一個觀念大幅提高感應淬火工藝的可靠性

趙秀華，閆滿剛

一個觀念大幅提高感應淬火工藝的可靠性

趙秀華，閆滿剛

【摘要】介紹了一種在歐洲使用成熟的感應熱處理理念和方法，能直接提高感應熱處理工藝可靠性和重現性，見效快，容易實現。

在大多熱處理車間或工段都有感應加熱淬火設備。很多企業的感應淬火設備只是熱處理的一個補充手段，一般不重要的零件或備件采用感應淬火工藝，它很難納入重要工序之中。這主要是長期以來感應淬火工藝的可靠性或產品質量的穩定性難以保證，不能提供穩定的承載能力數據，大大影響了設計人員對感應淬火工藝的選擇和應用。究其原因，根結還在于感應淬火工藝的穩定性差。因此，在行業普遍存在著感應淬火的產品質量依靠“老師傅”的現狀。“老師傅”的經驗決定了零件的淬火質量，但是下一個零件的感應淬火結果即使“老師傅”親自操作也很難保證和上一件完全一致。

歐美等發達國家在20世紀60年代也經歷過和我們一樣的困局，但是，隨著精密機械加工工藝的技術發展，數控機床、加工中心等在機械加工領域大規模應用，精密加工的工藝理念被引入到感應淬火工藝中，這樣感應淬火工藝的穩定性和重現性得到了保證，從而使感應熱處理工藝從一個輔助工藝變為主要工藝，使感應熱處理的高效、便捷等優勢得以發揮。

本文將介紹一種在歐洲使用成熟的感應熱處理理念和方法，能直接提高感應熱處理工藝可靠性和重現性，見效快，容易實現操作。

感應熱處理工藝執行現狀

1. 感應器的制作和儲存

感應器是感應熱處理的加熱工具。根據電磁感應原理，感應器的幾何特征在電參數一定的情況下和加熱的結果直接相關，因此，感應器的設計和制作是要求很高的。然而感應器的實際狀況大多是熱處理車間手工制作（見圖1），而存儲也是堆在柜子中（見圖2）。

此手工制作的感應器外形不規則，將來使用時熱形不一致，加熱區溫度均勻性差；即使經過反復調整，加熱效果勉強能夠接受，使用完后拆下來堆在一起，難免不碰撞甚至變形，嚴重影響重復性使用的效果。如果需要制作該感應器的備件，那么基本不可能做到兩件一致。這樣工藝的一致性也無從談起。

圖1　某用戶自制的平面感應器

圖2　感應器存儲柜

2. 感應器的連接

感應器是感應加熱的施感原件，它一般連接在淬火變壓器的輸出端。為了適應空間位置的需要，在感應器和淬火變壓器之間常常要有一個過渡導板。目前,很多設備的淬火變壓器和感應器（或過渡導板）的連接是靠幾個螺栓，過渡導板無剛性可言，如圖3、圖4所示。

此種形式連接的感應器，無法保證兩次安裝位置的一致性或淬火加熱時的感應器狀態。

3. 冷卻水和淬火液

圖3中展示的是最常見的冷卻水連接方法。該連接方式插接時會使感應器變形而影響位置精度。更主要的，由于導板冷卻不充分，發熱嚴重，在工作過程中使感應器發生偏移，造成熱處理結果的差異。

淬火液的連接也是如此，不可靠的淬火液連接以及淬火冷卻模式使得淬火冷卻效果波動，嚴重時造成開裂。

4. 設備的可靠性和自動化程度

設備的可靠性和自動化程度也是影響工藝實施可靠性的一個因素。依靠“人”的經驗和責任心很難滿足工業化產品質量穩定性的要求。而依靠機器設備的自動化則能做到加工狀態完全一致。但由于設備可靠性和自動化程度一般和投資有關，而投資涉及范圍大，一般不是車間應用層面決定的，因此，這里不做主要討論。

問題與差距

感應熱處理的特點與機械加工模式一樣，逐件加工；而其他用爐子進行熱處理的工藝特點是多件同爐加工。同爐加工的質量控制目標是一爐（批），而感應熱處理可以做到對每個工件進行質量控制。當然，如果工藝重復性沒有可靠的保證，則會造成感應淬火每個零件結果的不一致。

感應加熱的原理告訴我們，加熱的一致性取決于施感感應器的一致性和感應器與工件耦合的一致性。除了加熱外，熱處理工藝操作的另外一個重要因素是冷卻，冷卻狀態（包括溫度、壓力、流量、分布以及角度）的一致性同樣重要。

對比目前感應熱處理的操作現狀和工藝原理要求，我們匯總出在感應熱處理操作環節的問題和差距如下。

1. 感應器制作

感應器設計和制作的專業性極強，一般需經過專門培訓。但我國很多熱處理廠無專門設計人員和能力進行完備的感應器設計，而是依據“師傅”的經驗現場制作。由圖1和圖2可以看出，感應器制作的隨意性強，基本沒有規范的感應器制作手段和方法。用材不規范，尺寸精度低；手工焊接面多，形狀不規整。電極連接面不平整，表面狀態差。

圖3　感應器通過螺栓壓板連接

圖5　感應器的構成

感應器主要由感應器座、匯流排和工作線圈三部分組成（見圖5）。感應器座是感應器的根基，應有足夠的強度和嚴格的尺寸精度，這樣才能給工作線圈以可靠的位置基礎；匯流排以輸送電流為主，同時又用于調整線圈和感應器座之間的距離，因此，過流面積和冷卻是其要保證的核心；而且工作線圈在加熱時要承受電磁力，因此匯流排的強度也要考慮。工作線圈的重要性不言而喻，在工作時要通過很大的電流，其幾何形狀決定著加熱區的形狀，通常得到更多的關注。其冷卻是影響壽命的重要因素，因

此要保證充分地冷卻。

感應器制造的另一個重要問題，是備件的一致性。由于感應器有一定的使用壽命，因此，一個經調試和生產應用合格的感應器的替代品必須具備相同的尺寸精度，顯然手工制作是難以達到要求的。

2. 感應器的連接

由于不同的零件需要不同的感應器，必須要經常更換感應器以及淬火裝置適應生產需要。感應器的連接一定要保證安裝位置的重現性，電接觸面的可靠性，以及冷卻的充分性。

對照圖3和圖4可以看出，傳統的叉口型的連接導板通過螺栓連接是無法保證位置重現性的。在感應器的電接觸面，由于表面平整度差，即使采用螺栓壓緊也不能保證有效接觸面積，因而加大了接觸電阻，在使用過程中嚴重發熱并形成氧化皮，而氧化皮又反過來加劇了接觸電阻的增大，造成更大的功率損失和發熱。

過渡導板是連接淬火變壓器和感應器的常用裝置。其作用一方面是調整加熱線圈相對于淬火變壓器輸出端的位置，同時給感應器提供安裝基礎。由前述可知，要保證感應器的位置重現性，一則過渡導板需要有足夠的剛性；二則在其接合面必須有定位措施，這樣才能保證多次拆裝感應器位置一致；另一方面由于過渡導板也是載流導體，因此在工作過程中有顯著的發熱，一般采用水冷。水冷不充分或導板的兩極板水冷不均勻，則發熱引起的變形不同而發生彎曲。這樣感應器的位置同樣也可變化，失去基準。

3. 冷卻水和淬火液的冷卻狀態

既然冷卻水和淬火液對感應器工作無論是位置精度，還是壽命，以及淬火結果都很重要，那么就需要對其監測和保護。而目前多數老舊機床都不具備冷卻水的監測和報警功能，或者有的采用一個簡單的壓力表來指示。當管路堵塞時壓力表仍然指示在高壓力狀態，但不能說明冷卻水充分。目前，進口的感應加熱設備上對于冷卻都采用流量監測和溫度監測，這樣能充分保證冷卻或淬火的狀態一致。

解決方法——使用感應器伴侶

感應器伴侶借鑒歐洲先進的理念，是專為用戶解決感應器制作標準化和一致性的基礎部件。它充分考慮了感應熱處理的工藝特點，從結構強度、水電連接、狀態監測和保護等方面進行了充分的優化設計，讓感應熱處理工作者專注于工作線圈的設計和調試，其他一致性、可靠性、水電一體化連接都由感應器伴侶來保證。感應器伴侶包括感應器靴，快換導板、感應器校正模以及感應器制作標準材料四類。

1. 感應器靴

感應器靴（見圖6）設計為水電一體化快速連接模式，極板采用專門軋制的電工純銅型材，數控加工中心加工，尺寸精度高，焊接面少，電感小。極板間的絕緣和緊固采用聚四氟乙烯，絕緣性能好，耐熱溫度高。 接管的長度可以根據需要截短；導板上預留安裝孔，可以用于固定其他附件。

由圖6可以看出，只要用戶焊上工作線圈（感應器頭）就可以調試加熱了。使用方便，互換性好。由于感應器靴的基座具有很高的尺寸精度，因此也保證了感應器的安裝定位要求。這樣用戶就可以專注于加熱線圈部分的設計和改進而無需花費時間在那些基礎部件的準備上了。

2. 快換卡座

圖6　感應器靴

在淬火變壓器的輸出端經常要接入一個連接導板。感應器伴侶中的連接導板兼顧了水電的快速連接功能，更重要的是，它提供了感應器的剛性精確定位，即快換卡座（見圖7）。快換卡座采用楔入式結構，楔入卡口與感應器靴的基座精密配合；導板的冷卻水通過界面的O形環密封流入感應器工作線圈，然后返回導

板；裝卸感應器時只需要打開快換卡座的黃銅壓塊，就可更換感應器，并且水電一次完成。

由于快換卡座的連接導板剛性好，冷卻為內通道，故保證了工作過程中的感應器端部的位置精度，側方的冷卻水只要一次接入，不隨感應器更換而拆卸。如果需要，在冷卻水接口處還可設溫度或流量監測，這樣更可靠。

圖7　快換卡座

圖8　感應器校正保護模

3. 感應器校正保護模

一旦感應器投入使用，在工作過程中受電磁力的作用，長時間后會產生一定的變形；甚至在更換下來的存儲和移動過程中不當外力作用或許發生變形。那么，如何保證下次使用時感應器是完好的呢？借鑒刀具的存放理念我們提倡使用感應器校正保護模。如圖8所示，該保護模具有足夠的剛性和位置精度，卸下的感應器放入模腔時，變形會得到修正；和模腔一起存放或轉移，則感應器就不會發生變形或損壞，確保下次投入使用時感應器的完好性。

4. 感應器制作標準材料

由于感應熱處理是一個非常專業的領域，感應器熱處理工藝人員少，對感應器的標準化認識不足，因此，感應器制作的專業化程度很低。而大多用戶在自己手工制作感應器時只能利用市場上通用的銅板（管）等，而這些材料往往不能滿足感應器制作的需求。比如矩形銅管，圓角太大影響加熱層的分布。另外，感應器各部分的功能不同對銅的質量要求也不同。現在，專門為感應器制造而生產的系列型材可以在感應器伴侶系列商品中選取。另外，適合感應器使用的絕緣件、緊固件、清潔材料等目前也在感應器伴侶系列中可以選到，大大提高了自制感應器的幾何精度，提高了工藝執行的穩定性。

5. 用戶的好處

一個新產品要實現可靠的感

冷卻水出應淬火，需要很煩瑣的步驟，花費大量時間和精力來進行感應器的設計制造和工藝開發。

首先是淬火感應器的設計（主要是工作線圈）需要結合設備能力和設計者的技術儲備反復修改，然后投入復雜的制造過程；制造出來后還要實際加熱調試，反復切片驗證才能最終確定感應器的幾何尺寸和一套完備的工藝，而這套工藝需要一系列保證措施來實現。感應器伴侶就是實現工藝重現性的保證手段。否則，無論是感應器更換或是感應器的再制作，所有的工藝開發過程都丟失了，相同的工作必須再來，亦或是憑經驗，回到“只有老師傅能干出好產品”的老路上去。而采用感應器伴侶可使工藝得到保證，無質量波動之憂，即使“老師傅”缺席，也能干出一樣質量的產品，大幅提高了生產效率，降低了生產成本。

結語

長期以來，我國感應熱處理行業普遍依靠經驗來保證質量的做法已經遠遠不能滿足當前要求。而這其中的重要原因就是沒有找到工藝可靠性保證的可實施措施。感應器伴侶的推出，為我們找到了一條方法，可以將“老師傅”智慧留住，從而提高工藝的可靠性和產品質量，并實現了相關工裝的標準化和系列化，大大提高了效率，降低了成本。

20150105

作者簡介：趙秀華、閆滿剛，北京金和感應器聯盟。