感應(yīng)加熱設(shè)備概述課件

熱處理原理、工藝及設(shè)備

PRINCIPLES,TECHNOLOGYANDEQUIPMENTSFOR

HEATTREATMENT第三部分熱處理設(shè)備（4）Equipmentsfor

HeatTreatment熱處理原理、工藝及設(shè)備

PRINCIPLES,TECHNO1§14感應(yīng)加熱設(shè)備

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面熱處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。表面熱處理可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期和改善勞動條件，提高生產(chǎn)組織水平。目前應(yīng)用最廣泛的表面熱處理是感應(yīng)熱處理，它可應(yīng)用于淬火、回火、正火、調(diào)質(zhì)、透熱等，適用于機械化大生產(chǎn)，可通過計算機控制實現(xiàn)無人操作。感應(yīng)加熱示意圖感應(yīng)加熱示意圖激光加熱表面淬火§14感應(yīng)加熱設(shè)備隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面2§14感應(yīng)加熱設(shè)備優(yōu)點：工藝簡單，工件畸變小、氧化脫碳少，生產(chǎn)效率高，節(jié)能，環(huán)境污染少，可以實現(xiàn)局部、快速處理，工藝過程容易實現(xiàn)機械化和自動化。特點：零件加熱不依靠外部熱源（如傳導(dǎo)、對流、輻射），而是交流電源通過感應(yīng)器對零件表面產(chǎn)生交變電流，工件表面形成閉合回路，依靠金屬本身電阻來實現(xiàn)加熱。熱能來源：渦流熱效應(yīng)（主要熱源）和磁滯熱效應(yīng)?！?4感應(yīng)加熱設(shè)備優(yōu)點：工藝簡單，工件畸變小、氧化脫碳少，3§14感應(yīng)加熱設(shè)備組成感應(yīng)加熱電源淬火機床感應(yīng)器設(shè)備冷卻和淬火冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)分類裝置頻率：超高頻、高頻、超音頻、中頻、工頻變頻方式：電子管變頻、機式變頻、晶體管變頻、固體電路逆變及工頻加熱裝置§14感應(yīng)加熱設(shè)備組成4§14.1感應(yīng)加熱概述一、感應(yīng)加熱的基本原理感應(yīng)加熱的物理基礎(chǔ)將工件放在感應(yīng)器中，當(dāng)感應(yīng)器中通過交變電流時，在其內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場，由交變磁場激發(fā)的感應(yīng)電勢將在工件的表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流又稱渦流。因為工件材料的電阻很小，所以不大的感應(yīng)電勢便造成強度很大的渦流，從而釋放出大量的焦耳熱，使工件表面層溫度迅速升高。

§14.1感應(yīng)加熱概述一、感應(yīng)加熱的基本原理將工件放在5§14.1感應(yīng)加熱概述趨膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)）：渦流在工件表面最大，由表面向心部呈指數(shù)規(guī)律衰減的現(xiàn)象。感應(yīng)電動勢的瞬時值：e=-d?/dt(V)

式中：d?/dt表示磁通量?對時間的變化率，負號表示感應(yīng)電動勢方向與d?/dt方向相反。電流透入深度：工程上規(guī)定，當(dāng)渦流強度從表面向內(nèi)層降低到其數(shù)值等于表面最大渦流強度的0.368倍時，該處到表面的距離稱為電流透入深度。對于碳鋼：δ=500·f-1/2(mm)f－電流頻率§14.1感應(yīng)加熱概述趨膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)）：渦流在工件6§14.1感應(yīng)加熱概述感應(yīng)加熱的物理過程感應(yīng)加熱開始時，工件處于室溫，電流透入深度很小，僅在一薄層內(nèi)進行加熱。當(dāng)電流透入深度大于淬硬層深度后，表面由鐵磁性變?yōu)轫槾判裕砻骐娏髅芏认陆?，而在緊靠順磁體層的鐵磁體處，電流密度劇增，此處迅速被加熱，溫度也很快升高。由此，工件截面內(nèi)最大密度的渦流由表面向心部逐漸推移，同時自表面向心部依次加熱。這種加熱方式稱為透入式加熱。與此同時，由于熱傳導(dǎo)的作用，熱量向工件內(nèi)部傳遞，加熱層厚度增厚，這時工件內(nèi)部的加熱和普通加熱相同，稱為傳導(dǎo)式加熱?！?4.1感應(yīng)加熱概述感應(yīng)加熱的物理過程7§14.1感應(yīng)加熱概述透入式加熱較傳導(dǎo)式加熱有如下特點電流透入深度大于淬硬層深度后，最大密度的渦流流向內(nèi)層，表層加熱速度開始變慢，不易過熱，而傳導(dǎo)式加熱隨著加熱時間的延長，表面繼續(xù)加熱容易過熱；加熱迅速，熱損失小，熱效率高；熱量分布較陡，淬火后過渡層較窄，使表面壓應(yīng)力提高?！?4.1感應(yīng)加熱概述透入式加熱較傳導(dǎo)式加熱有如下特點8§14.1感應(yīng)加熱概述二、感應(yīng)加熱設(shè)備的分類工頻感應(yīng)加熱設(shè)備中頻感應(yīng)加熱設(shè)備高頻感應(yīng)加熱設(shè)備§14.1感應(yīng)加熱概述二、感應(yīng)加熱設(shè)備的分類9§14.1感應(yīng)加熱概述§14.1感應(yīng)加熱概述10§14.1感應(yīng)加熱概述三、中高頻電流的特點1、趨膚效應(yīng)定義：當(dāng)交變電流通過施感導(dǎo)體時，導(dǎo)體的表面的電流密度最大，越向?qū)w內(nèi)部電流密度越小，這種現(xiàn)象稱趨膚效應(yīng)（或稱表面效應(yīng))。電流的頻率越高，集膚效應(yīng)越顯著?！?4.1感應(yīng)加熱概述三、中高頻電流的特點11§14.1感應(yīng)加熱概述渦流由表面向心部衰減規(guī)律（指數(shù)規(guī)律）I0－表面渦流強度c－光速ρ－工件材料的電阻率μ－工件材料的導(dǎo)磁率x－距工件表面的距離f－交流電頻率§14.1感應(yīng)加熱概述渦流由表面向心部衰減規(guī)律（指數(shù)規(guī)12§14.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)f很高時，電流大部分集中在導(dǎo)體表面，心部已無電流，這樣導(dǎo)致導(dǎo)體的有效電阻增加，導(dǎo)體發(fā)熱顯著增加。因此，感應(yīng)器的施感導(dǎo)體常采用空心的銅管制成，管內(nèi)通水冷卻，以降低施感導(dǎo)體溫度?！?4.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)f很高時，電流大部分集中在導(dǎo)13§14.1感應(yīng)加熱概述2、鄰近效應(yīng)定義：當(dāng)兩個載有高頻電流的導(dǎo)體彼此相距很近時，每個導(dǎo)體內(nèi)的電流將重新分布。如果兩個導(dǎo)體中電流方向相同，則最大電流密度將出現(xiàn)在兩導(dǎo)體相背的一面，如果兩個導(dǎo)體中電流方向相反，則最大電流密度將出現(xiàn)在兩導(dǎo)體相鄰的一面。這種電流向一側(cè)集中的現(xiàn)象叫鄰近效應(yīng)。導(dǎo)體內(nèi)電流的頻率越高，鄰近效應(yīng)越明顯?！?4.1感應(yīng)加熱概述2、鄰近效應(yīng)14§14.1感應(yīng)加熱概述在感應(yīng)器的導(dǎo)電管之間，如多匝感應(yīng)器的匝與匝之間存在鄰近效應(yīng)，感應(yīng)器與加熱工件之間也存在鄰近效應(yīng)，在感應(yīng)器的設(shè)計中，巧妙利用鄰近效應(yīng)可提高感應(yīng)器的效率。§14.1感應(yīng)加熱概述在感應(yīng)器的導(dǎo)電管之間，如多匝感應(yīng)15§14.1感應(yīng)加熱概述3、圓環(huán)效應(yīng)定義：當(dāng)高頻電流流過環(huán)形導(dǎo)體時，電流在導(dǎo)體橫截面上的分布將發(fā)生變化，此時電流僅僅集中在圓環(huán)的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象叫圓環(huán)效應(yīng)。圓環(huán)的曲率半徑越小，徑向?qū)挾仍酱?，圓環(huán)效應(yīng)也越明顯；電流的頻率越大，圓環(huán)效應(yīng)也越顯著。圓環(huán)效應(yīng)有利于感應(yīng)器對外圓柱

零件的表面感應(yīng)加熱，但不利于

對工件內(nèi)孔進行加熱?！?4.1感應(yīng)加熱概述3、圓環(huán)效應(yīng)16§14.1感應(yīng)加熱概述4、尖角效應(yīng)定義：當(dāng)用感應(yīng)器加熱不規(guī)則形狀工件表面時，工件的尖角部位的加熱強度遠較其它光滑平坦部位強烈，往往會造成過熱(例如，齒輪的齒頂部位)，這種現(xiàn)象稱做尖角效應(yīng)。尖角效應(yīng)是由于磁力線易于在尖角處集中，感應(yīng)渦流較強的緣故。為了克服這一現(xiàn)象，在設(shè)計形狀不規(guī)則的工件時，應(yīng)適當(dāng)加大尖角或凸出部位與感應(yīng)器之間的間隙?！?4.1感應(yīng)加熱概述4、尖角效應(yīng)17§14.1感應(yīng)加熱概述§14.1感應(yīng)加熱概述18§14.1感應(yīng)加熱概述5、電流捷徑電流在流動時，往往是沿電阻小的部位進行，有時感應(yīng)器的厚度有變化時，應(yīng)考慮電流走捷徑對加熱的影響。§14.1感應(yīng)加熱概述5、電流捷徑19§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備一、工頻感應(yīng)加熱設(shè)備§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備一、工頻感應(yīng)加熱設(shè)備20§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：供電系統(tǒng)＋工藝裝備系統(tǒng)f=50Hz（或60Hz），電流透入深度δ>10mm（f=50Hz時，電流透入深度δ＝15mm），適用于大型工件，如冷軋輥、大車輪等大截面工件的表面淬火加熱，也被廣泛用于熔煉鋼鐵、鑄鐵及有色金屬，還可以用于鍛件鍛造前的加熱，熱處理的正火或調(diào)質(zhì)處理。特點：工頻感應(yīng)加熱速度低，不易產(chǎn)生過熱，整個加熱過程易控制?！?4.2感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：供電系統(tǒng)＋工藝裝備系統(tǒng)21§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備當(dāng)溫度高于居里點（700℃）時，δ＝75mm工頻感應(yīng)加熱速度小于中、高頻感應(yīng)加熱，特別是在居里點以上時，加熱速度更低，因而熱應(yīng)力較小，熱應(yīng)力引起的變形與開裂的可能性也較小，造成過熱的危險性也較小。不需要變頻設(shè)備，設(shè)備簡單，投資較低；§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備當(dāng)溫度高于居里點（700℃）時，22§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備二、中頻感應(yīng)加熱設(shè)備f=500~10000Hz，又稱音頻感應(yīng)加熱設(shè)備，電流透入深度δ

≈5mm，用于中小型工件的淬火加熱。中頻發(fā)電機是使用較早而廣泛的設(shè)備，其中可控硅變頻器是一種較先進的設(shè)備，在工業(yè)中也得到迅速地發(fā)展和推廣使用。§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備二、中頻感應(yīng)加熱設(shè)備23§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備中頻發(fā)電機組構(gòu)成：電動機、中頻發(fā)電機、激磁用電動機和發(fā)電機、電容器、降壓變壓器、感應(yīng)器分類機械式晶閘管式§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備中頻發(fā)電機組構(gòu)成：電動機、中頻發(fā)24§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備機械式中頻變頻裝置（簡稱機式中頻發(fā)電機）：能將50Hz工頻電流轉(zhuǎn)變成1000~8000Hz的中頻電流優(yōu)點：可靠耐用，維護費用低，可集中供電（一臺機組可以供幾臺淬火機床輪流使用），變頻機組利用率高；數(shù)臺性能相近的中頻裝置可并聯(lián)使用，提高輸出功率。缺點：頻率固定，使用范圍受限，占地面積大，噪聲大，耗水量大，電效率低（70%~75%），屬淘汰產(chǎn)品，目前已停產(chǎn)?！?4.2感應(yīng)加熱設(shè)備機械式中頻變頻裝置（簡稱機式中頻25§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備晶閘管式（SCR）中頻變頻裝置：亦稱可控硅中頻電源，有整流、濾波、逆變、控制及保護電路組成。感應(yīng)淬火用的晶閘管中頻電源頻率一般為2.5~8kHz。優(yōu)點：體積小、重量輕；無機械運動，噪聲小；啟動、停止方便；頻率可根據(jù)零件需要調(diào)整，并在運行中自動跟蹤，保持在最高功率因數(shù)下運行；安裝容易；電效率可達90%?！?4.2感應(yīng)加熱設(shè)備晶閘管式（SCR）中頻變頻裝置：26§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備27§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備三、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備

高頻感應(yīng)加熱設(shè)備實質(zhì)上就是一種大功率的頻率變換裝置，它將50Hz的工頻電流轉(zhuǎn)換成幾百千赫的高頻電流，以滿足感應(yīng)加熱的需要。電流頻率越高，加熱工件時電流透入深度越淺，渦流強度越大，熱量越集中，因而加熱速度越快，淬硬層也越薄，所以高頻感應(yīng)加熱設(shè)備多用于要求淬硬層小于1mm的中、小型零件。§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備三、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備28§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備f

=100~300kHz，電流透入深度δ<3mm，適用于大多數(shù)工件表面淬火。分類電子管式高頻感應(yīng)加熱裝置晶體管式高頻變頻裝置§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備f=100~300kHz，29§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備電子管式高頻感應(yīng)加熱裝置結(jié)構(gòu)晶閘管調(diào)壓器升壓變壓器高壓整流器電子管振蕩器微機控制調(diào)壓系統(tǒng)優(yōu)點：在高頻率甚至超高頻率、大功率方面有獨特優(yōu)勢缺點：耗能高、體積大、相對效率低、危險性大§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備電子管式高頻感應(yīng)加熱裝置30§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備晶體管式高頻變頻裝置結(jié)構(gòu)整流器逆變器控制電路優(yōu)點：體積小、重量輕，整機效率高，節(jié)能節(jié)水，隨時可以起動和停機，輸出功率調(diào)節(jié)方便，反應(yīng)迅速，準確可靠，故障率低，整機使用壽命長?！?4.2感應(yīng)加熱設(shè)備晶體管式高頻變頻裝置31§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備32§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備四、感應(yīng)加熱設(shè)備的選擇電流透入深度δ：根據(jù)趨膚效應(yīng)，工程上規(guī)定當(dāng)Ix降至I0的1/e（0.368，e

=2.718）處的電流深度稱為電流透入深度。鋼鐵材料熱態(tài)電流的透入深度比冷態(tài)電流透入深度大幾十倍，鋼鐵在800~900℃時δ

=500/f1/2感應(yīng)加熱時，f越大，δ熱越小，則淬硬層深度x越淺；反之，f越小，δ熱越大，則x越深?！?4.2感應(yīng)加熱設(shè)備四、感應(yīng)加熱設(shè)備的選擇33§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備如果δ熱<<x

，則加熱時熱量只集中于表層，要靠熱傳導(dǎo)傳熱，加熱速度慢，生產(chǎn)率低，過渡層大，但功率小；如果δ熱≥

x

，加熱速度快，表面輻射損失小，過渡層淺，但功率大。生產(chǎn)經(jīng)驗：1.5×104/x2≤f≤2.5×105/x2

例如：x

=2.0時,fmax=60000Hz,fmin

=4000Hz

f

最佳＝15000Hz

采用真空管式感應(yīng)加熱設(shè)備。§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備如果δ熱<<x，則加熱時熱量34§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要

感應(yīng)器設(shè)計得是否合理會影響到加熱層的形狀和深度以及設(shè)備功率能否正常發(fā)揮等。因此，感應(yīng)器的設(shè)計對提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益至關(guān)重要，應(yīng)根據(jù)工件的形狀、尺寸以及熱處理技術(shù)要求來設(shè)計設(shè)計要求：確保工件表面被均勻加熱，電熱效益高，自身損耗小，具有一定的強度和使用壽命，制作簡單，工作穩(wěn)定可靠，操作方便，裝卸便捷?！?4.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要感應(yīng)器設(shè)計得35§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要感應(yīng)器的組成有效圈（產(chǎn)生磁場加熱工件的有效部分）匯流排（將電源電流輸向有效部分）連接板（夾持裝置，將前兩者與淬火變壓器夾緊）供水裝置（冷卻前兩者、噴水冷卻工件）有時感應(yīng)器還裝有導(dǎo)磁體、磁屏蔽環(huán)（片）、定位圈和支撐裝置?！?4.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要感應(yīng)器的組成36§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要37§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要

感應(yīng)器的設(shè)計主要包括：感應(yīng)器有效圈的形狀、尺寸、圈數(shù)，感應(yīng)器有效圈與工件的間隙，匯流板的尺寸與連接方法，冷卻方式等。其結(jié)構(gòu)尺寸主要根據(jù)中、高頻電流的特點以及感應(yīng)線圈的使用壽命等來考慮?！?4.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要感應(yīng)器的設(shè)計38§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要1、感應(yīng)器有效圈與工件的間隙感應(yīng)器與工件的間隙大小直接影響到感應(yīng)器的功率因數(shù)。從提高熱效應(yīng)的角度出發(fā)，感應(yīng)器有效圈與工件的間隙越小越好。間隙大，功率因數(shù)低；間隙小，功率因數(shù)高，電流透入深度淺，加熱速度快。但間隙過小，操作不方便，易產(chǎn)生短路，降低使用壽命。間隙大小還受到設(shè)備的功率和淬硬層深度的影響，設(shè)備功率大則間隙大，設(shè)備功率小則間隙小。連續(xù)加熱時要考慮移動，間隙也要大一些?！?4.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要1、感應(yīng)器有效圈與工件的間39§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2、感應(yīng)器有效圈的尺寸1）感應(yīng)器有效圈的內(nèi)徑

外圓表面加熱用的施感導(dǎo)體采用矩形或方形截面的銅管繞成。內(nèi)徑：D＝D0＋2a（mm）

D0

－工件的直徑，mma－工件表面與施感導(dǎo)體內(nèi)表面的間隙§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2、感應(yīng)器有效圈的尺寸40§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2）感應(yīng)器有效圈的高度感應(yīng)器有效圈的高度會直接影響淬硬層分布。長軸件進行局部一次性加熱：H

=L+8~10(mm)L－淬硬區(qū)的長度短軸零件進行局部一次性加熱：H

=L-2a(mm)a－感應(yīng)器有效圈與工件間隙，mm當(dāng)軸形件淬硬層較長時，可采用多匝感應(yīng)器?！?4.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2）感應(yīng)器有效圈的高度41§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要3）感應(yīng)器有效圈的管壁厚度管壁厚度應(yīng)根據(jù)電流在銅質(zhì)導(dǎo)體中的趨膚效應(yīng)以及感應(yīng)器自身的強度要求來確定。感應(yīng)器有效圈壁厚沒有通水冷卻時，其厚度為8~10mm，通水冷卻時，厚度按下表選取。感應(yīng)器的冷卻出水溫度不能大于60℃。頻率/Hz感應(yīng)器管壁厚度/mm10003.0~4.025002.08000~100001.5250000~40000001.0§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要3）感應(yīng)器有效圈的管壁厚度42§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要3、感應(yīng)器的圈數(shù)當(dāng)工件直徑較小，而淬硬區(qū)又較長時，可采用雙圈或多圈感應(yīng)器，有較高的熱效率。多圈感應(yīng)器可以改善匯流板與感應(yīng)器間的電壓分配，增加感應(yīng)器上的電壓。但圈數(shù)也不宜過多，過多時阻抗增加，功率因數(shù)下降，效率低。§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要3、感應(yīng)器的圈數(shù)43§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要4、冷卻水路冷卻水管的尺寸與電流頻率、電流透入深度、加熱方式和散熱條件有關(guān)。采用同時加熱法時，要另設(shè)噴水圈或淬火槽進行淬火冷卻。采用連續(xù)加熱淬火法時，可采用自噴式感應(yīng)器，當(dāng)要求噴水量較大時，在感應(yīng)器下方另設(shè)獨立噴水圈。5、匯流板尺寸匯流板－感應(yīng)圈兩端與電源的連接部分?！?4.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要4、冷卻水路44§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要二、導(dǎo)磁體和屏蔽作用1、導(dǎo)磁體圓環(huán)效應(yīng)使電流集中于感應(yīng)器內(nèi)側(cè)，有利于加熱圓柱零件。對于加熱圓筒形零件內(nèi)表面，則應(yīng)在感應(yīng)器上設(shè)置導(dǎo)磁體將電流從內(nèi)側(cè)驅(qū)趕到外側(cè)，以加強鄰近效應(yīng)，改變加熱區(qū)溫度分布，提高熱效率。§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要二、導(dǎo)磁體和屏蔽作用45§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2、電磁屏蔽對工件上不需要加熱的凸臺或尖角處加上銅環(huán)或鐵磁材料環(huán)，在環(huán)中因漏磁而產(chǎn)生渦流，渦流所產(chǎn)生的磁場方向與感應(yīng)加熱的磁場方向相反，使磁力線不能穿過那些不需要加熱的部位，而起到屏蔽作用。

例如：對鍵槽、油孔打入銅釘進行屏蔽，避免工件加熱時產(chǎn)生的過熱或裂紋。§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2、電磁屏蔽46§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要47§14.4感應(yīng)器的效率一、感應(yīng)器的效率指感應(yīng)器的輸入功率與用于加熱工件的有用功率之比η＝Pa/Pη－感應(yīng)器的效率，%Pa－工件表面吸收功率（kW）P－輸入感應(yīng)器功率（kW）工件表面吸收功率Pa是計算工件加熱總功率和選擇設(shè)備的依據(jù)。

§14.4感應(yīng)器的效率一、感應(yīng)器的效率48§14.4感應(yīng)器的效率Pa與淬硬層深度、工件大小、加熱時間、電流頻率和加熱方式等因素有關(guān)，其大小直接影響工件的加熱速度和淬硬層深度。在選擇總功率P時，設(shè)備的效率應(yīng)將變壓器效率、感應(yīng)器效率和回路線傳輸效率等考慮進去，且總功率滿足工藝要求。§14.4感應(yīng)器的效率Pa與淬硬層深度、工件大小、加熱49§14.4感應(yīng)器的效率2、感應(yīng)器的效率不應(yīng)低于80%，提高感應(yīng)器的效率應(yīng)注意以下幾點：1、感應(yīng)器的有效圈、匯流排及連接板應(yīng)該使用純銅制造，這樣對電流阻礙作用小，電效率高，無氧銅是首選材料。2、感應(yīng)加熱時，感應(yīng)器與工件之間總有一定的間隙，總有部分磁力線不經(jīng)過被加熱工件的表面，而從間隙中通過，對工件不起加熱作用，這就是漏磁。間隙越大，漏磁越大?！?4.4感應(yīng)器的效率2、感應(yīng)器的效率不應(yīng)低于80%，50§14.4感應(yīng)器的效率3、磁力線穿過了工件，并轉(zhuǎn)換成了熱能，但這部分熱能并沒有被用于工件所需要加熱的地方，而是加熱了其他不應(yīng)該被加熱的部分，稱為磁力線的逸散。為了提高感應(yīng)器的效率，在感應(yīng)器形狀和尺寸的設(shè)計時，應(yīng)充分考慮磁力線的分布。采用導(dǎo)磁體是克服磁力線逸散的有效途徑。§14.4感應(yīng)器的效率3、磁力線穿過了工件，并轉(zhuǎn)換成了51§14.4感應(yīng)器的效率4、根據(jù)工件的直徑（或厚度）正確選擇感應(yīng)電流的頻率，這是提高感應(yīng)器效率的根本保證，工件直徑（或厚度）與電流透入深度之比將決定電效率，兩者關(guān)系見下表：工件直徑/電流透入深度864210.60.4感應(yīng)器效率（%）948565301041§14.4感應(yīng)器的效率4、根據(jù)工件的直徑（或厚度）正確52§14.4感應(yīng)器的效率5、盡量采用矩形純銅管代替圓形管制作感應(yīng)器。矩形管和圓形管在截面上的電流分布不同。當(dāng)間隙相同時，圓形管的漏磁和磁力線逸散非常嚴重，而矩形管比圓形管效率高10%?！?4.4感應(yīng)器的效率5、盡量采用矩形純銅管代替圓形管53§14.4感應(yīng)器的效率6、感應(yīng)器的總阻抗由有效圈阻抗、連接板及匯流排阻抗、感應(yīng)器與淬火變壓器的接觸阻抗組成。淬火變壓器的輸出電壓一定時，電壓在感應(yīng)器上的分配是按阻抗的大小成正比分配。為提高感應(yīng)器效率，有效圈長度與感應(yīng)有效圈高度比值在5~10之間比較合適，如果小于5，應(yīng)用多匝感應(yīng)器。§14.4感應(yīng)器的效率6、感應(yīng)器的總阻抗由有效圈阻抗、54§14.4感應(yīng)器的效率7、感應(yīng)器的連接板與淬火變壓器的接觸要好。接觸電阻增大時，會導(dǎo)致接觸面發(fā)熱、氧化、并使接觸電阻進一步增大而形成惡性循環(huán)。8、在需要對很小面積的零件加熱或需要提高對零件的某一局部加熱功率時，可以在感應(yīng)器上加裝集流器（強流器），使感應(yīng)器獲得更大的功率，并傳遞到被加熱的工件上。集流器可固定在感應(yīng)器上，也可做成分離型，方便與被加熱工件定位，使得感應(yīng)器難以進入的零件部位得到加熱?！?4.4感應(yīng)器的效率7、感應(yīng)器的連接板與淬火變壓器的55§14.5淬火機床淬火機床是感應(yīng)熱處理設(shè)備的重要組成部分，感應(yīng)熱處理要實現(xiàn)機械化、自動化，要保持穩(wěn)定的熱處理質(zhì)量，減輕勞動強度，改善作業(yè)環(huán)境，就必須配備合適的感應(yīng)淬火機床。分類按生產(chǎn)方式：通用型、專用型、生產(chǎn)線按感應(yīng)電源的不同：高頻、中頻、工頻淬火機床按處理工件類型的不同：軸類、齒輪、導(dǎo)軌、平面淬火機床、棒料生產(chǎn)線按主要傳動形式：液壓式、全機械式淬火機床按處理工件的裝夾方式：立式、臥式淬火機床§14.5淬火機床淬火機床是感應(yīng)熱處理設(shè)備的重要組成部分56§14.5淬火機床構(gòu)成機架：主要基礎(chǔ)件，足夠剛性、結(jié)構(gòu)簡單、宜采用鑄鐵件或型鋼焊接，應(yīng)考慮防銹和積水的排放。升降機構(gòu)：便于裝卸工件旋轉(zhuǎn)部件：為使感應(yīng)加熱均勻，圓形工件加熱時應(yīng)旋轉(zhuǎn)工件夾緊裝置控制儀表：工作臺上有位移表、轉(zhuǎn)速表、淬火冷卻介質(zhì)流量計、水壓計、測溫計等。此外，還有淬火冷卻介質(zhì)管路及循環(huán)冷卻系統(tǒng)，及必要的抽油煙、擋水和照明裝置§14.5淬火機床構(gòu)成57§14.5淬火機床立式淬火機床臥式淬火機床§14.5淬火機床立式淬火機床臥式淬火機床58§14.6其它表面加熱裝置一、火焰表面加熱裝置1、火焰表面熱處理：用火焰加熱工件的某些部位，使零件表面迅速被加熱到預(yù)定溫度，然后根據(jù)零件技術(shù)要求進行不同速度的冷卻，以獲得所需的組織性能。優(yōu)點：加熱溫度高、速度快、時間短、設(shè)備簡單，對操作場所要求不高，使用方便。缺點：工藝參數(shù)不易控制，往往依靠經(jīng)驗，熱處理質(zhì)量不易保證，易出現(xiàn)過熱，不適合處理重要零件。§14.6其它表面加熱裝置一、火焰表面加熱裝置59§14.6其它表面加熱裝置2、火焰表面加熱的方法固定（靜止）位置加熱法工件旋轉(zhuǎn)加熱法推進加熱法聯(lián)合加熱法§14.6其它表面加熱裝置2、火焰表面加熱的方法60§14.6其它表面加熱裝置3、火焰表面加熱氣源通常是氧乙炔混合氣體，通過噴嘴燃燒對工件表面加熱。常用氣源還有：人工煤氣、液化石油氣、天然氣、丙烷等?！?4.6其它表面加熱裝置3、火焰表面加熱氣源61§14.6其它表面加熱裝置4、火焰淬火的主要裝置噴射器、噴嘴、淬火機床、冷卻裝置，噴嘴形狀直接影響火焰淬火的質(zhì)量。1)噴射器：使可燃氣體與氧按一定比例混合，形成火焰。一般分為射吸式和等壓式兩種?！?4.6其它表面加熱裝置4、火焰淬火的主要裝置62§14.6其它表面加熱裝置2）噴嘴：長期在高溫下使用，需用高熔點合金或陶瓷材料制造。噴嘴形成的火焰應(yīng)該與淬火部位的外形一致。平形：平面加熱翹形：凹槽表面加熱環(huán)形：滾輪、軸類及其他外圓表面或內(nèi)圓表面加熱角形：機床、導(dǎo)軌等角形工件的表面加熱鉗形：專門加熱齒輪及類似形狀的零件§14.6其它表面加熱裝置2）噴嘴：長期在高溫下使用，63§14.6其它表面加熱裝置3）淬火機床火焰淬火時，為了滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求，火焰必須穩(wěn)定地沿著工件表面移動，因此需配備專門淬火機床。相當(dāng)部分的淬火機床是用普通的金屬切削機床改裝的，往往也能滿足工藝要求?！?4.6其它表面加熱裝置3）淬火機床64§14.6其它表面加熱裝置二、激光表面加熱裝置利用激光加熱金屬材料表面實現(xiàn)熱處理。1）特點具有極高的功率密度，可使表面溫度瞬時上升到相變點、熔點甚至沸點以上。激光加熱結(jié)束后，由于加熱時工件基體仍保持較低溫度，被加熱區(qū)域通過工件本身的熱傳導(dǎo)迅速冷卻，可實現(xiàn)淬火的熱處理效果?！?4.6其它表面加熱裝置二、激光表面加熱裝置65§14.6其它表面加熱裝置2）組成激光器：由工作物質(zhì)、激勵系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔組成。導(dǎo)光系統(tǒng)：將激光器輸出的光束經(jīng)光學(xué)元件導(dǎo)向工作臺，聚焦后照射到被加工工件上。加工機床控制系統(tǒng)輔助設(shè)備安全防護裝置：激光具有強大的能量，極易對人體產(chǎn)生一定的傷害。§14.6其它表面加熱裝置2）組成66§14.6其它表面加熱裝置§14.6其它表面加熱裝置67飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國符合國家和國際撒的方大哥給飛得更高是個搜狗是歸屬感是搞后呵呵敢死隊敢死隊敢死隊好地方個地方豆腐花哈哈動畫的發(fā)揮和家具風(fēng)格就國防軍廣泛幾個房間房管局房管局法國加工費交付給交付給交付給警方根據(jù)高房價法國警方交付給飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國68飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國符合國家和國際撒的方大哥給飛得更高是個搜狗是歸屬感是搞后呵呵敢死隊敢死隊敢死隊好地方個地方豆腐花哈哈動畫的發(fā)揮和家具風(fēng)格就國防軍廣泛幾個房間房管局房管局法國加工費交付給交付給交付給警方根據(jù)高房價法國警方交付給飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國69飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國符合國家和國際撒的方大哥給飛得更高是個搜狗是歸屬感是搞后呵呵敢死隊敢死隊敢死隊好地方個地方豆腐花哈哈動畫的發(fā)揮和家具風(fēng)格就國防軍廣泛幾個房間房管局房管局法國加工費交付給交付給交付給警方根據(jù)高房價法國警方交付給飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國70飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國符合國家和國際撒的方大哥給飛得更高是個搜狗是歸屬感是搞后呵呵敢死隊敢死隊敢死隊好地方個地方豆腐花哈哈動畫的發(fā)揮和家具風(fēng)格就國防軍廣泛幾個房間房管局房管局法國加工費交付給交付給交付給警方根據(jù)高房價法國警方交付給飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國71飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國符合國家和國際撒的方大哥給飛得更高是個搜狗是歸屬感是搞后呵呵敢死隊敢死隊敢死隊好地方個地方豆腐花哈哈動畫的發(fā)揮和家具風(fēng)格就國防軍廣泛幾個房間房管局房管局法國加工費交付給交付給交付給警方根據(jù)高房價法國警方交付給飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國72飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國符合國家和國際撒的方大哥給飛得更高是個搜狗是歸屬感是搞后呵呵敢死隊敢死隊敢死隊好地方個地方豆腐花哈哈動畫的發(fā)揮和家具風(fēng)格就國防軍廣泛幾個房間房管局房管局法國加工費交付給交付給交付給警方根據(jù)高房價法國警方交付給飯卡打開巴士風(fēng)格反對廣泛的的非官是大蘇打發(fā)的發(fā)非官方共和國73熱處理原理、工藝及設(shè)備

PRINCIPLES,TECHNOLOGYANDEQUIPMENTSFOR

HEATTREATMENT第三部分熱處理設(shè)備（4）Equipmentsfor

HeatTreatment熱處理原理、工藝及設(shè)備

PRINCIPLES,TECHNO74§14感應(yīng)加熱設(shè)備

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面熱處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。表面熱處理可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期和改善勞動條件，提高生產(chǎn)組織水平。目前應(yīng)用最廣泛的表面熱處理是感應(yīng)熱處理，它可應(yīng)用于淬火、回火、正火、調(diào)質(zhì)、透熱等，適用于機械化大生產(chǎn)，可通過計算機控制實現(xiàn)無人操作。感應(yīng)加熱示意圖感應(yīng)加熱示意圖激光加熱表面淬火§14感應(yīng)加熱設(shè)備隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面75§14感應(yīng)加熱設(shè)備優(yōu)點：工藝簡單，工件畸變小、氧化脫碳少，生產(chǎn)效率高，節(jié)能，環(huán)境污染少，可以實現(xiàn)局部、快速處理，工藝過程容易實現(xiàn)機械化和自動化。特點：零件加熱不依靠外部熱源（如傳導(dǎo)、對流、輻射），而是交流電源通過感應(yīng)器對零件表面產(chǎn)生交變電流，工件表面形成閉合回路，依靠金屬本身電阻來實現(xiàn)加熱。熱能來源：渦流熱效應(yīng)（主要熱源）和磁滯熱效應(yīng)?！?4感應(yīng)加熱設(shè)備優(yōu)點：工藝簡單，工件畸變小、氧化脫碳少，76§14感應(yīng)加熱設(shè)備組成感應(yīng)加熱電源淬火機床感應(yīng)器設(shè)備冷卻和淬火冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)分類裝置頻率：超高頻、高頻、超音頻、中頻、工頻變頻方式：電子管變頻、機式變頻、晶體管變頻、固體電路逆變及工頻加熱裝置§14感應(yīng)加熱設(shè)備組成77§14.1感應(yīng)加熱概述一、感應(yīng)加熱的基本原理感應(yīng)加熱的物理基礎(chǔ)將工件放在感應(yīng)器中，當(dāng)感應(yīng)器中通過交變電流時，在其內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場，由交變磁場激發(fā)的感應(yīng)電勢將在工件的表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流又稱渦流。因為工件材料的電阻很小，所以不大的感應(yīng)電勢便造成強度很大的渦流，從而釋放出大量的焦耳熱，使工件表面層溫度迅速升高。

§14.1感應(yīng)加熱概述一、感應(yīng)加熱的基本原理將工件放在78§14.1感應(yīng)加熱概述趨膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)）：渦流在工件表面最大，由表面向心部呈指數(shù)規(guī)律衰減的現(xiàn)象。感應(yīng)電動勢的瞬時值：e=-d?/dt(V)

式中：d?/dt表示磁通量?對時間的變化率，負號表示感應(yīng)電動勢方向與d?/dt方向相反。電流透入深度：工程上規(guī)定，當(dāng)渦流強度從表面向內(nèi)層降低到其數(shù)值等于表面最大渦流強度的0.368倍時，該處到表面的距離稱為電流透入深度。對于碳鋼：δ=500·f-1/2(mm)f－電流頻率§14.1感應(yīng)加熱概述趨膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)）：渦流在工件79§14.1感應(yīng)加熱概述感應(yīng)加熱的物理過程感應(yīng)加熱開始時，工件處于室溫，電流透入深度很小，僅在一薄層內(nèi)進行加熱。當(dāng)電流透入深度大于淬硬層深度后，表面由鐵磁性變?yōu)轫槾判?，表面電流密度下降，而在緊靠順磁體層的鐵磁體處，電流密度劇增，此處迅速被加熱，溫度也很快升高。由此，工件截面內(nèi)最大密度的渦流由表面向心部逐漸推移，同時自表面向心部依次加熱。這種加熱方式稱為透入式加熱。與此同時，由于熱傳導(dǎo)的作用，熱量向工件內(nèi)部傳遞，加熱層厚度增厚，這時工件內(nèi)部的加熱和普通加熱相同，稱為傳導(dǎo)式加熱?！?4.1感應(yīng)加熱概述感應(yīng)加熱的物理過程80§14.1感應(yīng)加熱概述透入式加熱較傳導(dǎo)式加熱有如下特點電流透入深度大于淬硬層深度后，最大密度的渦流流向內(nèi)層，表層加熱速度開始變慢，不易過熱，而傳導(dǎo)式加熱隨著加熱時間的延長，表面繼續(xù)加熱容易過熱；加熱迅速，熱損失小，熱效率高；熱量分布較陡，淬火后過渡層較窄，使表面壓應(yīng)力提高?！?4.1感應(yīng)加熱概述透入式加熱較傳導(dǎo)式加熱有如下特點81§14.1感應(yīng)加熱概述二、感應(yīng)加熱設(shè)備的分類工頻感應(yīng)加熱設(shè)備中頻感應(yīng)加熱設(shè)備高頻感應(yīng)加熱設(shè)備§14.1感應(yīng)加熱概述二、感應(yīng)加熱設(shè)備的分類82§14.1感應(yīng)加熱概述§14.1感應(yīng)加熱概述83§14.1感應(yīng)加熱概述三、中高頻電流的特點1、趨膚效應(yīng)定義：當(dāng)交變電流通過施感導(dǎo)體時，導(dǎo)體的表面的電流密度最大，越向?qū)w內(nèi)部電流密度越小，這種現(xiàn)象稱趨膚效應(yīng)（或稱表面效應(yīng))。電流的頻率越高，集膚效應(yīng)越顯著。§14.1感應(yīng)加熱概述三、中高頻電流的特點84§14.1感應(yīng)加熱概述渦流由表面向心部衰減規(guī)律（指數(shù)規(guī)律）I0－表面渦流強度c－光速ρ－工件材料的電阻率μ－工件材料的導(dǎo)磁率x－距工件表面的距離f－交流電頻率§14.1感應(yīng)加熱概述渦流由表面向心部衰減規(guī)律（指數(shù)規(guī)85§14.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)f很高時，電流大部分集中在導(dǎo)體表面，心部已無電流，這樣導(dǎo)致導(dǎo)體的有效電阻增加，導(dǎo)體發(fā)熱顯著增加。因此，感應(yīng)器的施感導(dǎo)體常采用空心的銅管制成，管內(nèi)通水冷卻，以降低施感導(dǎo)體溫度。§14.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)f很高時，電流大部分集中在導(dǎo)86§14.1感應(yīng)加熱概述2、鄰近效應(yīng)定義：當(dāng)兩個載有高頻電流的導(dǎo)體彼此相距很近時，每個導(dǎo)體內(nèi)的電流將重新分布。如果兩個導(dǎo)體中電流方向相同，則最大電流密度將出現(xiàn)在兩導(dǎo)體相背的一面，如果兩個導(dǎo)體中電流方向相反，則最大電流密度將出現(xiàn)在兩導(dǎo)體相鄰的一面。這種電流向一側(cè)集中的現(xiàn)象叫鄰近效應(yīng)。導(dǎo)體內(nèi)電流的頻率越高，鄰近效應(yīng)越明顯?！?4.1感應(yīng)加熱概述2、鄰近效應(yīng)87§14.1感應(yīng)加熱概述在感應(yīng)器的導(dǎo)電管之間，如多匝感應(yīng)器的匝與匝之間存在鄰近效應(yīng)，感應(yīng)器與加熱工件之間也存在鄰近效應(yīng)，在感應(yīng)器的設(shè)計中，巧妙利用鄰近效應(yīng)可提高感應(yīng)器的效率?！?4.1感應(yīng)加熱概述在感應(yīng)器的導(dǎo)電管之間，如多匝感應(yīng)88§14.1感應(yīng)加熱概述3、圓環(huán)效應(yīng)定義：當(dāng)高頻電流流過環(huán)形導(dǎo)體時，電流在導(dǎo)體橫截面上的分布將發(fā)生變化，此時電流僅僅集中在圓環(huán)的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象叫圓環(huán)效應(yīng)。圓環(huán)的曲率半徑越小，徑向?qū)挾仍酱螅瑘A環(huán)效應(yīng)也越明顯；電流的頻率越大，圓環(huán)效應(yīng)也越顯著。圓環(huán)效應(yīng)有利于感應(yīng)器對外圓柱

零件的表面感應(yīng)加熱，但不利于

對工件內(nèi)孔進行加熱。§14.1感應(yīng)加熱概述3、圓環(huán)效應(yīng)89§14.1感應(yīng)加熱概述4、尖角效應(yīng)定義：當(dāng)用感應(yīng)器加熱不規(guī)則形狀工件表面時，工件的尖角部位的加熱強度遠較其它光滑平坦部位強烈，往往會造成過熱(例如，齒輪的齒頂部位)，這種現(xiàn)象稱做尖角效應(yīng)。尖角效應(yīng)是由于磁力線易于在尖角處集中，感應(yīng)渦流較強的緣故。為了克服這一現(xiàn)象，在設(shè)計形狀不規(guī)則的工件時，應(yīng)適當(dāng)加大尖角或凸出部位與感應(yīng)器之間的間隙?！?4.1感應(yīng)加熱概述4、尖角效應(yīng)90§14.1感應(yīng)加熱概述§14.1感應(yīng)加熱概述91§14.1感應(yīng)加熱概述5、電流捷徑電流在流動時，往往是沿電阻小的部位進行，有時感應(yīng)器的厚度有變化時，應(yīng)考慮電流走捷徑對加熱的影響?！?4.1感應(yīng)加熱概述5、電流捷徑92§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備一、工頻感應(yīng)加熱設(shè)備§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備一、工頻感應(yīng)加熱設(shè)備93§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：供電系統(tǒng)＋工藝裝備系統(tǒng)f=50Hz（或60Hz），電流透入深度δ>10mm（f=50Hz時，電流透入深度δ＝15mm），適用于大型工件，如冷軋輥、大車輪等大截面工件的表面淬火加熱，也被廣泛用于熔煉鋼鐵、鑄鐵及有色金屬，還可以用于鍛件鍛造前的加熱，熱處理的正火或調(diào)質(zhì)處理。特點：工頻感應(yīng)加熱速度低，不易產(chǎn)生過熱，整個加熱過程易控制。§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：供電系統(tǒng)＋工藝裝備系統(tǒng)94§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備當(dāng)溫度高于居里點（700℃）時，δ＝75mm工頻感應(yīng)加熱速度小于中、高頻感應(yīng)加熱，特別是在居里點以上時，加熱速度更低，因而熱應(yīng)力較小，熱應(yīng)力引起的變形與開裂的可能性也較小，造成過熱的危險性也較小。不需要變頻設(shè)備，設(shè)備簡單，投資較低；§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備當(dāng)溫度高于居里點（700℃）時，95§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備二、中頻感應(yīng)加熱設(shè)備f=500~10000Hz，又稱音頻感應(yīng)加熱設(shè)備，電流透入深度δ

≈5mm，用于中小型工件的淬火加熱。中頻發(fā)電機是使用較早而廣泛的設(shè)備，其中可控硅變頻器是一種較先進的設(shè)備，在工業(yè)中也得到迅速地發(fā)展和推廣使用。§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備二、中頻感應(yīng)加熱設(shè)備96§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備中頻發(fā)電機組構(gòu)成：電動機、中頻發(fā)電機、激磁用電動機和發(fā)電機、電容器、降壓變壓器、感應(yīng)器分類機械式晶閘管式§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備中頻發(fā)電機組構(gòu)成：電動機、中頻發(fā)97§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備機械式中頻變頻裝置（簡稱機式中頻發(fā)電機）：能將50Hz工頻電流轉(zhuǎn)變成1000~8000Hz的中頻電流優(yōu)點：可靠耐用，維護費用低，可集中供電（一臺機組可以供幾臺淬火機床輪流使用），變頻機組利用率高；數(shù)臺性能相近的中頻裝置可并聯(lián)使用，提高輸出功率。缺點：頻率固定，使用范圍受限，占地面積大，噪聲大，耗水量大，電效率低（70%~75%），屬淘汰產(chǎn)品，目前已停產(chǎn)?！?4.2感應(yīng)加熱設(shè)備機械式中頻變頻裝置（簡稱機式中頻98§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備晶閘管式（SCR）中頻變頻裝置：亦稱可控硅中頻電源，有整流、濾波、逆變、控制及保護電路組成。感應(yīng)淬火用的晶閘管中頻電源頻率一般為2.5~8kHz。優(yōu)點：體積小、重量輕；無機械運動，噪聲??；啟動、停止方便；頻率可根據(jù)零件需要調(diào)整，并在運行中自動跟蹤，保持在最高功率因數(shù)下運行；安裝容易；電效率可達90%?！?4.2感應(yīng)加熱設(shè)備晶閘管式（SCR）中頻變頻裝置：99§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備100§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備三、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備

高頻感應(yīng)加熱設(shè)備實質(zhì)上就是一種大功率的頻率變換裝置，它將50Hz的工頻電流轉(zhuǎn)換成幾百千赫的高頻電流，以滿足感應(yīng)加熱的需要。電流頻率越高，加熱工件時電流透入深度越淺，渦流強度越大，熱量越集中，因而加熱速度越快，淬硬層也越薄，所以高頻感應(yīng)加熱設(shè)備多用于要求淬硬層小于1mm的中、小型零件?！?4.2感應(yīng)加熱設(shè)備三、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備101§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備f

=100~300kHz，電流透入深度δ<3mm，適用于大多數(shù)工件表面淬火。分類電子管式高頻感應(yīng)加熱裝置晶體管式高頻變頻裝置§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備f=100~300kHz，102§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備電子管式高頻感應(yīng)加熱裝置結(jié)構(gòu)晶閘管調(diào)壓器升壓變壓器高壓整流器電子管振蕩器微機控制調(diào)壓系統(tǒng)優(yōu)點：在高頻率甚至超高頻率、大功率方面有獨特優(yōu)勢缺點：耗能高、體積大、相對效率低、危險性大§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備電子管式高頻感應(yīng)加熱裝置103§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備晶體管式高頻變頻裝置結(jié)構(gòu)整流器逆變器控制電路優(yōu)點：體積小、重量輕，整機效率高，節(jié)能節(jié)水，隨時可以起動和停機，輸出功率調(diào)節(jié)方便，反應(yīng)迅速，準確可靠，故障率低，整機使用壽命長?！?4.2感應(yīng)加熱設(shè)備晶體管式高頻變頻裝置104§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備105§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備四、感應(yīng)加熱設(shè)備的選擇電流透入深度δ：根據(jù)趨膚效應(yīng)，工程上規(guī)定當(dāng)Ix降至I0的1/e（0.368，e

=2.718）處的電流深度稱為電流透入深度。鋼鐵材料熱態(tài)電流的透入深度比冷態(tài)電流透入深度大幾十倍，鋼鐵在800~900℃時δ

=500/f1/2感應(yīng)加熱時，f越大，δ熱越小，則淬硬層深度x越淺；反之，f越小，δ熱越大，則x越深?！?4.2感應(yīng)加熱設(shè)備四、感應(yīng)加熱設(shè)備的選擇106§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備如果δ熱<<x

，則加熱時熱量只集中于表層，要靠熱傳導(dǎo)傳熱，加熱速度慢，生產(chǎn)率低，過渡層大，但功率??；如果δ熱≥

x

，加熱速度快，表面輻射損失小，過渡層淺，但功率大。生產(chǎn)經(jīng)驗：1.5×104/x2≤f≤2.5×105/x2

例如：x

=2.0時,fmax=60000Hz,fmin

=4000Hz

f

最佳＝15000Hz

采用真空管式感應(yīng)加熱設(shè)備。§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備如果δ熱<<x，則加熱時熱量107§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要

感應(yīng)器設(shè)計得是否合理會影響到加熱層的形狀和深度以及設(shè)備功率能否正常發(fā)揮等。因此，感應(yīng)器的設(shè)計對提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益至關(guān)重要，應(yīng)根據(jù)工件的形狀、尺寸以及熱處理技術(shù)要求來設(shè)計設(shè)計要求：確保工件表面被均勻加熱，電熱效益高，自身損耗小，具有一定的強度和使用壽命，制作簡單，工作穩(wěn)定可靠，操作方便，裝卸便捷?！?4.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要感應(yīng)器設(shè)計得108§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要感應(yīng)器的組成有效圈（產(chǎn)生磁場加熱工件的有效部分）匯流排（將電源電流輸向有效部分）連接板（夾持裝置，將前兩者與淬火變壓器夾緊）供水裝置（冷卻前兩者、噴水冷卻工件）有時感應(yīng)器還裝有導(dǎo)磁體、磁屏蔽環(huán)（片）、定位圈和支撐裝置?！?4.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要感應(yīng)器的組成109§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要110§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要

感應(yīng)器的設(shè)計主要包括：感應(yīng)器有效圈的形狀、尺寸、圈數(shù)，感應(yīng)器有效圈與工件的間隙，匯流板的尺寸與連接方法，冷卻方式等。其結(jié)構(gòu)尺寸主要根據(jù)中、高頻電流的特點以及感應(yīng)線圈的使用壽命等來考慮。§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要感應(yīng)器的設(shè)計111§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要1、感應(yīng)器有效圈與工件的間隙感應(yīng)器與工件的間隙大小直接影響到感應(yīng)器的功率因數(shù)。從提高熱效應(yīng)的角度出發(fā)，感應(yīng)器有效圈與工件的間隙越小越好。間隙大，功率因數(shù)低；間隙小，功率因數(shù)高，電流透入深度淺，加熱速度快。但間隙過小，操作不方便，易產(chǎn)生短路，降低使用壽命。間隙大小還受到設(shè)備的功率和淬硬層深度的影響，設(shè)備功率大則間隙大，設(shè)備功率小則間隙小。連續(xù)加熱時要考慮移動，間隙也要大一些。§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要1、感應(yīng)器有效圈與工件的間112§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2、感應(yīng)器有效圈的尺寸1）感應(yīng)器有效圈的內(nèi)徑

外圓表面加熱用的施感導(dǎo)體采用矩形或方形截面的銅管繞成。內(nèi)徑：D＝D0＋2a（mm）

D0

－工件的直徑，mma－工件表面與施感導(dǎo)體內(nèi)表面的間隙§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2、感應(yīng)器有效圈的尺寸113§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2）感應(yīng)器有效圈的高度感應(yīng)器有效圈的高度會直接影響淬硬層分布。長軸件進行局部一次性加熱：H

=L+8~10(mm)L－淬硬區(qū)的長度短軸零件進行局部一次性加熱：H

=L-2a(mm)a－感應(yīng)器有效圈與工件間隙，mm當(dāng)軸形件淬硬層較長時，可采用多匝感應(yīng)器。§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2）感應(yīng)器有效圈的高度114§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要3）感應(yīng)器有效圈的管壁厚度管壁厚度應(yīng)根據(jù)電流在銅質(zhì)導(dǎo)體中的趨膚效應(yīng)以及感應(yīng)器自身的強度要求來確定。感應(yīng)器有效圈壁厚沒有通水冷卻時，其厚度為8~10mm，通水冷卻時，厚度按下表選取。感應(yīng)器的冷卻出水溫度不能大于60℃。頻率/Hz感應(yīng)器管壁厚度/mm10003.0~4.025002.08000~100001.5250000~40000001.0§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要3）感應(yīng)器有效圈的管壁厚度115§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要3、感應(yīng)器的圈數(shù)當(dāng)工件直徑較小，而淬硬區(qū)又較長時，可采用雙圈或多圈感應(yīng)器，有較高的熱效率。多圈感應(yīng)器可以改善匯流板與感應(yīng)器間的電壓分配，增加感應(yīng)器上的電壓。但圈數(shù)也不宜過多，過多時阻抗增加，功率因數(shù)下降，效率低?！?4.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要3、感應(yīng)器的圈數(shù)116§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要4、冷卻水路冷卻水管的尺寸與電流頻率、電流透入深度、加熱方式和散熱條件有關(guān)。采用同時加熱法時，要另設(shè)噴水圈或淬火槽進行淬火冷卻。采用連續(xù)加熱淬火法時，可采用自噴式感應(yīng)器，當(dāng)要求噴水量較大時，在感應(yīng)器下方另設(shè)獨立噴水圈。5、匯流板尺寸匯流板－感應(yīng)圈兩端與電源的連接部分?！?4.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要4、冷卻水路117§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要二、導(dǎo)磁體和屏蔽作用1、導(dǎo)磁體圓環(huán)效應(yīng)使電流集中于感應(yīng)器內(nèi)側(cè)，有利于加熱圓柱零件。對于加熱圓筒形零件內(nèi)表面，則應(yīng)在感應(yīng)器上設(shè)置導(dǎo)磁體將電流從內(nèi)側(cè)驅(qū)趕到外側(cè)，以加強鄰近效應(yīng)，改變加熱區(qū)溫度分布，提高熱效率。§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要二、導(dǎo)磁體和屏蔽作用118§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2、電磁屏蔽對工件上不需要加熱的凸臺或尖角處加上銅環(huán)或鐵磁材料環(huán)，在環(huán)中因漏磁而產(chǎn)生渦流，渦流所產(chǎn)生的磁場方向與感應(yīng)加熱的磁場方向相反，使磁力線不能穿過那些不需要加熱的部位，而起到屏蔽作用。

例如：對鍵槽、油孔打入銅釘進行屏蔽，避免工件加熱時產(chǎn)生的過熱或裂紋?！?4.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要2、電磁屏蔽119§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計概要120§14.4感應(yīng)器的效率一、感應(yīng)器的效率指感應(yīng)器的輸入功率與用于加熱工件的有用功率之比η＝Pa/Pη－感應(yīng)器的效率，%Pa－工件表面吸收功率（kW）P－輸入感應(yīng)器功率（kW）工件表面吸收功率Pa是計算工件加熱總功率和選擇設(shè)備的依據(jù)。

§14.4感應(yīng)器的效率一、感應(yīng)器的效率121§14.4感應(yīng)器的效率Pa與淬硬層深度、工件大小、加熱時間、電流頻率和加熱方式等因素有關(guān)，其大小直接影響工件的加熱速度和淬硬層深度。在選擇總功率P時，設(shè)備的效率應(yīng)將變壓器效率、感應(yīng)器效率和回路線傳輸效率等考慮進去，且總功率滿足工藝要求?！?4.4感應(yīng)器的效率Pa與淬硬層深度、工件大小、加熱122§14.4感應(yīng)器的效率2、感應(yīng)器的效率不應(yīng)低于80%，提高感應(yīng)器的效率應(yīng)注意以下幾點：1、感應(yīng)器的有效圈、匯流排及連接板應(yīng)該使用純銅制造，這樣對電流阻礙作用小，電效率高，無氧銅是首選材料。2、感應(yīng)加熱時，感應(yīng)器與工件之間總有一定的間隙，總有部分磁力線不經(jīng)過被加熱工件的表面，而從間隙中通過，對工件不起加熱作用，這就是漏磁。間隙越大，漏磁越大?！?4.4感應(yīng)器的效率2、感應(yīng)器的效率不應(yīng)低于80%，123§14.4感應(yīng)器的效率3、磁力線穿過了工件，并轉(zhuǎn)換成了熱能，但這部分熱能并沒有被用于工件所需要加熱的地方，而是加熱了其他不應(yīng)該被加熱的部分，稱為磁力線的逸散。為了提高感應(yīng)器的效率，在感應(yīng)器形狀和尺寸的設(shè)計時，應(yīng)充分考慮磁力線的分布。采用導(dǎo)磁體是克服磁力線逸散的有效途徑?！?4.4感應(yīng)器的效率3、磁力線穿過了工件，并轉(zhuǎn)換成了124§14.4感應(yīng)器的效率4、根據(jù)工件的直徑（或厚度）正確選擇感應(yīng)電流的頻率，這是提高感應(yīng)器效率的根本保證，工件直徑（或厚度）與電流透入深度之比將決定電效率，兩者關(guān)系見下表：工件直徑/電流透入深度864210.60.4感應(yīng)器效率（%）948565301041§14.4感應(yīng)器的效率4、根據(jù)工件的直徑（或厚度）正確125§14.4感應(yīng)器的效率5、盡量采用矩形純銅管代替圓形管制作感應(yīng)器。矩形管和圓形管在截面上的電流分布不同。當(dāng)間隙相同時，圓形管的漏磁和磁力線逸散非常嚴重，而矩形管比圓形管效率高10%?！?4.4感應(yīng)器的效率5、盡量采用矩形純銅管代替圓形管126§14.4感應(yīng)器的效率6、感應(yīng)器的總阻抗由有效圈阻抗、連接板及匯流排阻抗、感應(yīng)器與淬火變壓器的接觸阻抗組成。淬火變壓器的輸出電壓一定時，電壓在感應(yīng)器上的分配是按阻抗的大小成正比分配。為提高感應(yīng)器效率，有效圈長度與感應(yīng)有效圈高度比值在5~10之間比較合適，如果小于5，應(yīng)用多匝感應(yīng)器?！?4.4感應(yīng)器的效率6、感應(yīng)器的總阻抗由有效圈阻抗、127§14.4感應(yīng)器的效率7、感應(yīng)器的連接板與淬火變壓器的接觸要好。接觸電阻增大時，會導(dǎo)致接觸面發(fā)熱、氧化、并使接觸電阻進一步增大而形成惡性循環(huán)。8、在需要對很小面積的零件加熱或需要提高對零件的某一局部加熱功率時，可以在感應(yīng)器上加裝集流器（強流器），使感應(yīng)器獲得更大的功率，并傳遞到被加熱的工件上。集流器可固定在感應(yīng)器上，也可做成分離型，方便與被加熱工件定位，使得感應(yīng)器難以進入的零件部位得到加熱?！?4.4感應(yīng)器的效率7、感應(yīng)器的連接板與淬火變壓器的128§14.5淬火機床淬火機床是感應(yīng)熱處理設(shè)備的重要組成部分，感應(yīng)熱處理要實現(xiàn)機械化、自動化，要保持穩(wěn)定的熱處理質(zhì)量，減輕勞動強度，改善作業(yè)環(huán)境，就必須配備合適的感應(yīng)淬火機床。分類按生產(chǎn)方式：通用型、專用型、生產(chǎn)線按感應(yīng)電源的不同：高頻、中頻、工頻淬火機床按處理工件類型的不同：軸類、齒輪、導(dǎo)軌、平面淬火機床、棒料生產(chǎn)線按主要傳動形式：液壓式、全機械式淬火機床按處理工件的裝夾方式：立式、臥式淬火機床§14.5淬火機床淬火機床是感應(yīng)熱處理設(shè)備的重要組成部分129§14.5淬火機床構(gòu)成機架：主要基礎(chǔ)件，足夠剛性、結(jié)構(gòu)簡單、宜采用鑄鐵件或型鋼焊接，應(yīng)考慮防銹和積水的排放。升降機構(gòu)：便于裝卸工件旋轉(zhuǎn)部件：為使感應(yīng)加熱均勻，圓形工件加熱時應(yīng)旋轉(zhuǎn)工件夾緊裝置控制儀表：工作臺上有位移表、轉(zhuǎn)速表、淬火冷卻介質(zhì)流量計、水壓計、測溫計等。此外，還有淬火冷卻介質(zhì)管路及循環(huán)冷卻