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感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式雖然很多,但是它們的基本要求是相同的。只要掌握感應(yīng)加熱的電磁基本理論,通過實踐,就可以根據(jù)零件淬火的技術(shù)要求,制造出好用的感應(yīng)器。
感應(yīng)器應(yīng)符合以下要求:
1.被加熱工件表面各處的溫度盡可能均勻。
2.感應(yīng)器損耗盡可能小,電效率盡可能高。
3.冷卻良好。
4.制造簡單,有足夠的機械強度,操作使用方便。
一、電磁轉(zhuǎn)換的基本知識
零件表面的感應(yīng)加熱,是通過感應(yīng)器將高頻電能轉(zhuǎn)換成感應(yīng)渦流來實現(xiàn)的。當高頻電流通過感應(yīng)器時,產(chǎn)生強大的高頻磁力線,這些磁力線在穿過工件表面時,就會產(chǎn)生出感應(yīng)渦流,渦流再轉(zhuǎn)換成熱能,使工件表面加熱到淬火溫度。
一定尺寸的工件,其表面吸收功率的能力除了決定于頻率、磁場大小外,還決定于零件的材料。同一尺寸的零件,由于鐵磁性材料的導(dǎo)磁系數(shù)u較非鐵磁性的大十幾倍以至幾十倍,因此鐵磁性材料的加熱速度要快得多。但是,當鋼件加熱到磁性轉(zhuǎn)變溫度(768度)以上或奧氏體狀態(tài)時,磁性消失u=1,此時的加熱速度將明顯下降。
在感應(yīng)加熱中,感應(yīng)器與工件之間應(yīng)留有足夠的間隙(一般為2-5mm)。當感應(yīng)器與工件中有間隙存在時,總有部分磁力線不經(jīng)過零件表面而在間隙中通過,對零件不起加熱作用,叫做漏磁,間隙越大,漏磁越嚴重。
除了漏磁外,還有磁力線的逸散問題。磁力線的逸散,是指磁力線雖然穿過工件,經(jīng)電磁轉(zhuǎn)換成了熱能,但這部分熱能并未用于零件淬火的部分,而是加熱了其它不應(yīng)淬火的部分。在采用同時法加熱外圓柱表面時,雖是內(nèi)磁場加熱,也有較輕的磁力線逸散。間隙愈大,則逸散愈嚴重,零件的熱影響區(qū)越寬,增加了功率的無益損耗。
采用外磁場加熱時,磁力線的逸散更為嚴重。常采用導(dǎo)磁體,克服磁力線的逸散,它可以將零件表面的加熱寬度限制在最小的范圍內(nèi)。
二、高頻電流的特性
高頻電流的特性,包括表面效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、圓環(huán)效應(yīng)和尖角效應(yīng)。
1.表面效應(yīng)在高頻電流的特性中,表面效應(yīng)是最基本的。
它在感應(yīng)加熱中可用于兩個方面:
第一,是用在高頻電流的輸配電方面。在計算導(dǎo)體的截面時,應(yīng)以電流流過的實際截面積來計算,不能用直流或工頻的計算方法。頻率足夠高時,導(dǎo)體中心沒有電流。為了節(jié)省材料,可用管狀或薄板狀材料制作導(dǎo)體。
第二,是根據(jù)工件不同的淬硬層深度,選擇高頻電流的頻率。
2.鄰近效應(yīng)當兩個載有高頻電流的導(dǎo)體靠近時,如果電流方向相反,由于高頻磁場的相互作用,高頻電流集中在導(dǎo)體的相鄰一面,這種現(xiàn)象,叫鄰近效應(yīng)。頻率愈高,兩導(dǎo)體靠得愈近,這種現(xiàn)象就愈嚴重。
鄰近效應(yīng)不僅存在于高頻電流的傳輸導(dǎo)體中,同時也存在于被加熱的零件中,當工件在感應(yīng)器中放置偏心時,就會造成溫度不均,靠感應(yīng)器近的部分加熱快,而遠的部分則加熱慢。造成這種現(xiàn)象的原因,主要是靠近感應(yīng)器的部分間隙小,磁阻小,磁力線發(fā)生偏聚所致。
3.圓環(huán)效應(yīng)大多數(shù)感應(yīng)器做成圓環(huán)狀。當高頻電流通過圓環(huán)狀的導(dǎo)體時,高頻電流集中在導(dǎo)體的內(nèi)側(cè),這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應(yīng)。圓環(huán)效應(yīng)對加熱外圓柱面是十分有利的,因為這時圓環(huán)效應(yīng)與鄰近效應(yīng)是完全一致的,感應(yīng)器的最高效率可達85%圓環(huán)效應(yīng)對加熱內(nèi)孔來說,卻又是不利的。會使工件與感應(yīng)器之間的有效間隙大為增加。又系采用外磁場加熱,會使高頻磁場的漏磁與磁力線的逸散更加嚴重,以致感應(yīng)器效率急劇下降。
4.尖角效應(yīng)當形狀不規(guī)則的工件置于感應(yīng)器中加熱時,帶尖角或凸起部分的加熱速度比其它部分快,這一現(xiàn)象叫做尖角效應(yīng)。
克服尖角效應(yīng)的辦法,是在感應(yīng)器設(shè)計時,將工件的尖角或凸起部分的間隙適當增大,以使各部分的溫度趨于均勻。
三、導(dǎo)磁體的驅(qū)流作用及其應(yīng)用
導(dǎo)磁體對于減少磁力線的逸散和提高感應(yīng)器的效率是十分有效的,它是內(nèi)孔與平面感應(yīng)加熱中不可缺少的工具。利用其驅(qū)流作用可以改變高頻電流與感應(yīng)渦流的相對位置,使圓環(huán)效應(yīng)與鄰近效應(yīng)相一致。感應(yīng)器卡上導(dǎo)磁體后,磁力線將完全經(jīng)過導(dǎo)磁體而形成閉合回路,從而在很大程度上減少磁力線的逸散,極大提高了內(nèi)孔與平面感應(yīng)器的效率。
外圓表面感應(yīng)器卡上導(dǎo)磁體后,限制了工件被加熱的寬度,減少磁力線的逸散,也可略為提高這類感應(yīng)器的效率。
導(dǎo)磁體還可以用來強化局部加熱。如常用來提高R角的淬火溫度。
四.感應(yīng)加熱的屏蔽原理及其應(yīng)用
在感應(yīng)器的設(shè)計制造時,還應(yīng)考慮到對相鄰部位或不需要淬火部位采取屏蔽措施,不然在淬火時會導(dǎo)致不應(yīng)有的淬火(或產(chǎn)生淬火裂紋),或回火軟化。
屏蔽有兩種方法。一種是利用非磁性金屬紫銅做成短路磁環(huán)。當磁力線穿過銅環(huán)時,便產(chǎn)生感應(yīng)渦流,此渦流所產(chǎn)生的磁場方向與感應(yīng)器正好相反,這樣就抵消或消弱逸散的磁力線,以達到屏蔽的目的。另一種是利用鐵磁材料(如硅鋼片或低碳鋼片)做成磁短路環(huán)。由于它們的磁阻較工件小,而逸散的磁力線優(yōu)先通過短路磁環(huán),就達到了屏蔽的目的。
除此之外,也有一些其他需要屏蔽的部位(如軸上的鍵槽、油孔、裝配孔等),也可打入銅銷,以避免該處過熱,產(chǎn)生淬火裂紋。