e v e nd i s t r i b u t i o no f t h es h a p et r a n s i t i o nr e g i o n k e y w o r d s ：c o n s t a n t c u s pe f f e c t 摘要 a b s t r a c t 目录 第1 章绪论。 i i i l 1 1 引言l 1 2 感应加热数值模拟发展概况1 1 2 1 感应加热研究现状1 1 2 2 存在的问题3 1 3 选题的背景和意义4 1 4 研究目标及研究内容5 1 5 本文的研究方法5 1 6 创新点5 1 7 本章小结6 第2 章感应加热工艺设计 7 2 1 感应加热工艺原理7 2 1 1 电磁感应7 2 1 2 感应电流基本特性9 2 1 3 感应电流加热方式1 5 2 2 感应淬火l8 2 2 1 概j 苤1 8 2 2 2 感应淬火的特点1 8 2 3 感应加热工艺设计1 9 2 3 1 工件尺寸1 9 2 3 2 硬化层深度2 0 2 3 3 频率2 0 2 3 4 感应线圈2 2 2 3 5 电流密度2 6 2 4 本章小结2 6 第3 章感应加热有限元数值模拟 2 7 3 1 电磁场有限元计算理论。2 7 3 1 1 模拟计算模型。2 7 3 1 2 边界条件3 0 3 2 温度场有限元计算理论31 3 2 1 模拟计算模型3 l 3 2 2 初始条件和边界条件。3 2 3 3a n s y s 软件介绍。3 4 3 3 1 概j 苤3 4 3 3 2a n s y s 耦合分析3 4 3 4 感应加热的模拟过程3 6 3 4 1 单元类型。3 6 3 4 2 材料特性3 7 3 4 3 模型建立。4 0 3 4 4 网格划分4 0 3 4 5 施加载荷4 l 3 4 6 电磁场模拟结果4 2 3 5 本章小结4 2 第4 章模拟结果分析与优化 4 1 计算参数模拟结果4 4 4 2 1 电流密度：4 5 4 2 2 加热时间4 5 4 3 模拟结果优化j 4 6 4 3 1 温度分布不均的原因4 7 4 3 2 工艺参数的优化4 9 4 4 本章小结5 4 第5 章总结和展望 5 1 总结5 5 5 2 展望5 5 参考文献。 致谢 攻读硕士期间发表的论文 1 1 引言 第1 章绪论 等速驱动轴是把两个轴线不重合的轴连接起来，并使两轴以相同的角速度 传递运动的机构1 捌，如图1 - ! 所示。它是轿车传动系统中的重要部件，其作用 是将发动机的动力从变速器传递到汽车的驱动轮，满足轿车传动轴外端转角的 要求，将发动机的动力平稳、可靠的传递给车轮，补偿轿车内端悬架的跳动， 驱动轿车高速行驶。 图1 - 1 等速驱动轴 中间轴是连接差速器或末端减速齿轮侧等速万向节和车轮侧等速万向节的 实心( 或空心) 轴，用来传递运动和扭矩，所以提高它的性能与寿命，对提高 整个汽车的动力性、操纵性都起着至关重要的作用【3 1 。 1 2 感应加热数值模拟发展概况 1 2 1 感应加热研究现状 感应加热是一个综合了磁、热、电、力学和相变等多方面知识的物理过程， 这一过程的复杂性导致现在的耦合理论还无法对其进行完整和精确的描述。然 武汉理工大学硕士学位论文 而，现代计算机技术的发展使科研人员可以通过大型的商业模拟软件来对该过 程进行分析和计算。目前，国内外许多学者和研究人员已投入到该项目的研究 当中。 二十世纪六十年代中期，有限元法第一次在电磁场的数值计算中应用。到 了七十年代，研究主要集中在涡流场的轴对称问题的简化和磁势量的解。进入 n - 十世纪八十年代初期，在二维磁场的模拟中已经广泛使用商业软件包， m a r c h l a n d 和f o g g i a 在二维磁感应加热的有限元模拟中运用了a x s y m 软件解决 了非线性的电磁问题，在麦克斯韦方程组中对标量进行了假设然后用数值方法 进行描述，这样大大减少了计算的时间，同时将实验结果与数值计算的结果进 行了比较，存在一定的误差1 4 。a h m e dm 在感应加热的旋转对称模拟中给出了 导体的电导率、长度和半径对涡流大小的影响，讨论了电流密度对涡流分布不 均匀性的影响，同时利用圆柱工件的同轴旋转来达到均匀涡流分布的目的 5 1 。日 本的t a n r o k um i y o s h i 等在基于边界积分方程的感应加热有限元分析中推 导出了响应函数，给出了磁场边界的约束关裂6 1 。g e n t am a e d a 在感应加热 漏磁的有限元分析中讨论了圆柱工件与感应器的间隙大小对漏磁的影响，结果 表明间隙越大漏磁现象越严重，对加热温度的影响就越大【7 】。k a l u sm a r i a n 在管道感应加热的数学模型中提出了耦合的数学模型，考虑了非线性的系数对 感应器内侧温度的影响【引。 到了二十世纪八十年代末九十年代初期的时候，国外学者开始致力于三维 涡流场的模拟和尝试将涡流场与热场进行耦合模拟。 m e s q u i t e 对三维感应加热有限元的有效步长进行了研究，避免了迭代计算 需要在每个时间步都进行非线性的耦合，同时进行了瞬态热传导方程的对流、 辐射边界和电磁系统的建模，但没有对其进行试验并和模拟的结果比较嗍。一些 学者也通过设计感应加热的等效电路来揭示模拟中参数的设置和限定，引入了 表面阻抗的概念来减少标量的设定从而减少了涡流的计算量【l 们。c h a b o u d c zc 等 比较了铁磁性和非铁磁性材料的涡流场，提出了复矢量磁位势法，对轴对称的 棒材进行了网格的划分和模拟，在以同轴旋转的方法均匀涡流分布的基础上进 行改进，同时采用感应器不均匀缠绕的方法来进一步均匀涡流分布，但此法在 模拟时没有考虑磁漏的影响，在后来的试验对比中也证实存在一定的偏差【l 。 目前国内外学者都认识到，直接利用这些功能强大的商业软件进行感应加 热的有限元数值模拟计算，是一种十分方便、高效的方法。 2 武汉理工大学硕士学位论文 k a w a s ey 、m i y a t a k et 和h i r a t a 对电动剃须刀片感应淬火的涡流场与热场的 耦合进行了研究，并使用三维有限元方法建立了非线性计算模型【i 2 1 。 f i r e t e a n uv 等在基于三维有限元的感应加热涡流分析中提出了一种三维单 线圈模型横向磁通感应加热电感( t f i h ) 并通过a n s y s 模拟，分析了金属带 材的不同密度对涡流分布的影响，在解决带材移动的问题上提出了两种不同的 解决方法，一种为使带材和感应器之间形成相对静止的关系，以感应器为中心 进行高度的确定和网格的划分；另外一种是将感应器视为单匝对无限长的带材 进行加热，在模拟中往往选择前者，通过试验比较，前者的方法误差更小【1 3 1 。 近年来，国内一些学者也采用有限元法对感应加热的过程进行模拟。秦子 然等人利用a n s y s 有限元分析软件，对4 5 瑚特定形状底盘零件在感应加热、 冷却的全过程进行了温度场的二维有限元模拟分析，实验与模拟结果吻合良好。 但是，他们的研究都是建立在对实际情况的简化上，忽略了感应加热磁力线切 割工件时，工件内部会产生感生电流在数值模拟中，没有考虑位移电流对感应 加热的影响【1 4 1 。 浙江工业大学的赵敏、吴金富、许雪峰等分析了圆柱工件的感应淬火过程， 得到了工件的温度分布状况以及温度随时间的变化规律，问题是没有考虑到加 热过程中工件的移动导致的磁力线逸散问题【l 研。 天津大学的程亦晗等对平板移动感应加热磁一热耦合场数值模拟的研究， 证明了使用a n s y s 进行移动式感应加热数值模拟计算的可行性和数值模拟方 法的正确性与实用性【阍。 朱圆圆、储乐平、徐华等对钢件淬火过程温度场进行了数值模拟，得到了 钢件淬火不同时刻的温度场、在某一时刻沿钢件内壁温度分布以及钢件上所选 特殊点的温度分布对于淬火液的选取及淬火工艺的优化提供了参考依据，对淬 火过程中的热应力、残余应力计算提供了温度边界条件【1 7 - 1 9 1 。 1 2 2 存在的问题 ( 1 ) 虽然国内外学者在感应加热的模拟方面做了许多工作，但是被加热的 零件大多数为规则的圆柱体、平板和带材，形状较为理想。对形状不 规则工件的模拟几乎没有涉及。 ( 2 ) 在国内感应加热的模拟只限于研究温度分布的阶段，对热处理的工艺 参数和模拟之间的联系衔接较少，感应加热中电流效应对温度分布的 3 武汉理工大学硕士学位论文 影响没有涉及。 1 3 选题的背景和意义 作为轿车的关键部件之一，等速驱动轴的性能直接影响到汽车的转向驱动 性能，所以提高其质量对提高整个汽车的动力性、操纵性都起着至关重要的作 用【2 们。随着科学技术的发展，机械零件的性能除了与其成型技术和材料本身的 特性有关，还与其相应的热处理技术息息相关，尤其重要的是加热技术，这是 热处理过程的关键性所在。 感应加热技术在我国起步较晚，与世界发达国家相比存在着较大的差距。 直到8 0 年代初，感应加热设备才有了一定的应用，但因其与其它加热方式相比 在节能和无环境污染等方面的显著优势，近几年来得到了长足的发展，己被广 泛应用于钢铁、石油、化工、有色金属、汽车、机械和军工产品的零部件热处 理，且随着感应加热技术的进一步发展，其市场应用前景将越来越广阔【2 。 在淬火加热中，除了表面温度的要求外，对加热层厚度等也有不同要求。 所有这些都要求加热功率、加热时间等工艺参数选择合理，而在实际生产中， 生产过程的复杂性以及人工控制的不精确性和随机性，可能就会产生两种很难 控制的情况： l 、加热功率过小，加热时间过长。 2 、加热功率过大，加热时间过短瞄】。 为了让工件保持在一个合理的加热温度范围之内就必须在确定工件表面温 度的同时也要知道工件芯部的温度，这个要求通过目前的方法是很难达到的， 在目前来说，都是在热处理完毕之后通过室温解剖的方法来估算芯部温度， 这种做法也仅仅是针对某一个工件而言，没有一个规律性的结果，而且这样的 方法无疑是对成本的又一增加。所以，要符合现代产品的高质量、低能耗的要 求，仅仅从定性的方面去分析热处理加热的过程是远远不够的。 感应加热的优点在于，它的热源在工件的表面，加热的速度快，效率高， 变形小；加热的时间很短，工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳 强度以及耐磨性等均有很大提高。有利于发挥材料地潜力，节约材料消耗，提 高零件使用寿命，便于实现机械化和自动化【2 3 1 。选择感应加热方式的同时，借 助现代先进的计算机分析软件，模拟感应加热的过程，利用电磁学、传热学的 4 武汉理工大学硕士学位论文 知识，对工件加热过程进行描述、建模、求解，从而计算出工件表面温度和芯 部温度随时间和空间的分布，利用温度分布的实时信息对感应加热装置、加热 的条件、工件材料选择以及淬火手段等进行优化设计和提供理论指导。这样就 可以降低成本，同时提高成品的质量，对产品的生产和检验不再是定性认知而 是可以定量把握。 1 4 研究目标及研究内容 借助有限元分析软件a n s y s 全面分析等速驱动轴中间轴在感应加热过程 中的表面温度、芯部温度随时间的变化规律，对比不同的参数设置对温度分布 的影响得出理想的工艺参数，由于其在形状上有突变部分，在加热的过程中会 出现温度分布不均的情况，所以在得出合适的加热数据后，还要对这一现象进 行分析和解决，为实践提供指导。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 确定等速驱动轴中间轴的热处理工艺参数以及进行感应器的设计： ( 2 ) 利用计算机软件模拟出轴的温度分布； ( 3 ) 总结出主要工艺参数对热处理影响的规律； ( 4 ) 分析轴在形状突变部分温度分布不均的原因并优化工艺参数。 1 5 本文的研究方法 ( 1 ) 分析零件的各项尺寸和参数，通过对其进行表面淬火的工艺设计确定 热处理的相关参数； ( 2 ) 确定各项模拟的参数后对中间轴进行感应加热的模拟，得出温度分布； ( 3 ) 运用单一变量的方法总结出主要工艺参数对温度高低以及温度分布的 影响规律； ( 4 ) 结合模拟的结果以及规律分析温度分布不均问题的原因和优化工艺参 数。 1 6 创新点 5 武汉理工大学硕士学位论文 感应加热数值模拟的研究对象大多为理想的圆柱轴类、钢板或者带材，本 文的研究对象在形状上有突起部分，通过数值模拟手段来揭示它对工艺设计和 最终淬火温度的分布以及大小的影响乃本文的创新点所在。 1 7 本章小结 本章介绍了等速驱动轴中间轴的概况以及感应加热数值模拟的发展状况， 列举了国内外一些学者的研究工作，明确了本课题的研究意义和主要内容，制 定了相应的研究方法，阐述了预期结果和创新点。 6 一一 塞坚堡三奎堂堡主堂垡笙壅 一 _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ - - _ - - - _ - - - _ _ - _ - _ 一。 第2 章感应加热工艺设计 2 1 感应加热工艺原理 感应加热是将零件置于感应器内，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，以 达到加热金属的目的【2 4 】，如图2 - 1 所示。 2 1 1 电磁感应 图2 - 1 感应加热原理示意 将零件置于感应器内，当感应器中有交变电流通过时，在感应器内部和周 围产生与电流频率相同的交变磁场，周围磁力线变化分布，工件被磁力线切割， 因此，在零件内部就产生相应的感应电动势，而感应电流在零件表面生成，这 种现象称为电磁感应【2 5 】。 交变电流被通入感应器，工件内部产生感应电流，此感应电流在工件的内 部形成闭合的回路，其方向与通入感应器的电源电流方向相反，流通呈涡流状， 7 武汉理工大学硕士学位论文 故又称涡流。零件就是通过涡流使之局部瞬时迅速发热，进而达到工业加热的 目的。 感应加热基本原理可以用电磁感应定理和焦耳一楞次定理来描述，产生 感应电动势的瞬时值为： d 西 弘一言 ( 2 - 1 ) 式中卜瞬时电势，v ； 垂一零件上感应电流回路所包围面积的总磁通，w b ，其数值随感应器中 电流强度和材料的磁导率的增加而增大，并与零件和感应器之间的间 隙有关。 感应电动势使工件导体中产生涡流i ，进而产生焦耳热q 。这一过程可用焦 耳一楞次定律表达为： 式中q 一热能，j ； t _ 加热时间，s 。 q = 0 2 4 1 2 r t ( 2 - 2 ) 对铁磁材料( 如钢铁) 而言，涡流加热产生的热效应可使零件温度迅速升 高，钢铁零件是硬磁材料，它具有很大的剩磁，在交变磁场中，零件的磁极方 向随感应器磁场方向的改变而改变。在交变磁场的作用下，磁分子因磁场方向 迅速改变将发生激烈的摩擦发热，因而也对零件加热起一定作用，这就是磁滞 热效应【2 6 1 。这部分热量比涡流加热的热效应小得多，故在以后的讨论中将这部 分热量忽略。 钢铁零件磁滞热效应只有在磁性转变点a 2 ( 7 6 8 ) 以下存在，在a 2 以上， 因钢铁零件失去磁性，所以磁滞热效应不存在。因此，对钢铁零件而言，在a 2 点以下，加热速度比在a 2 点以上时快。 感应加热时，感应器和零件中产生的磁场所分布的磁力线总是沿磁阻最小 的途径形成封闭回路的，故此时所产生的磁力线只能在零件表面通过【2 7 1 。如果 感应器与零件之间的间隙非常小，逸散到周围空气间隙中漏磁通损耗就很小， 则可以把感应器所产生的磁能全部为零件的表面所吸收，此时，零件表面的感 8 武汉理工大学硕士学位论文 应电流与感应器中通过的电流大小相等，方向相反。根据这种理想条件，使用 单匝感应器，高度为1 c m 的圆柱形零件表面所吸收的功率p 。使用下式计算。 只= 1 2 5 x 1 0 - 3 r o l 2 ( 2 - 3 ) 式中p r 零件表面吸收功率，w c m 2 ； i - 感应器上的涡流强度，a ； r r 零件圆柱半径，咖； 卜零件材料的电阻率，q c i i l ； i i _ 零件材料的磁导率； ，二一电流频率，h z 。 从式( 2 3 ) 可以看出，零件表面吸收的功率( p 。) 与零件圆柱半径( 舶) 、 感应器上的涡流平方( 1 2 ) 以及被加热材料的电阻率( p ) 、被加热材料的磁导率 ( p ) 和电流频率( ，) 三者乘积成正比。 2 1 2 感应电流基本特性 2 1 2 1 表面效应( 集肤效应) 图2 2 感应电流在金属截面上的分布 9 武汉理工大学硕士学位论文 当一个金属零件通过直流电时，在金属零件的截面上电流的分布是均匀的； 当金属零件通过交流电时，沿金属零件截面的电流分布是不均匀的，最大电流 密度出现在金属零件的表面【2 踟，如图( 2 2 ) 所示。 这种交变电流的频率越高，电流向表面集中的现象就越严重。这种电流通 过导体时，沿导体表面电流密度最大，越往中心电流密度越小的现象称为高频 电流的集肤效应，又称为表面效应。因此，零件感应加热时，其感应电流在零 件中的分布从表面向中心呈指数衰减，可表示为： l l ：i ( 2 - - 4 ) 式中b - 零件表面最大的电流( 涡流) 强度，a ； 卜距零件表面某一距离的电流( 涡流) 强度，a ； x _ 到零件表面的距离，伽； 忙电流透入深度，e n l ，它是与材料物理性质有关的系数。 由上式可知：x = o 时，l x = 1 0 ；x o 时，i x i o ；x = a 时，i x = i o e = o 3 6 8 1 0 。 工程上规定，当电流( 涡流) 强度从表面向内部降低到表面最大电流( 涡 流) 强度的0 3 6 8 时，则该处到表面的距离称为电流透入深度。 这样规定是由于分布在金属零件表面的电流( 涡流) ，只在零件表面深度为 的薄层中通过，但它并不能全部用于将零件表面加热，而是有一部分热量被传 到零件内部和芯部损耗了。此外，还有一部分热量向零件周围的空间热辐射损 失了。由于涡流所产生的热量与电流( 涡流) 强度的平方成正比，因此，由表 面向内部的热量降低速率比涡流降低速率快得多，如图2 3 所示，图中指出了高 频加热时零件表面涡流密度随温度的变化。按上述计算，可以认为有8 5 以上 的热量发生于厚度为的薄层内，其余的( 即1 5 ) 热量可以认为是理论上的 无功热损耗。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 - 5 - 如 4 p 距离x m m 图2 3 高频加热时零件表面涡流密度与温度的变化 电流透入深度的大小与金属的电阻率、磁导率和电流频率有关，关系式为： - 5 0 3 0 0 1 蒡 ( 2 - 5 ) 从上式中可以看出，电流透入深度随零件材料的电阻率的增加而增加，随 零件的磁导率及电流频率的增加而减小。在8 0 0 , - - - , 9 0 0 。c 范围内，各种钢铁材料 的电阻率基本相等，大约为1 0 - 4 n e m ；磁导率在失去磁性前基本不变( 其数值 与磁场强度有关) ，但在磁性转变点a 2 ( 7 6 8 。c ) 以上，钢铁材料失去磁性。此 时，磁导率下降为真空磁导率，炉l w b ( a m ) 。图2 4 所示为钢的磁导率及电阻 率与加热温度的关系。 武汉理工大学硕士学位论文 o 4 0 08 0 0 温度 c 图2 - 4 钢的磁导率及电阻率与加热温度的关系 将室温或者8 0 0 - 9 0 0 c 范围的钢的电阻率及磁导率的数值代入式( 2 5 ) 中， 可以得到电流透入深度与电流频率的简化公式，即 2 0 8 0 0 a 加纺 2 0 z 少厅 ， 咖 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 通常把居里点a 2 ( 7 6 8 ( 2 ) 以下的电流透入深度称为冷态透入电流深度，而 在a 2 以上( 如传统的热处理温度8 0 0 - 9 0 0 1 2 时) 的电流透入深度称为热态透入 电流深度。其本质的差别在于热态时钢已为顺磁体，其磁导率的值降低到l w b ( a m 1 。显然，热态电流透入深度比冷态透入电流深度大几十倍【2 9 1 。 2 1 2 2 邻近效应 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【3 们，如图2 5 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5 邻近效应 两个载流导体的电流方向相同时，两个载流导体的电流密度最小；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，如图2 - 6 所示。 援 图2 6 零件中的涡流沿感应器形状分布的情况 1 3 形勿 武汉理工大学硕士学位论文 零件上感应产生的涡流是沿着符合于感应器形状的路径经过的。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域形状相 似。 2 1 2 3 环状效应 高频电流通过圆柱状、圆环状或螺旋圆柱管状件时，最大的电流密度分布 集中在圆柱状( 圆环状或螺旋圆柱管状) 零件的内层，即圆环内侧的电流密度 最大，这种现象称为环状效应【3 ，如图2 7 所示。当电流频率增高时，电流只在 圆柱状( 圆环状或螺旋圆柱管状) 内侧表面流动，圆柱状( 圆环状或螺旋圆柱 管状) 的外侧没有电流流过。 图2 7 环状效应 在感应加热中，感应器形状大多是圆柱状、圆环状或螺旋圆柱管状。在环 状效应的作用下，高频电流聚集在感应器内侧，这对零件表面进行感应加热是 十分有利的。在这种情况下加热，热量损失少，热效率高，加热速度快。环状 效应的大小，与电流频率和圆环状的曲率半径有关。频率越高，曲率半径越小， 环状效应越显著。 2 1 2 4 尖角效应 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 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 涡流强度大，加热激烈，在极短时间内身高温度，并造成过热，这种现象称为 尖角效应【3 2 】。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 角或者形状不规则的零件，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。 2 1 3 感应电流加热方式 钢铁材料的感应加热过程中从室温到高温，零件表面引起了电阻率和磁导 率的变化，使得电流透入深度发生很大变化，同时，对零件加热层功率消耗及 加热层中的电流密度分布也将产生很大的影响。 感应加热过程可以分为三个阶段，即冷态、过渡态和热态。每个阶段的电 流密度分布如图2 8 所示。 l p 弼 翅 态k 态 图2 8 零件表面涡流密度与温度的变化 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 在感应加热开始时，零件处于室温，此时，电流透入深度很小，加热仅在 薄层内进行，其电流分布如上图中的冷态，称为冷态电流分布特性，当表面温 度升高达到磁性转变温度a 2 的一薄层时，加热层被划分为两层，即外层的磁性 消失层和与之紧密连接的磁性未消失层【3 3 1 。在磁性消失层中，由于磁导率和加 热层中的功率消耗激烈下降，因此，电流强度就大大降低，使得最大电流密度 推向磁性未消失层和磁性消失层交界处，即过渡态。 此时，电流密度分布的变化( 即电流强度急剧增加) ，使交界处的温度迅速 上升，从而使高温层不断向内移动，这样的加热方式称为透入式加热。 当磁性消失层的厚度超过热态电流透入深度后，涡流完全按着热态特性分 布，继续加热温度将得到提高。同时，由于热传导的作用，加热层的厚度也将 随时间延长而不断的增加。这和传统的加热一样，称为传导式加热。 2 1 3 1 透入式加热 透入式加热所需要的功率可以近似估算。将l e n a 3 的钢材由2 0 c j i 热到淬火 温度所需要的热量约为5 0 0 0 j ；当x 为硬化层深度，在加热到淬火温度时，可 以得到所需要的功率( 即比功率) 为 式中p r 比功率，w c r n 2 ； 厂川化层深度，m m ； 卜加热时间，s 。 矗= 半， ( 2 - 8 ) 透入式加热时沿截面温度曲线如图2 - 9 所示。 图中硬化层厚度x 与其淬火温度t 所包含的面积( 带格部分) 为设备所消 耗的有效功率，温度曲线所包含其余部分( 带斜线部分) 为表层过热和内部透 热所消耗的功率。 透入式加热的特点： ( 1 ) 表面的温度超过a 2 ( 磁性转变温度，约7 6 8 ) 后，最大涡流密度区 移向内层，表层加热速度就开始缓慢下来。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 加热迅速，热损失小，热效率高。实际测定有效功率约占总功率的5 0 6 0 左右，其余为表层过热及内部透热所消耗的功率。 ( 3 ) 热量分布较陡，淬火后的过渡层较窄，使表面压应力提高。 p 燃 赠 p 裂 赠 ( a ) 透入式( b ) 传导式 图2 - 9 两种加热方式的温度曲线 2 1 3 2 传导式加热 在传导式加热的过程中，加热速度由温度梯度和钢材热导率所决定。钢在1 0 0 0 c 时平均热导率为0 3w ( c r a ) 。表面过热度为t 时，获得x 的硬化层所需要的比 功率为 式中p r 单位表面功率，w c m 2 ； 】广川化层厚度，m m ； 卜表面过热度，。 异= 1 0 3 a - t ( 2 - 9 ) 由此可见，传导式加热时，过热度与比功率成正比。采用的比功率越大，过热 度越大，加热速度也就越快。因此，传导式加热的特点为： ( 1 ) 由于传导式加热是靠表面的过热度通过热传导方式向内部传递热量，加 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 热层厚度靠时间的延长而增加，故容易过热。 ( 2 ) 传导式加热温度曲线较平缓，其热效率低，约为2 0 - 5 0 。 ( 3 ) 由于其温度曲线较为平缓，过渡区较宽，表面残余压应力较小。 2 2 感应淬火 2 2 1 概述 感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交变磁场中切割磁感 线，在表面产生感应电流，又根据交流电集肤效应，以涡流形式将零件表面快 速加热，而后冷却的淬火方法。它在热处理领域中占有重要地位。 感应加热表面淬火的使用频率不同，可以分为超高频( 2 7 m 】) 、高频( 2 0 0 - 2 5 0 k h z ) 、中频( 2 5 0 0 , - 一8 0 0 0 h z ) 和工频( 5 0 h z ) ，由于电流频率不同，加热时 感应电流透入深度不同。使用高频时，感应电流透入深度很小( 约0 5 r a m ) ，主 要用于小模数齿轮和小轴类零件的表面淬火；使用中频时，感应电流透入深度 约为5 - - 1 0 m m ，主要用于中、小模数的齿轮、凸轮轴、曲轴的表面淬火；使用 超高频时，感应电流透入深度极小，主要用于锯齿、刀刃、薄件的表面淬火； 使用工频时，电流透入深度较大( 超过1 0 m m ) ，主要用于冷轧辊表面淬火【蚓。 2 2 2 感应淬火的特点 感应加热表面淬火是表面淬火方法中比较好的一种，因此，受到普遍的重 视和广泛应用。与传统热处理相比，它有以下的优点： ( 1 ) 感应加热属于内热源直接加热，热损失小，因此加热速度快，热效率 高。 ( 2 ) 加热过程中，由于加热时间短，零件表面氧化脱碳少，与其他热处理 相比，零件废品率极低。 ( 3 ) 能进行选择性加