折彎刀的感應(yīng)加熱淬火

江西省新余市職業(yè)教育中心 （338029） 陳 莉

江西省新余市長(zhǎng)林集團(tuán)長(zhǎng)林機(jī)器公司 （338029） 鐘翔山 鐘禮耀

圖1所示折彎刀是折彎?rùn)C(jī)上用于板料折彎的工作部件，工作時(shí)承受沖擊、摩擦和局部刻劃等作用，工作條件較為苛刻。要求其具有足夠的強(qiáng)度和韌性，模口部位還應(yīng)有足夠硬度。設(shè)計(jì)選材為T8A，整體調(diào)質(zhì)250～280HBW，模口淬火硬度48～52HRC。通過熱處理試制、總結(jié)、提高，已滿意實(shí)現(xiàn)模口部位的表面淬火，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖1 折彎刀結(jié)構(gòu)

1.生產(chǎn)流程

此折彎刀組件由4件組配成一直線使用，全長(zhǎng)達(dá)3200mm，精度要求很高，生產(chǎn)工藝流程相應(yīng)比較復(fù)雜：毛坯鍛造（退火）→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→回火→精加工→高頻淬火→配組半精磨（打配組號(hào)）→時(shí)效→氧化→配組精磨→油封。

2.感應(yīng)淬火方案確定

（1）零件結(jié)構(gòu)對(duì)感應(yīng)加熱淬火的影響 由于功能需要，需高頻淬火的模口部位斷面尺寸變化大，呈尖角狀（模口夾角為88°，過渡半徑0.5mm），這種形狀對(duì)于高頻淬火是極為不利的。首先，在加熱時(shí)易受尖角效應(yīng)影響，以及渦流密度過分集中、升溫太高而出現(xiàn)過熱過燒，而在隨后的冷卻時(shí)尖角處又由于熱容量小，散熱面大，冷卻最為激烈，極易冷卻太快而出現(xiàn)不測(cè)，尖角處于加熱、冷卻雙重危險(xiǎn)狀態(tài)。

再者，零件由于4件組裝使用，要求理想銜接，4件間相關(guān)尺寸精度在0.02mm之內(nèi)，高頻處理后要留足相當(dāng)?shù)哪ハ饔嗔浚垢袘?yīng)加熱淬火深度大大增加，又增加了高頻淬火的困難。250kHz周高頻電在鋼中的透入深度在840℃時(shí)只有0.7mm，因此不能使用透入式加熱（整個(gè)加熱深度靠渦流直接加熱到溫），而只能主要用傳導(dǎo)式加熱（渦流層產(chǎn)生的熱量以傳導(dǎo)方式導(dǎo)入深部而加熱到溫），使用較低的比功率，用較長(zhǎng)的時(shí)間加熱以增加淬火深度，這將增加控制的困難。

第三，淬火部位長(zhǎng)達(dá)800mm，且極不對(duì)稱地分布在零件的一側(cè)，造成零件淬火變形過大。

第四，零件淬火部位要求硬度均勻，兩端部不允許存在過渡區(qū)，增加了淬火難度。

（2）淬火方案的具體確定 根據(jù)零件特點(diǎn)，用連續(xù)加熱淬火，感應(yīng)器固定不動(dòng)，零件固定在軌道小車上，水平方向沿軸線移動(dòng)，采取壓住感應(yīng)器的辦法來微調(diào)感應(yīng)器與零件間距離，從而有利于簡(jiǎn)化夾具結(jié)構(gòu)，降低精度，節(jié)約成本，同時(shí)噴液冷卻的時(shí)間也較好掌握，達(dá)到控制上的一致性。

淬火部位呈尖角式，為減輕其不利影響，結(jié)合磨削留量，把尖角部位加工成2mm寬的平面狀，以進(jìn)行形狀、質(zhì)量補(bǔ)償，全面改善工藝性能。

由于采用連續(xù)淬火，油冷比較困難，故采用水冷。考慮到直接用冷水，零件仍有淬裂的危險(xiǎn)，故使用溫水以降低冷速。用感應(yīng)器冷卻水來冷卻零件，控制感應(yīng)器水量及感應(yīng)器出水皮管高度，便可方便地控制淬火冷卻水的水溫和水量。其系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)

3.感應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

感應(yīng)加熱，感應(yīng)器是關(guān)鍵之一，要求感應(yīng)加熱損耗少，效率高，加熱溫度均勻。感應(yīng)器設(shè)計(jì)的好壞對(duì)淬火質(zhì)量起著決定性作用。

試制階段，套用傳統(tǒng)的平面狀表面淬火感應(yīng)器——雙回線型平面感應(yīng)器。并按機(jī)床導(dǎo)軌淬火那樣相應(yīng)彎成一個(gè)角度。由于其電流方向與零件軸線垂直，稱之為“橫式感應(yīng)器”，其結(jié)構(gòu)和感生渦流如圖3所示。

圖3 橫式感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及感生渦流示意

用“橫式感應(yīng)器”加熱，模口受感應(yīng)面積很小，在比功率相同的情況下，總功率提不高，供能有限，淬火速度極慢；為提高生產(chǎn)率，勢(shì)必加大比功率，從而加大加熱層的溫度梯度，造成表層溫度過高，出現(xiàn)過熱過燒、淬裂現(xiàn)象；尖角區(qū)一直處在感應(yīng)區(qū)域內(nèi)，尖角效應(yīng)仍然嚴(yán)重，曾考慮用調(diào)整間隙的辦法來改善，但因空間位置太小，感應(yīng)器極難在如此小尺寸范圍內(nèi)做成如此形狀突變。即使做成了，零件受感面積還得大減，淬火速度會(huì)更慢，甚至無法加熱到指定溫度；這類感應(yīng)器加熱零件時(shí)，由于渦流分布于特征兩導(dǎo)體之間，必然存在一個(gè)低溫區(qū)，使加熱始末兩頭留下一個(gè)不允許存在的軟帶。

綜合吸收雙回線矩形感應(yīng)器和單齒淬火感應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)成所謂“縱式感應(yīng)器”。其感生渦流如圖4所示。“縱式感應(yīng)器”電流方向與零件移動(dòng)方向相平行，從根本上解決了上模的加熱問題。

圖4 縱式感應(yīng)器感生渦流示意

用“縱式感應(yīng)器”加熱，零件處于感應(yīng)器有效圈內(nèi)側(cè)，此時(shí)高頻電的臨近效應(yīng)與圓環(huán)效應(yīng)相一致，感應(yīng)器的效率最高，可達(dá)85%；尖角區(qū)正好處于兩導(dǎo)體間中點(diǎn)附近，磁場(chǎng)基本抵消，渦流很小，較好地避免了尖角效應(yīng)，該處加熱主要靠?jī)蓚?cè)面渦流熱場(chǎng)擴(kuò)散傳導(dǎo)來完成，受熱緩和；感應(yīng)器縱向放置，避免了“橫式”受感面積受橫截面尺寸限制的困難，適當(dāng)加長(zhǎng)有效長(zhǎng)度后受感面積可成十倍地增加，也即加熱能量可成十倍加大；加長(zhǎng)感應(yīng)器后，即使移動(dòng)速度加快也能保證零件在感應(yīng)器下能有足夠長(zhǎng)的加熱時(shí)間，這對(duì)傳導(dǎo)式加熱來說是至關(guān)重要的；感應(yīng)器的各個(gè)斷面上磁場(chǎng)分布是一致的，受感零件各個(gè)斷面上的磁場(chǎng)溫度也一致，不會(huì)出現(xiàn)“橫式”感應(yīng)器中的始末軟帶現(xiàn)象。

由上面分析比較看出，“縱式”感應(yīng)器比“橫式”有更多優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)此改進(jìn)后：?jiǎn)渭訜岽慊饡r(shí)間（走完800mm）由18min減短為2min；尖角淬裂比率由65：17下降為262：0；淬火層深度從0.4～3.0mm極度不均勻提高到穩(wěn)定于2.25～2.75mm；淬火層金相組織也從經(jīng)常嚴(yán)重過熱改善為穩(wěn)定在4～6級(jí)。

改進(jìn)感應(yīng)器設(shè)計(jì)后得到了完全滿意的結(jié)果，其工藝參數(shù)為：淬火溫度830～840℃；零件移動(dòng)速度1.5～2.0min/800mm；陽極電壓10kV，陽極電流1A，柵極電流0.18A。

4.零件變形及解決措施

此零件試制生產(chǎn)中，變形是另一個(gè)十分突出的問題。淬火以后，發(fā)現(xiàn)零件在厚度、寬度兩個(gè)方向均有較大變形。在厚度方向凹槽面中間凹陷一般為0.4mm左右，極限值曾達(dá)0.8mm；在寬度方向，淬火面兩頭上撓，中間下陷成馬鞍形，一般下陷0.75mm左右，極限值曾達(dá)1.2mm。變形方向如圖5所示。

圖5 變形方向示意

高頻感應(yīng)加熱淬火變形要小些，由于淬火層相對(duì)來說較淺，組織變化引起的組織應(yīng)力相對(duì)也居次要，引起變形的主要原因是熱應(yīng)力（淬火前已有去應(yīng)力回火工序，機(jī)加工殘留應(yīng)力已大部分消除）。

當(dāng)高頻淬火時(shí)，只加熱上表層后從上側(cè)急冷，由于下部剛度強(qiáng)，塑性變形抗力大，因此下側(cè)不發(fā)生縱彎曲，其結(jié)果是受急冷的一面發(fā)生收縮，產(chǎn)生如圖6所示的中部凹陷變形。類似的單面感應(yīng)加熱淬火的工件，如機(jī)床導(dǎo)軌類零件均發(fā)生這種變形。

圖6 零件變形原理

由于此模具幾何形狀不對(duì)稱，淬火部位又處于最不對(duì)稱的邊角上。從圖5分析可知，設(shè)淬火部位拉應(yīng)力中心為A，中性軸為O，應(yīng)力作用中心點(diǎn)A既不通過厚度方向的中性面X—X，也不通過寬度方向的中性面Y—Y。在厚度方向出現(xiàn)應(yīng)力彎矩σmax×b（b為折彎刀厚度方向的力臂），在寬度方面出現(xiàn)應(yīng)力彎矩σmax×a（a為折彎刀寬度方向的力臂），作用的結(jié)果使厚度凹陷面中間下陷，寬度淬火面中間下陷，呈雙馬鞍形。由于a遠(yuǎn)大于b，故寬度方向變形也大，這都符合實(shí)際情況，是該零件變形過大的主要原因。

為了消除或減少變形，在淬硬的前題下，曾經(jīng)嘗試適當(dāng)降低淬火溫度，提高水溫以減緩冷卻速度的辦法，感應(yīng)器出水溫度盡量控制得高一些，可減少一部分變形。根據(jù)機(jī)床導(dǎo)軌變形的經(jīng)驗(yàn)介紹：在淬火前預(yù)先對(duì)淬火面施以正火或高溫回火（感應(yīng)加熱），使淬火面先上凸，淬火后補(bǔ)償大部分變形，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凹陷情況雖有好轉(zhuǎn)（寬度方向可減少凹陷0.08～0.1mm），但距要求甚遠(yuǎn)。

根據(jù)對(duì)稱原理，既然此種變形是不對(duì)稱的熱應(yīng)力造成的，那么在其相應(yīng)的反面同樣施以熱應(yīng)力，讓其相互抵消或大部分抵消，也就可以消除或減少變形。如果在對(duì)稱面上與淬火面同時(shí)淬火，則應(yīng)力可平衡補(bǔ)償而不致發(fā)生變形。如果在淬火后于對(duì)稱面上加熱、冷卻，則會(huì)發(fā)生反向變形而補(bǔ)償淬火變形。由于后者比較容易掌握，且不致使非淬火部位淬上火，故選擇了后者。

具體做法是：淬火后的折彎刀先經(jīng)回火，然后在與刀口相對(duì)的面上感應(yīng)加熱，溫度控制在600℃左右，同時(shí)水冷。利用其收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，一次處理可使凹陷減少0.5～0.6mm，平直度糾正到0.3mm范圍之內(nèi)。個(gè)別變形較大，一次處理不合格者可施以二次處理，且中間過程一定要經(jīng)過去應(yīng)力回火，否則效果不大。厚度方向的不平也可通過冷壓校正來消除。0.3mm以內(nèi)的凹陷變形，通過組合配套（4件）的磨削同時(shí)除去。淬火變形解決后，生產(chǎn)線全部暢通，折彎刀的加工質(zhì)量得到全面保證。