階梯軸感應加熱淬火裝置及方法
2023-06-08 03:14:16
專利名稱：階梯軸感應加熱淬火裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種機械零件的熱處理裝置及方法，尤其涉及一種階梯軸感應加熱淬火裝置及方法。
背景技術：
有一定強度要求的階梯軸如圖1所示，由至少兩個直徑不同的軸階梯相連，現有技術對這種階梯軸的加工工序如下鍛造→正火→拋丸→粗車→調質→拋丸→校直→精車→表面淬硬→回火→磨削。
其中的表面淬硬工序是關係到階梯軸工件表面硬度和強度的重要工序，一般採用感應熱處理淬硬。在對圖1中所示A部進行淬硬時，現有技術的感應熱處理方法如圖2所示，是採用兩個感應器11和12分別對大徑軸和小徑軸進行感應加熱淬火，需要兩次裝夾。由於傳統圓環形感應器本身受磁場尖角效應、屏蔽效應、臨近效應等電磁效應的影響，形成如圖2所示的淬硬區13和淬硬區14，在大徑軸和小徑軸的交界過渡位置的有效硬化層深度很難控制，甚至沒有硬度。故傳統的工藝流程中必然需要粗車後的調質工序，通過調質來保證強度，並且為了保證強度等級，需選用淬透性和淬硬性好的鋼材，如42CrMo、40CrMnMo等中碳合金鋼。這樣，傳統工藝存在以下弊端A、為保證強度而採用高淬透性鋼，使材料成本增加；B、為保證最小直徑處強度而採用的整體調質熱處理，增加了熱處理成本；C、考慮調質變形，需增加機加工餘量，加上調質硬度大於正火硬度造成的刀具的損耗增加，使機加工成本上升；
D、感應加熱淬火採用兩次裝夾，使生產效率降低；E、大徑軸和小徑軸的交界過渡位置由於處於調質狀態，一般硬度不會超過35HRC，在存在劃痕、應力集中等狀況下，會使疲勞強度下降，降低了使用壽命，也易造成瞬間疲勞斷裂。
發明內容
本發明的目的，是為了克服現有技術的不足，提供一種能使階梯軸的過渡部位達到一定的淬硬層深度，並可簡化階梯軸的加工工序的階梯軸感應加熱淬火裝置及方法。
本發明所採取的技術措施是一種階梯軸感應加熱淬火裝置，包括中頻感應電源、簡易數控淬火工具機、變壓器、感應器對中裝置、導電排和感應器，所述的變壓器、導電排和感應器順序連接成一個整體設置在簡易數控淬火工具機上並與中頻感應電源電連接；所述的感應器對中裝置安裝在簡易數控淬火工具機上用於控制感應器的位置；其特點是還包括感應器快換裝置，該感應器快換裝置連接在導電排和感應器之間，感應器快換裝置為模塊結構件，包括導電排連接模塊和感應器連接模塊，兩模塊以可拆卸方式互連；所述的導電排與變壓器和感應器快換裝置之間的連接端面塗以導電膠，然後採用螺栓連接；所述的簡易數控淬火工具機採用可編程簡易程序控制；所述的變壓器為鐵氧體輸出變壓器；所述的導電排上設有兩組冷卻水管，分別安裝在兩側的電極板上；所述的感應器為雙圈結構環狀感應器，包括內圈施感圈和外圈噴液圈，內圈施感圈和外圈噴液圈緊密貼合相連。
上述階梯軸感應加熱淬火裝置，其中，所述的感應器快換裝置的導電排連接模塊包括左電極板、右電極板、上定位板、下定位板、絕緣隔板、兩墊板、兩壓板和連接鍵，絕緣隔板設置在左、右電極板之間，上、下定位板封蓋在左、右電極板的上下兩端，左、右電極板用於分別與導電排的兩前電極板相連；兩墊板設置在左、右電極板的上端兩側，兩壓板各通過一非標螺釘抵壓在兩墊板上並用於將感應器連接模塊與導電排連接模塊連接在一起，連接鍵豎向設置在右電極板上用於與感應器連接模塊鍵合相連。
上述階梯軸感應加熱淬火裝置，其中，所述的感應器快換裝置的感應器連接模塊包括兩連接板、兩中間板、兩接觸板、絕緣板、導向板、加強條、冷卻水管和連接鍵槽，兩中間板和兩接觸板相連設置在兩連接板一側面的下部，絕緣板夾設在兩連接板、兩中間板和兩接觸板之間，導向板設置在兩連接板另一側面的上部並用於與導電排連接模塊相連，加強條設置在兩連接板的底端用於將兩連接板固定在一起，冷卻水管設置在兩連接板的設有中間板和接觸板的一側，兩接觸板用於與感應器相連，連接鍵槽設置在一連接板上並與感應器連接模塊上的連接鍵槽相適配。
上述階梯軸感應加熱淬火裝置，其中，所述的感應器的施感圈和噴液圈的截面近似矩形，該兩近似矩形圈的內側下方一角都向內收縮成斜面，施感圈內側下方有一個向內的突起，所述的噴液圈的高度大於施感圈的高度，使設在噴液圈上的斜面露出在施感圈的下方，噴液圈的斜面上均設有多個噴液孔，噴液孔的直徑為1.2～2.4mm，相鄰兩噴液孔的間距為2～4mm，噴液孔軸線與感應器軸線的夾角為35°～55°；施感圈內通蒸餾水，噴液圈內通淬火液。
一種階梯軸感應加熱淬火的方法，所述階梯軸包括大徑軸和小徑軸，在大徑軸與小徑軸的變徑處形成階梯平面，其特點是，根據階梯軸的直徑選擇適配的感應器，並選擇合適的設備頻率和噴淋參數，採取感應器由下往上移動，從階梯軸的大徑端移向小徑端，按以下步驟進行淬硬步驟1、移動淬硬大徑軸表面將感應器置於大徑軸的底部，選擇合適的設備輸出功率和感應器移動速度，使感應器由下而上移動對大徑軸表面的主體部分進行淬硬；步驟2、停頓淬硬大徑軸上端至階梯平面之間的部分當感應器移動至其施感圈的三分之一高度露出階梯軸的階梯平面時，重新選擇設備輸出功率，停頓一段時間，對階梯軸的大徑軸上端至階梯平面之間的部分進行淬硬；
步驟3、快速移動至下一停頓淬硬位置完成步驟2後，將感應器快速移動至下一停頓淬硬位置；步驟4、停頓淬硬階梯平面至小徑軸前端之間的部分當感應器快速移動至其施感圈的下平面與階梯軸的階梯平面重合時，重新選擇設備輸出功率，停頓一段時間，對階梯軸的階梯平面至小徑軸下端之間的部分進行淬硬；步驟5、移動淬硬小徑軸表面完成步驟4後，重新選擇設備輸出功率和感應器移動速度，使感應器由下而上移動對小徑軸表面的主體部分進行淬硬；步驟6、結束完成步驟5後，關斷功率輸出，關閉淬火噴淋，鬆開頂針，將階梯軸移出感應器，停止工作，結束其對階梯軸的感應加熱淬火過程。
上述階梯軸感應加熱淬火的方法，其中，所述的設備頻率根據階梯軸的直徑大小選擇，當階梯軸的直徑在12-64mm之間變化時，設備頻率在30-2kHz之間選擇。
上述階梯軸感應加熱淬火的方法，其中，所述的各步驟的設備輸出功率為工件的比功率和感應器的有效導體所對應的工件的表面積的乘積然後比上一個效率係數，工件的比功率根據所選的設備頻率及對階梯軸淬硬層深度的要求進行選擇，當設備頻率在12-1kHz，淬硬層深度在1.5-9.0mm之間變化時，工件的比功率在4-1.2kW/cm2之間選擇。
上述階梯軸感應加熱淬火的方法，其中，所述的步驟1和步驟5的感應器移動速度等於兩倍的環形感應器的有效高度(mm)除以利用該環形感應器將工件表面加熱到900℃所花的時間(s)。
上述階梯軸感應加熱淬火的方法，其中，所述的步驟2的停留時間為0.8-7.2秒，步驟4的停留時間為0.6-4.2秒。
上述階梯軸感應加熱淬火的方法，其中，所述的噴淋參數包括淬火介質、噴淋壓力、淬火介質溫度和噴淋密度；所述的淬火介質根據階梯軸工件對淬火烈度的要求在聚烷撐乙二醇、聚丙烯酸鈉、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙基惡唑啉、快速油、中速油、常規油和熱油之間選擇；所述的噴淋壓力控制在0.15～0.6MPa；所述的淬火介質溫度控制在30～50℃；所述的噴淋密度控制在45～60(10-6.m3/cm2.s)。
本發明的階梯軸感應加熱淬火裝置及方法，利用中頻感應電源、簡易數控淬火工具機，採用專門設計的感應器及感應器快換裝置、感應器對中裝置、導電排，通過對設備頻率、設備輸出功率、感應器移動速度、特定位置加熱停留時間及噴淋參數的合理選擇和控制，對階梯軸進行連續掃描感應熱處理。既保證了階梯軸大、小徑交界過渡位置有一定的淬硬層深度，又可省去階梯軸的前道調質熱處理工序。由此帶來的優點包括以下具體內容A、由於階梯軸整個服役區域表面都通過感應熱處理均勻一致地硬化了，使構件達到了設計強度，故可省去階梯軸加工過程中為保證最小直徑處強度而採用的整體調質熱處理工序。即可採用「正火+中頻連續掃描加熱、淬火」的熱處理工藝流程替代傳統的「調質+分段感應加熱、淬火」的熱處理工藝流程。
B、可使選材等級降低。以前為保證強度而採用高價格的高淬透性鋼，現在可以採用中低價格的非調質鋼、中碳低合金鋼代替。
C、對於一定直徑的工件(特別是最小直徑在φ64以下的工件)，可使軸的設計直徑減小、重量減輕，從而使諸如汽車等最終產品的動力輸出性能增加。
D、對於承受扭轉載荷為主的軸類零件來說，全表面連續感應熱處理可使軸表面處於連續高硬度和壓應力狀態，而心部處於高韌性狀態，從而使軸的疲勞強度提高、服役壽命大大延長。
E、由於可以省去階梯軸加工過程中的整體調質工序，還可以帶來以下好處E1、毛坯粗加工餘量不再需要，零件耗材將減少2-4mm；
E2、加工周期縮短，製品成本降低；E3、使熱處理成本基本減半，至少每公斤零件(粗車後的重量)可節約調質成本1.5元以上；E4、可使機加工刀具壽命大大延長；E5、使毛坯到成品的不落地的連線生產成為可能，所以特別適用於大批量生產的汽車製造等行業。
本發明的具體特徵性能由以下的實施例及其附圖進一步描述。
圖1是常見階梯軸的結構示意圖；圖2是現有技術感應加熱圖1中所示A部的方法示意圖；圖3是本發明的階梯軸感應加熱淬火裝置示意圖；圖4是本發明中的變壓器、導電排、感應器快換裝置及感應器連接在一起的示意圖；圖5是圖4的俯視圖；圖6是本發明中的導電排的結構示意圖；圖7是圖4所示導電排的俯視圖；圖8是圖4所示導電排的B向側視圖；圖9是圖4所示導電排的C-C向剖視圖；圖10是本發明中的感應器快換裝置的導電排連接模塊的結構示意圖；圖11是圖10的側視圖；圖12是圖10的俯視圖；圖13是圖10的D-D剖視圖；圖14是本發明中的感應器快換裝置的感應器連接模塊的結構示意圖；圖15是圖14的側視圖；圖16圖15的E向視圖；圖17是本發明中的感應器的結構示意圖；圖18是圖17的側視圖；
圖19是本發明的階梯軸感應加熱淬火方法的實現過程示意圖；圖20是本發明的階梯軸感應加熱淬火方法的實現過程中步驟2停頓加熱淬火的淬硬效果示意圖；圖21是本發明的階梯軸感應加熱淬火方法的實現過程中步驟4停頓加熱淬火的淬硬效果示意圖。
具體實施例方式
參見圖3、圖4、圖5，本發明的階梯軸感應加熱淬火裝置，包括中頻感應電源21、簡易數控淬火工具機22、變壓器23、感應器對中裝置24、導電排25、感應器快換裝置26和感應器27。變壓器23、導電排25、感應器快換裝置26和感應器27順序連接成一個整體設置在簡易數控淬火工具機22上並與中頻感應電源21電連接，感應器對中裝置24安裝在簡易數控淬火工具機21上用於控制感應器與被加熱工件的相對位置。
本發明中的中頻感應電源21的功率管採用大功率的IGBT管，可快速啟動，其頻率採用4-12kHz。
本發明中的簡易數控淬火工具機22採用可編程簡易程序控制。採用淬火變壓器移動的方式，還需保證工件的旋轉速度連續可調、感應器的移動速度連續可調、感應器相對於工件在任意位置可停頓，加熱區域任意位置的加熱設備輸出功率可調。具體技術要求如下(1)、簡易數控工具機採用日本FANUC公司整套OTD系統進行控制。
(2)、變壓器支架的上下運動採用伺服電機、預緊滾珠絲槓、滾珠導軌，上下重複定位精度達到±0.01mm。
(3)、帶動工件旋轉的下頂尖採用交流變頻調速，採用富士公司的變頻器(FRENIC5000G11 TYPE:FRN 1.5G11S-4CX)，轉速1-500RPM連續可調。
(4)、夾持用上頂針採用氣壓夾持，上頂針支架升降運動控制採用交流變頻調速，採用富士公司的變頻器(FRENIC5000G11 TYPE:FRN 1.5G11S-4CX)，5-50HZ連續可調。
(5)、上頂針氣動夾持氣源採用0.4-0.6MPa壓縮空氣。
(6)、上頂針要有自鎖功能，下頂針軸承要有防水功能。
(7)、在有效夾持範圍內，上下頂針軸心連線與感應器中心軌跡線的同心度要求達到＜0.1mm。
(8)、系統為淬火電源提供0-10V標準電源輸出信號，從而能夠通過NC程序對中頻電源設備輸出功率進行精確控制。
(9)、為方便操作，工具機前方配置按鈕箱，拖動式，要有狀態調整旋鈕(編程、自動、點動、手動)、手動控制狀態下的相關操作按鈕(夾持控制、旋轉控制、變壓器移動控制)、程序循環啟動按鈕、緊急停止按鈕，以及零位調整、點動聯動轉換、電源開啟等按鈕和相關狀態顯示指示燈。
(10)、NC程序使用國際標準G代碼，簡單易用。
(11)、配置9英寸CRT顯示，可對加工件工作狀況進行動態監測。
(12)、系統可處理程序達到200個，並配備通訊接口以便拷貝程序、遠程編程。
(13)、供電電源AC380V(三相5線制)(14)、供電功率滿足伺服電機、變頻電機等的需要(15)、NC電源DC24V(16)、控制電源DC24V(17)、有關淬火工件最大長度、淬火工件最大重量、淬火工件最大直徑、淬火移動最大速度等需要提供給設備生產廠家，以便生產廠家最終確定淬火工具機的夾持最大長度(工具機高度)、主軸最大轉速、以及伺服電機、變頻電機所需的功率。
本發明中的變壓器採用體積小、重量輕、損耗功率小的鐵氧體中頻變壓器。
本發明中的感應器對中裝置24的作用是使感應器的中心和工件的迴轉軸重合。要求縱向(前後)可調位置為0-100mm；橫向(左右)可調位置為±15mm；採用直線導軌承重、絲杆調節的形式，在正面通過旋轉手柄調節前後位置，在正面通過傘齒輪帶動側面絲杆調節左右位置。有條件的話，可配置伺服電機驅動、探頭探測的方法自動對中。
參見圖6，配合參見圖7、圖8、圖9，本發明階梯軸感應加熱淬火裝置中的導電排25包括冷卻水管251、兩前電極板252、兩後電極板253、兩中間電極板254、絕緣隔板255和冷卻管接頭256。兩前電極板252和兩後電極板253設置在兩中間電極板254的前後兩端並將兩中間電極板254的兩端夾持在其間，絕緣隔板255由聚四氟乙烯材料製成，設置在兩中間電極板254之間，採用尼龍螺杆為堅固件，可可靠地防止電極間短路、打弧擊穿。冷卻水管251為紫銅管，分為兩組呈三面框形分別安裝在兩中間電極板254上，水管的上下兩框邊抵壓在中間電極板254的上下兩側，可有效冷卻導電排，使其不容易發熱燒壞。兩前電極板252用於與感應器快換裝置26相連，兩後電極板253用於與變壓器23相連，其連接端面塗以導電膠，用不鏽鋼螺栓緊固，連接緊密可靠、導電性好。
參見圖10、圖14，配合參見圖4。本發明階梯軸感應加熱淬火裝置中的感應器快換裝置26為模塊結構件，包括導電排連接模塊261(見圖10)和感應器連接模塊262(見圖14)。
參見圖10，配合參見圖11、圖12、圖13，導電排連接模塊261包括左電極板2611、右電極板2612、上定位板2613、下定位板2614、絕緣隔板2615、兩墊板2616、兩壓板2617和連接鍵2618。絕緣隔板2615設置在左電極板2611和右電極板2612之間，上定位板2613和下定位板2614封蓋在左、右電極板的上下兩端，左、右電極板用於分別與導電排25的兩前電極板252相連。兩墊板2616設置在左、右電極板的上端兩側，兩壓板2617各通過一非標螺釘抵壓在兩墊板上並用於將感應器連接模塊262與導電排連接模塊261連接在一起；連接鍵2618垂直設置在右電極板2612的左側。
請參見圖14，配合參見圖15、圖16，感應器連接模塊262包括兩連接板2621、兩中間板2622、兩接觸板2623、絕緣板2624、導向板2625、加強條2626和冷卻水管2627，在一連接板2621上設有與導電排連接模塊261上的連接鍵2618適配的連接鍵槽2628，兩中間板2622和兩接觸板2623相連設置在兩連接板2621一側面的下部，絕緣板2624夾設在兩連接板2621、兩中間板2622和兩接觸板2623之間，導向板2625設置在兩連接板另一側面的上部並用於與導電排連接模塊261相連，加強條2626設置在兩連接板的底端用於將兩連接板固定在一起，冷卻水管2627設置在兩連接板的設有中間板和接觸板的一側，兩接觸板2623用於與感應器27相連。本發明中的感應器快換裝置26的特點是與導電排25連接緊密、可靠，導電性好；採用水冷系統，不容易發熱；採用連接鍵槽定位，安裝重複度好；在安裝感應器時，可使感應器自動保持水平；在安裝感應器時，可通過調整螺釘使感應器在Z軸方向微調0-10mm；模塊結構，感應器快換裝置的感應器連接模塊262可通過鬆開導電排連接模塊261上的壓板2617的方式連同感應器27一起方便的拆卸下來，還可通過旋開連接螺釘的方式快速更換感應器。
請參見圖17，配合參見圖18，本發明階梯軸感應加熱淬火裝置中的感應器27包括兩導電板271、兩冷卻水管272、絕緣板273、兩淬火液管274、內圈施感圈275和外圈噴液圈276。兩導電板271和兩冷卻水管272對應相連，絕緣板273夾設在兩導電板271之間和兩冷卻水管272之間，兩冷卻水管272的另一端與施感圈275對應相連，兩淬火液管274與外圈噴液圈276對應相連。兩導電板271還與感應器連接模塊262電連接。本發明中的施感圈275和噴液圈276的截面近似矩形，施感圈275的內側下方一角向內收縮成斜面2751，緊臨該斜面的施感圈275的內側有一向外的突起2752。2751的存在，使感應器在如圖21的位置停頓時，可減緩對尖角處的磁感應尖角效應；2752的存在，使感應圈內側突起處的鄰近效應和尖角處的尖角效應達到一定的平衡。噴液圈276的內側下方一角向內收縮成斜面2761。噴液圈276的高度大於施感圈275的高度，使設在噴液圈上的斜面2761露出在施感圈的下方。噴液圈的斜面上均設有多個噴液孔，噴液孔的直徑為1.2～2.4mm，相鄰兩噴液孔的間距為2～4mm，噴液孔軸線與感應器軸線的夾角為35°～55°；施感圈內通蒸餾水，噴液圈內通淬火液。
本發明的階梯軸感應加熱淬火的方法，如圖19所示[在圖19中，工件28位於感應器27(圖中只示出了其施感圈的內圈作為感應器的代表)的中心，依靠頂針291和頂針292夾持定位(頂針292控制工件旋轉速度，頂針291氣動可伸縮，方便裝卸工件)，工件28包括大徑軸281和小徑軸282，在變徑處形成階梯平面283，並經一退刀槽284過渡到小徑軸。]，採取感應器27由下往上移動，從階梯軸28的大徑軸281端移向小徑軸282端的方式進行首先應根據階梯軸大徑的直徑選擇合適的感應器內徑和高度，其原則是，所選感應器內壁與階梯軸大徑的單邊間距為1.5-4mm，所選感應器的高度為1-2cm。將選擇好的感應器27置於大徑軸281的底部，合理選擇設備頻率、設備輸出功率、感應器移動速度及噴淋參數，使感應器27由下而上移動對大徑軸281表面的主體部分進行淬硬，在圖19中為區間31；當感應器27移動至其施感圈275的三分之一高度露出階梯軸的階梯平面283時，在圖19中為位置32；重新選擇設備輸出功率，停頓t1秒鐘，對階梯軸28的大徑軸281上端至階梯平面283之間的部分進行淬硬；其效果如圖20所示，為圖中的陰影部分32』。
接著將感應器27快速移動至下一停頓位置；其移動區間在圖19中為區間33。
當感應器27快速移動至其施感圈275的下平面與階梯軸28的階梯平面283重合時，在圖19中為位置34，重新選擇設備輸出功率，停頓t2秒鐘，對階梯軸的階梯平面283至小徑軸下端之間的部分進行淬硬；其效果如圖21所示，為圖中的陰影部分34』。
完成位置34的淬硬後，重新選擇設備輸出功率和感應器移動速度，使感應器由下而上移動對小徑軸表面的主體部分由下而上進行淬硬。在圖19中為區間35。
完成對小徑軸表面主體部分的淬硬後，關斷功率輸出、關閉淬火噴淋，鬆開頂針291，將感應器移出階梯軸，停止工作，結束其對階梯軸的感應加熱淬火過程。
感應加熱淬火的設備頻率根據階梯軸的直徑大小按表1所給出的數據選擇。
表1 設備頻率的選擇
移動掃描加熱時的設備輸出功率根據所選設備頻率及對階梯軸淬硬層深度的要求按下式進行選擇Pj＝PL/kPL＝P0×SLG上式中，Pj為中頻感應電源的輸出功率(kW)，PL為工件感應加熱所需功率(kW)，也就是作用在工件上的有效功率，K為中頻設備的淬火變壓器和感應器的效率，掃描加熱時，對硬化層深度的貢獻可以達到0.50-0.60之間，而在階梯交界處，其對硬化層深度的貢獻只能達到0.40-0.5之間，P0為工件比功率，SLG為感應器的有效導體所對應的工件的表面積(cm2)；移動掃描加熱時，比功率P0按表2所給出的數據選擇，考慮生產效率，加熱小軸端選用偏高值，加熱大軸端選用中間值。
表2 移動掃描加熱時比功率的選擇
移動掃描加熱時的感應器移動速度由下式確定v＝2h/th(但在如圖19所示的33區域內，感應器的移動速度需要在15-20(mm/s)範圍內選擇。)式中，v為感應器移動速度(mm/s)，h為環形感應器的有效高度(mm)，th為利用有效高度為h的環形感應器將工件表面加熱到900℃所花的時間(s)，該時間由下式給出th≈(5.667×VDS′)/P0×π×d×h式中，VDS′為工件在達到有效硬化層深度時的透熱體積(cm3)，對承受扭轉應力為主的軸類工件，取VDS′≈(1.15～1.25)×VDS，VDS為在有效硬化層深度為技術要求的中限時的硬化區域的體積，d為階梯軸的直徑(cm)。
感應器停頓時間t1和t2由以下方法確定t1≈[5.667×(d×2δ-4δ2)]/P0×d(s)此時的δ為圖紙要求的有效硬化層深度的深限(cm)，d為階梯軸大端的直徑(cm)。
t2≈[5.667×(d×δ-δ2)]/P0×d (s)此時的δ為圖紙要求的有效硬化層深度的深限(cm)，d為階梯軸小端的直徑(cm)。
P0為停頓時應選用的比功率(kW/cm2)，選用的值為掃描加熱時的比功率值的一半。
感應加熱淬火的噴淋參數包括淬火介質、噴淋壓力、淬火介質溫度和噴淋密度，淬火介質根據階梯軸工件對淬火烈度(H值)的要求按表3選擇；
表3 淬火介質的選擇
噴淋壓力控制在0.15～0.6MPa；淬火介質溫度控制在30～50℃；噴淋密度控制在45～60(10-6.m3/cm2.s)。
下面提供三個實施例。由於硬化層深度為一個範圍，以及階梯附近處於一個過渡狀態，下述實施例中的設備輸出功率、停頓時間，均可根據金相檢驗的有效硬化層深度情況，在一個小範圍內調整。
實施例1階梯軸直徑小端12mm，大端16mm；材質為45號鋼。硬化層深度要求為1.5-2.5mm，硬化層要求連續分布。
選用感應器規格內徑20mm，高度1.2cm；選擇設備頻率為30kHz，選擇聚烷撐乙二醇為淬火介質，控制噴淋壓力為0.15～0.6MPa、淬火介質溫度為30～50℃、噴淋密度為45～60(10-6.m3/cm2.s)；加熱淬火步驟將感應器置於大徑軸的底部，選擇設備輸出功率為36-43kW，感應器移動速度為5.37mm/s，使感應器由下而上移動對大徑軸表面的主體部分進行淬硬。當感應器移動至其施感圈的三分之一高度露出階梯軸的階梯平面時，選擇設備輸出功率為24.9-30kW，停頓1.18-1.4秒鐘，對階梯軸的大徑軸上端至階梯平面之間的部分進行淬硬。然後將感應器快速移動至其施感圈的下平面與階梯軸的階梯平面重合，選擇設備輸出功率為21.5-26kW，停頓0.59-0.7秒鐘，對階梯軸的階梯平面至小徑軸下端之間的部分進行淬硬。最後選擇設備輸出功率為31.2-37.5kW，感應器移動速度為8.68mm/s，使感應器由下而上移動對小徑軸表面的主體部分進行淬硬。
實施例2階梯軸直徑小端30mm，大端35mm；材質為40Cr鋼。硬化層深度要求為3.5-5.5mm，硬化層要求連續分布。
選用感應器規格內徑40mm，高度2cm；選擇設備頻率為5kHz，選擇聚乙基惡唑啉為淬火介質，控制噴淋壓力為0.15～0.6MPa、淬火介質溫度為30～50℃、噴淋密度為45～60(10-6.m3/cm2.s)；加熱淬火步驟將感應器置於大徑軸的底部，選擇設備輸出功率為120-142kW，感應器移動速度為6.22mm/s，使感應器由下而上移動對大徑軸表面的主體部分進行淬硬。當感應器移動至其施感圈的三分之一高度露出階梯軸的階梯平面時，選擇設備輸出功率為82.5-99kW，停頓2.85-3.4秒鐘，對階梯軸的大徑軸上端至階梯平面之間的部分進行淬硬。然後將感應器快速移動至其施感圈的下平面與階梯軸的階梯平面重合，選擇設備輸出功率為81.3-97.5kW，停頓1.48-1.77秒鐘，對階梯軸的階梯平面至小徑軸下端之間的部分進行淬硬。最後選擇設備輸出功率為118-142kW，感應器移動速度為8.56mm/s，使感應器由下而上移動對小徑軸表面的主體部分進行淬硬。
實施例3階梯軸直徑小端54mm，大端64mm；材質為42CrMo鋼。硬化層深度要求為6-9mm，硬化層要求連續分布；選用感應器規格內徑70mm，高度2cm選擇設備頻率為2kHz，選擇熱油為淬火介質，控制噴淋壓力為0.15～0.6MPa、淬火介質溫度為30～50℃、噴淋密度為45～60(10-6.m3/cm2.s)；加熱淬火步驟將感應器置於大徑軸的底部，設備輸出功率為190-228kW，感應器移動速度為2.91mm/s，使感應器由下而上移動對大徑軸表面的主體部分進行淬硬。當感應器移動至其施感圈的三分之一高度露出階梯軸的階梯平面時，選擇設備輸出功率為130.7-157kW，停頓5.64-6.8秒鐘，對階梯軸的大徑軸上端至階梯平面之間的部分進行淬硬。然後將感應器快速移動至其施感圈的下平面與階梯軸的階梯平面重合，選擇設備輸出功率為126.8-152kW，停頓2.84-3.41秒鐘，對階梯軸的階梯平面至小徑軸下端之間的部分進行淬硬。最後選擇設備輸出功率為185-220kW，感應器移動速度為4.07mm/s，使感應器由下而上移動對小徑軸表面的主體部分進行淬硬。
權利要求
1.一種階梯軸感應加熱淬火裝置，包括中頻感應電源、簡易數控淬火工具機、變壓器、感應器對中裝置、導電排和感應器，所述的變壓器、導電排和感應器順序連接成一個整體設置在簡易數控淬火工具機上並與中頻感應電源電連接；所述的感應器對中裝置安裝在簡易數控淬火工具機上用於控制感應器的位置；其特徵在於還包括感應器快換裝置，該感應器快換裝置連接在導電排和感應器之間，感應器快換裝置為模塊結構件，包括導電排連接模塊和感應器連接模塊，兩模塊以可拆卸方式互連；所述的導電排與變壓器和感應器快換裝置之間的連接端面塗以導電膠，然後採用螺栓連接；所述的簡易數控淬火工具機採用可編程簡易程序控制；所述的變壓器為鐵氧體輸出變壓器；所述的導電排上設有兩組冷卻水管，分別安裝在兩側的電極板上；所述的感應器為雙圈結構環狀感應器，包括內圈施感圈和外圈噴液圈，內圈施感圈和外圈噴液圈緊密貼合相連。
2.根據權利要求1所述的階梯軸感應加熱淬火裝置，其特徵在於所述的感應器快換裝置的導電排連接模塊包括左電極板、右電極板、上定位板、下定位板、絕緣隔板、兩墊板、兩壓板和連接鍵，絕緣隔板設置在左、右電極板之間，上、下定位板封蓋在左、右電極板的上下兩端，左、右電極板用於分別與導電排的兩前電極板相連；兩墊板設置在左、右電極板的上端兩側，兩壓板各通過一非標螺釘抵壓在兩墊板上並用於將感應器連接模塊與導電排連接模塊連接在一起，連接鍵豎向設置在右電極板上用於與感應器連接模塊鍵合相連。
3.根據權利要求1所述的階梯軸感應加熱淬火裝置，其特徵在於所述的感應器快換裝置的感應器連接模塊包括兩連接板、兩中間板、兩接觸板、絕緣板、導向板、加強條、冷卻水管和連接鍵槽，兩中間板和兩接觸板相連設置在兩連接板一側面的下部，絕緣板夾設在兩連接板、兩中間板和兩接觸板之間，導向板設置在兩連接板另一側面的上部並用於與導電排連接模塊相連，加強條設置在兩連接板的底端用於將兩連接板固定在一起，冷卻水管設置在兩連接板的設有中間板和接觸板的一側，兩接觸板用於與感應器相連，連接鍵槽設置在一連接板上並與感應器連接模塊上的連接鍵槽相適配。
4.根據權利要求1所述的階梯軸感應加熱淬火裝置，其特徵在於所述的感應器的施感圈和噴液圈的截面近似矩形，該兩近似矩形圈的內側下方一角都向內收縮成斜面，施感圈內側下方有一個向內的突起，所述的噴液圈的高度大於施感圈的高度，使設在噴液圈上的斜面露出在施感圈的下方，噴液圈的斜面上均設有多個噴液孔，噴液孔的直徑為1.2～2.4mm，相鄰兩噴液孔的間距為2～4mm，噴液孔軸線與感應器軸線的夾角為35°～55°；施感圈內通蒸餾水，噴液圈內通淬火液。
5.一種階梯軸感應加熱淬火的方法，所述階梯軸包括大徑軸和小徑軸，在大徑軸與小徑軸的變徑處形成階梯平面，其特徵在於根據階梯軸的直徑選擇適配的感應器，並選擇合適的設備頻率和噴淋參數，採取感應器由下往上移動，從階梯軸的大徑端移向小徑端，按以下步驟進行淬硬步驟1、移動淬硬大徑軸表面將感應器置於大徑軸的底部，選擇合適的設備輸出功率和感應器移動速度，使感應器由下而上移動對大徑軸表面的主體部分進行淬硬；步驟2、停頓淬硬大徑軸上端至階梯平面之間的部分當感應器移動至其施感圈的三分之一高度露出階梯軸的階梯平面時，重新選擇設備輸出功率，停頓一段時間，對階梯軸的大徑軸上端至階梯平面之間的部分進行淬硬；步驟3、快速移動至下一停頓淬硬位置完成步驟2後，將感應器快速移動至下一停頓淬硬位置；步驟4、停頓淬硬階梯平面至小徑軸前端之間的部分當感應器快速移動至其施感圈的下平面與階梯軸的階梯平面重合時，重新選擇設備輸出功率，停頓一段時間，對階梯軸的階梯平面至小徑軸下端之間的部分進行淬硬；步驟5、移動淬硬小徑軸表面完成步驟4後，重新選擇設備輸出功率和感應器移動速度，使感應器由下而上移動對小徑軸表面的主體部分進行淬硬；步驟6、結束完成步驟5後，關斷功率輸出，關閉淬火噴淋，鬆開頂針，將階梯軸移出感應器，停止工作，結束其對階梯軸的感應加熱淬火過程。
6.根據權利要求5所述的階梯軸感應加熱淬火的方法，其特徵在於所述的設備頻率根據階梯軸的直徑大小選擇，當階梯軸的直徑在12-64mm之間變化時，設備頻率在30-2kHz之間選擇。
7.根據權利要求5所述的階梯軸感應加熱淬火的方法，其特徵在於所述的各步驟的設備輸出功率為工件的比功率和感應器的有效導體所對應的工件的表面積的乘積然後比上一個效率係數，工件的比功率根據所選的設備頻率及對階梯軸淬硬層深度的要求進行選擇，當設備頻率在12-1kHz，淬硬層深度在1.5-9.0mm之間變化時，工件的比功率在4-1.2kW/cm2之間選擇。
8.根據權利要求5所述的階梯軸感應加熱淬火的方法，其特徵在於所述的步驟1和步驟5的感應器移動速度等於兩倍的環形感應器的有效高度(mm)除以利用該環形感應器將工件表面加熱到900℃所花的時間(s)。
9.根據權利要求5所述的階梯軸感應加熱淬火的方法，其特徵在於所述的步驟2的停留時間為0.8-7.2秒，步驟4的停留時間為0.6-4.2秒。
10.根據權利要求5所述的階梯軸感應加熱淬火的方法，其特徵在於所述的噴淋參數包括淬火介質、噴淋壓力、淬火介質溫度和噴淋密度；所述的淬火介質根據階梯軸工件對淬火烈度的要求在聚烷撐乙二醇、聚丙烯酸鈉、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙基惡唑啉、快速油、中速油、常規油和熱油之間選擇；所述的噴淋壓力控制在0.15～0.6MPa；所述的淬火介質溫度控制在30～50℃；所述的噴淋密度控制在45～60(10-6.m3/cm2.s)。
全文摘要
本發明提供了一種階梯軸感應加熱淬火裝置及方法，階梯軸感應加熱淬火裝置由中頻感應電源、簡易數控淬火工具機、變壓器、感應器對中裝置、導電排、感應器快換裝置和感應器組成。階梯軸感應加熱淬火方法採取感應器由下往上移動，從階梯軸的大徑端移向小徑端分5個步驟進行淬硬，其中在階梯軸的階梯平面上下兩側設兩次停頓。本發明的階梯軸感應加熱淬火裝置及方法既保證了階梯軸大、小徑交界過渡位置有一定的淬硬層深度，又可省去階梯軸的前道調質熱處理工序，很有實用價值。
文檔編號C21D9/28GK1600873SQ0315123
公開日2005年3月30日 申請日期2003年9月26日 優先權日2003年9月26日
發明者山華偉 申請人:上海納鐵福傳動軸有限公司