CN1020754C - 一种在扫描感应加热淬火中对弯曲工件矫直的方法 - Google Patents

Abstract

一种在扫描感应加热淬火中对弯曲工件矫直的方法，采用一个通有交流电的感应圈沿钢件的长度逐渐移动，然后立即将工件的加热部位淬火的方法使钢件表面硬化，其特征是，在高频淬火过程中是这样控制正在进行表面淬火的工件中弯曲的矫直：即通过监控工件的平直度并利用所得到的信息控制工件的加热和淬火冷却，使工件在任何弯曲凹入处形成较厚的硬化层，以便产生一种能消除弯曲的矫直力矩作用。

Description

本发明涉及采用感应圈沿工件的长度逐渐移动加热钢件表面，并且紧接感应圈并置装设一个淬火液喷射装置对被加热的钢件表面喷射淬火液，从而使钢件表面淬火硬化的方法。被加热到1000℃左右的工件表层一经淬火便可转变为马氏体相。这种马氏体组织使工件的表面具有高硬度和高疲劳抗力。在另一种方法中，有时把工件完全浸入到淬火液池中。感应圈产生的热量使受热的局部区域中的淬火液汽化，因而在感应圈移出该区域之前不发生淬火。当感应圈离开以后，淬火液同工件加热区接触而发生淬火。

这种工艺通常称为“扫描感应加热淬火”。感应圈一般是一种围绕工件的大截面单圈环状（或不到一圈的环状）铜导体，该环状铜导体中空形成水冷通道，所述感应圈由一种低压高频交流电源供电。在淬火过程中，感应圈通常保持不动，而工件移动。但是，让感应圈移动而工件保持不动也是行得通的。在本说明书中所用的术语“移动”既可指感应圈的移动，也可指工件的移动。

当工件的横截面为圆形时，通常让它在两个顶尖间旋转，以便使圆周表面均匀淬硬。相反，如果由于感应圈的结构问题或淬火环稍微不规则而使加热不对称时，则有可能使工件圆周表面硬化不均匀。美国专利3，525，842公开过这种结构，但其感应圈不包围工件。

根据本发明提出了一种在这种淬火过程中矫直工件的方法，不管工件的弯曲是原先就有的还是淬火操作造成的都可以使用本方法矫直。

在感应加热淬火中工件发生弯曲常常是由于在制造工件的初期，甚至在制造原始棒材的时候对工件进行矫直时所造成的纵向应力被释放出 来之故。感应加热所释放的仅仅是外层或“外壳”的应力，因此心部中的残余纵向应力就引起了工件的弯曲。

已提出过各种解决该问题的方法。例如，美国专利3，988，179提出了在一种转盘式装置中对轴进行淬火的装置。在这种装置中，工件的外表层在一个位置上由单脉冲感应圈加热，然后移到第二个位置，在该处由一个或多个冲头压到红热的工件上，使之在淬火前矫直。这种方法的优点是可以矫正工件在加热阶段由于表面应力释放而引起的任何弯曲，但是也有严重的缺点，即不能进一步防止在工件淬火时发生的弯曲。本发明克服了现有技术存在的缺点，避免了由于采用矫直装置与工件间进行物理接触时产生的矫直力，因此，基本上消除了如现行方法中会诱发工件弯曲的应力裂纹的危险。

在淬火时，壳层中形成的马氏体相的材料会发生约2%或3%的体积变化，因此工件外层受压而心部材料受拉。如果因为某种缘故使硬化层的深度（直径为25～30mm的轴一般为1.5mm）一边比另一边深，则外层的压应力与心部的拉应力就会不平衡，因此便发生弯曲。这种弯曲总是表现为工件上马氏体壳层最厚的一边向外凸出。

事实上，壳层深度的偏心度是由于近程加热效应造成的，也就是说，在工件与感应圈之间的间隙最小处，工件受热较大，但是这种影响的变化不是线性的。这种偏心度可能是由于工件的原始弯曲、中心的偏离或工件在淬火时发生弯曲所造成的，因此，在这种常规的扫描感应加热淬火中，工件的原始弯曲将趋于增大。

根据本发明，这种由于马氏体层深度的不同而在淬火时造成弯曲的现象被用来克服淬火过程中发生的变形和修正工件中原始的弯曲，因此，带有原始弯曲的工件在淬火操作过程中基本上是直的。

本发明涉及一种扫描感应加热淬火工艺方法，该工艺采用一个通有交流电的感应圈沿工件的长度逐渐移动、然后立即将工件的加热部分淬火冷却使钢件表面硬化，其特征是，在感应加热淬火过程中对正在进行表面淬火的工件中弯曲的矫直是这样控制的：即通过监控工件的平直度，并利用所得到的信息控制工件与感应圈之间的相对位置来控制工件的加热或淬火或既控制工件的加热又控制工件的淬火，使工件在任何弯曲凹入处形成较厚的硬化层，以便产生一种能消除弯曲矫直力矩。

这种方法可用于工件要淬硬的部位不是圆柱形因而采用非圆形感应圈的情况。这样，在淬火时就不可能旋转工件，因此，根据工件移动通过感应圈（一般是垂直向下移动）时所发生的变形，在工件移动的过程中使感应圈和/或淬火环向一个方向或另一方向偏移。根据本发明，对于这种情况，采用两个正好在感应圈上方的探头与工件相接触，它们位于互成直角的平面内，可检测任何方向的变形。工件中任一点的弯曲必须在淬火开始前记录下来，这种记录可以是独立检查部位的数据，或者是工件从加载位置向开始淬火的最高位置移动通过探头时两个探头的移动量。所需的偏移量可根据记录的工件原始形状推算出来，并随时根据淬火过程中发生的变形所需的补偿要求连续进行调整。

在工件为圆形的情况下，最好使工件旋转以便得到较均匀的硬化层。因此，为了在淬火时同时进行矫直，感应圈和/或淬火环应相对于工件作圆周运动，以便在工件旋转时同步地保持感应圈与工件轴线间的理想偏移值。此时用一个探头与工件接触就足以提供有关任何弯曲的信息，与旋转装置相配合的一个角度传感器还可提供有关确定变形方位所需的信息。当工件不是圆形时，感应圈和/或淬火环的偏移量 等于矫正原始弯曲所需的偏移值与矫正淬火引起的变形所需的偏移值之和。

一般说来，淬火深度允许的公差较宽，例如，规定的硬化层为1.5mm时，通常允许硬化层的深度变化范围为1～2mm。如果采用本发明提出的方法，这一深度的差异一般是足以矫直轻微弯曲的轴或者足以克服中等程度的残余应力的。

加热深度的不同通常是由改变感应圈与工件之间的距离而产生的，其方法是在沿工件长度方向的凹入侧上，感应圈离工件最近，而在凸起侧则离得最远。但是工件凹凸两侧马氏体深度的这种差异也可由其它方法获得，例如，通过偏移淬火环或者通过局部改变包围淬火环的淬火介质的分布状况，使工件的一侧延长淬冷前的时间，让热量进一步径向往里渗透，从而获得较深的马氏体层。

为了更好地了解本发明并付诸实践，下面结合附图说明本发明的最佳实施例：

图1为正在用本发明的方法进行淬火的圆棒的垂直剖面图。

图2为沿图1中A-A线的剖面图。

图3为实现本发明方法的淬火机的侧视图。

图4为沿图3中C-C线的剖面图。

图5为沿图4中B-B线的剖面图。

图6为具有典型弯曲形状之工件的一个实例。

图7为在与图6所示工件的弯曲有关的特定瞬间给予感应圈的校正动作。

图8为另一种形式的感应圈。

图1和图2示出了采用本发明方法进行淬硬的圆轴的典型剖面。 在这两个图中都假设要淬硬的轴都带有希望矫正的、半径为R的原始弯曲。根据本发明，淬火工艺是以使一侧的硬化层（即马氏体层）的深度大于另一侧的硬化深度的方式实现的。因此，它的心迹线从该轴的轴线偏移了一个小距离“a”，同理，未硬化的心部的心迹线则由该轴的轴线向相反方向偏移一段距离“b”。故壳层中净压力P的作用线和心部中由此引起的净拉力P的作用线移了距离“Z”（Z＝a+b），这就产生了一种作用在轴上的弯曲力矩M＝PZ。

外层弯曲的曲率半径R实际上与心部弯曲的曲率半径相同，并且力矩M在壳层和心部间的分配应为：

Ma＝ (EIa)/(R) 和Mb＝ (EIb)/(R)

式中：Ma为作用在壳层上的力矩

Mb为作用在心部上的力矩

Ma+Mb＝M＝PZ

Ia为壳层面积的心迹线的二次力矩

Ib为心部面积的心迹线的二次力矩

E为材料的弹性模数

R为工件的曲率半径。

显然，Ia和Ib的值与硬化层的平均深度有关，因此也与位移值“a”和半径R的大小有关。

对于原始弯曲至曲率半径为R的轴，上述力矩M将以最低限度地增加半径R的程度协助矫直该轴。同理，如果轴是在淬硬过程中由于应力的释放而弯曲成半径R的，则硬化层的偏移将对此弯曲产生反作用。

图3是根据本发明制造的一种淬火机的侧视图。

从图中可以看出，这一机器包括一个与立柱2连在一起的底座1、垂直的支承导杆3，该导杆3用作滑动架4的导轨，滑动架4的上端带有尾座6，下端带有机头座7。

工件5支承在滑动架上的机头座和尾座的中央，机头座7上有下顶尖7a和与固定在工件上的鸡心夹头9相啮合的夹紧卡盘8。电动机9a带动其下端轴颈固定在滑动架4上的丝杆10转动，从而使滑动架4上下移动。通过操纵电动机9a，可使滑动架按照工件5的淬硬要求垂直移动。通过马达11可使工件5在淬火过程中进行旋转，其旋角位置由旋转编码器12测定。另一方面，当工件的截面不是圆形时，上述这种传动机构可以保证工件相对于感应圈的正确位置。滑动架4可以移动到图中虚线所示的最低位置4b或最高位置4a。当处于最低位置4b时，尾座6的顶尖6a向下推出淬火环19，因此，便可用球柄13垂直向上移动顶尖6a，以便取出工件并放入下一个工件。

从图5可以更清楚地看出，工件被一个感应圈14包围着，所述感应圈14是一个单圈的铜导体，导体中形成有与软管16相连的冷却通道15。感应圈14安装到从变压器箱18引来的汇流排17上。

紧挨在感应圈14的下面装有一个淬火环19，其中形成有环形通道20，并由此延伸出一组径向向里的孔21，以便将来自软管21a的淬火液引射到工件上。如图3所示，在操作中，当对一个圆形工件进行淬火时，工件由马达11带动旋转，同时由电动机9和丝杆10操纵，使其垂直向下移动并通过感应圈和淬火环。当工件不是圆形时，马达11不工作。

如图3所示，变压器18一通电，就能使感应圈14局部地加热工件，工件的受热区如图5中22所示。而后马上从孔21中喷出淬火液对工件的受热区进行淬火，使其硬化。就这样使淬火进行到工件的整个长度或者对零件的任一要求硬化的部分在加热后进行淬火。

下面来看看图4。从图中可以看出，通过汇流排17支承感应圈14的变压器箱18安装在互成直角的导轨50和53上，它们分别由丝杆51和52，伺服马达23和24传动。通过这种机构便可由一个适当的控制器25控制感应圈14在一个水平面上作任何方向的运动，这种控制器是以来自编码器12、30和31的信号作为输入信号而将输出信号送到马达23和24上的。

为了提供有关工件5相对于顶尖6a和7a的同轴度的信息，用弹簧将两个探头26和27压到工件上。这两个探头分别固定到旋转编码器30和31的输出轴28和29上，编码器则安装在固定到底座1上的托架32上。在工件为圆形并且马达11供电的情况下，只用一个探头提供信息，但在工件不是圆形且不转动时，则两个探头都用来提供信息。

矫正淬火过程中形成的弯曲所需的感应圈的合适的偏移量取决于许多因素，例如所需的平均淬硬深度，钢的成分等。但是情况总是这样的，即偏移必将移动感应圈14和/或淬火环19从而使工件的纵向凹入侧产生较深的硬化层。在实践中，合适的偏移量取决于试验和与上述物理计算有关的误差。

当工件原先就是弯曲（如图6所示）时，则必须采用更为复杂的方法。

例如，如果工件5的下半部，即点37以下是直的，而其上半部 呈以点35为中心、半径为36的弯曲状态时，在转动时，该工件5的中心线34将绕顶尖6a和7a的连线33旋转。

图中表示工件由顶尖6a和7a夹持垂直下降时，感应圈14刚刚开始对工件5进行淬火操作，探头27正在探测中心线34和33间逐渐增大的偏移量。但是，由于工件在到达点37之前是直的，因此感应圈14必须精确地绕中心线34旋转，以防工件产生不希望的弯曲。

在本发明的设备中，工件5通过感应圈14的最初向上的运动用来监控由探头26和27探测到的任何弯曲，并且，与此有关的信息被传到控制器25中，以便用来控制工件5随后的向下移动和淬火。

在开始进行淬火之前，先将预先设计的任一点上的准确偏移值记录在控制器25上，如果由探头27测得的偏移值因淬火时释放应力而与记录值不相同时，感应圈14的旋转运动将作相应的改变，以便矫正这种弯曲，于是中心线34在达到点37前就一直保持是直的。在点37以上，旋转半径38将增到39，从而使感应圈14更靠近工件5的纵向凹入侧（如图7所示），达到使点37以上的中心线34被逐渐矫直的程度。

而后，随着感应圈14逐渐接近顶尖6a，曲率半径为36的长度逐渐缩短，故旋转半径39的值连续变小。控制器25用来计算新的旋转半径39的值，并由探头27对它们的计算值与实际值进行比较，如果出现差异，例如，因工件中应力的释放或者小的计算误差而造成偏差时，则感应圈14的旋转半径将从原来的计算值作适当的变化。

实际上，工件可能出现几处有不同曲率半径36的弯曲，其圆心 35为沿工件长度方向，并且彼此间隔地位于环绕轴33的不同面上的若干个点。如果曲率半径36比能够矫正的半径小，考虑到工件技术标准中所允许的硬化层最大偏差的限制，必须进行早期的矫直操作。

当然，不必用一种半径来表示工件的原始弯曲，因为在多数情况下工件的弯曲曲率是连续变化的。然而，由于对最小半径有限制（如上所叙），故要求连续计算瞬时半径。

在多数情况下，已加工的工件可以允许有局部的弯曲，因此，用这种弯曲所包含的大于实际存在的半径来表征工件的形状就足够了。

上面的说明是以圆形工件为例的。但是，对于非圆形工件，由于它们在淬火过程中不旋转，若要采用类似的工艺，就要设置两个探头，为控制器25提供所需的、有关原始弯曲和淬火过程中所产生弯曲的两方面的信息。

此外，由于多数感应加热淬火的工件随后要释放应力，因此对任何原始的和其它的弯曲进行一定程度的过矫正可能是需要的。由于这种应力释放一般只是达到这种程度，使能诱发开裂的峰值应力释放掉，因此，这种过矫正通常是极小的。

图8示出了本发明的另一种形式，它采用一组感应圈扇形段54包围工件的一部分或全部，每一扇形段都与一独立可控电源55相连，扇形段间的功率密度可以改变，以便使工件的凹入侧产生较深的马氏体层。

本发明的另一种形式是工件作各种必要的运动而感应圈保持不动。

以上对本发明进行了详细的描述，可以理解，任何不超出本发明原理的改进都属于本发明，其范围由附后的权利要求所限定。

Claims (3)

1、一种在扫描感应加热淬火中对弯曲工件矫直的方法，这种方法系采用一个通有交流电的感应圈沿钢质工件的长度逐渐移动而加热工件表面，然后立即将工件的加热部位淬火冷却使钢件表面硬化，其特征是，在高频淬火过程中是这样控制正在进行表面淬火的工件中弯曲的矫直：即通过监控工件的平直度并利用所得到的信息控制工件与感应圈之间的相对位置来控制工件的加热，或者即控制工件的加热又控制工件的淬火，使工件在任何弯曲凹入处形成较厚的硬化层，以便产生一种能消除弯曲的矫直力矩作用。

2、根据权利要求1的方法，该方法可用于对圆棒形工件进行硬化处理，其特征是，工件在淬火过程中围绕其纵轴自身旋转，采用压在工件表面的探头来监探圆棒的平直度并操纵编码器，而编码器的输出信号则用来控制淬火过程。

3、根据权利要求1的方法，其特征是，在淬火过程开始之前，要仔细检查工件的原始弯曲情况，所得信息也用来控制淬火过程。

Images