CN102796856A - 一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置及淬火方法 - Google Patents

Abstract

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置，包括淬火机床卡盘、工件、淬火线圈和喷淋线圈，所述工件安装在淬火机床卡盘上，所述淬火线圈和喷淋线圈安装在淬火机床溜板箱上，还包括与工件凹槽耦合的漏磁控制器，所述漏磁控制器固定在淬火机床溜板箱上，所述漏磁控制器包括石英玻璃管和包裹在石英玻璃管外层的导磁装置。一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的感应淬火方法，包括如下步骤：①将漏磁控制器填充在工件凹槽处，石英玻璃管通冷却循环水，进行感应加热；②移走工件凹槽中的漏磁控制器；③喷淋工件凹槽处，使其均匀冷却。本发明的有益效果是：淬火装置包括与工件凹槽耦合的漏磁控制器，解决了丝杠凹槽处产生的漏磁、磁力线逸散的问题。

Description

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置及淬火方法

技术领域

本发明涉及材料的表面热处理工艺，尤其是控制感应淬火时工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置及淬火方法。

背景技术

2020年，美国热处理能源消耗减少80％，工艺周期缩短50％，生产成本降低75％，热处理件实现零畸变，加热炉使用寿命增加9倍，加热炉价格降低50％，生产实现零污染。目前，美国的热处理单位能耗是400kW·h/t，而我国能耗与美国相比，高出1倍以上。因此，我国热处理节能减排任务重道远，研究低能耗、高品质的淬火热处理技术将具有重要的理论和社会意义。

淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用，汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。为满足各种零件千差万别的技术要求，各种淬火工艺都得到了发展。感应淬火是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热的淬火工艺。与传统的淬火工艺相比，感应淬火工艺具备以下优势：(1)热源在工件表层，加热速度快，热效率高；(2)对工件进行局部加热，变形小；(3)加热时间短，表面氧化脱碳量少；(4)工件表面硬度高，缺口敏感性小，提高工件的使用寿命；(5)设备紧凑，使用方便。

然而，目前在感应淬火工艺中，设计人员常常忽略了工件凹槽处产生的漏磁，以及凹槽对磁力线造成的偏聚现象(图1)。当磁力线在穿过工件凹槽处时，表层的磁力线在凹槽界面产生折射，形成漏磁和磁力线发散，一部分磁力线穿过空气再折射进工件表层中，造成穿过凹槽的磁通密度减少，从而降低了该部位的加热温度，延长了加热时间。由于空气的相对导磁率约为1，金属的相对导磁率2000～6000，所以在相同的磁场下，金属通过的磁通密度是空气通过的几千到上万倍。同时，另一部分磁力线则从凹槽底部穿过，也进一步减少了穿过凹槽的磁力线。因此，常规的感应加热技术就无法实现令人满意的热处理效果，往往越是需要强化耐磨的部位，硬化效果越不理想。其关键原因在于感应淬火时磁力线及温度场的分布完全基于集肤效应，分布形式主要取决于零部件和感应器的形状、距离、加热频率等，对磁力线和温度场的分布控性基本没有或者效果不理想。因此，控制磁力线的分布空间和磁通密度是实现温度场理想分布的关键，也是获得高的淬硬层和淬硬深度的前提。此外，由于漏磁引发的功率消耗导致淬火机床设备需求功率高，能耗高。

国内滚珠丝杠主要采用感应表面淬火工艺，普遍存在淬硬层浅、硬度分布不合理、畸变量大等问题。目前，一般滚珠丝杠采用出丝再淬火，即沿滚道外圆淬火，采用外圆加热，喷液淬火。这种工艺方法简单易行，适应性好，适合螺距≤12毫米以内的各种滚珠丝杠。但由于淬火加热时温度分布不均匀，导致丝杠淬火后的硬度分布不均匀，特别是淬硬层深度沿滚道不均匀、畸变量大，最终明显影响滚珠丝杠副的精度和可靠性。同时，对于大螺距丝杠，受材料自身淬硬性影响，难以对滚道形成有效的淬硬深度和硬度。对于螺距≥16毫米的丝杠，专利“一种滚珠丝杠沿滚道表面淬火工艺”(201110296141.9)公开了一种滚珠丝杠沿滚道表面淬火的方法，即使淬火感应圈始终沿着滚珠丝杠滚道表面进行淬火，冷却水始终均匀的喷在滚道的两侧，从而使滚道两侧获得同样的硬度。但这种淬火工艺存在两个问题：(1)不适用螺距小的丝杠；(2)必须对传统淬火机床的传动箱进行设计更改，以实现丝杠旋转运动速率与淬火感应线圈进给速度相一致。目前，导磁体或硅钢片主要安置在感应线圈上，以实现对零件局部驱磁、导流的作用。

键槽的作用是连接孔类零件和轴类零件，使两者之间能够传递扭矩，因此对键槽两侧要求具有一定的硬度，提高疲劳强度。键槽一般采用感应淬火工艺，提高其硬度。当采用圆环形淬火感应器对有键槽的轴类进行淬火处理时，由于圆环效应易出现尖角效应的问题，键槽两侧过热、过烧或产生裂纹不易控制，给配键工作带来很大的困难，影响了组合机床的质量。零件上的键槽变形后，一方面难以通过机械加工来消除变形，占用了大量工时，直接影响了生产周期和经济效益；另一方面造成零件对称度差，合格率低，严重地影响了产品的质量。专利“键槽细长轴淬火感应器”(200820056879.1)针对圆环形淬火感应器对有键槽的轴类进行淬火处理时易出现尖角效应的问题，提供了一种能够均匀加热的淬火感应器，有效降低尖角效应。该方法虽然可以解决键槽淬火变形、过热或过烧问题，但淬火装置复杂，不便于工业生产的实施。

发明内容

本发明针对现有感应淬火工艺的上述问题，提供了一种控制感应淬火时工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置及淬火方法，有效控制了工件凹槽处的漏磁，使得淬火硬化层硬度分布梯度趋向合理。

本发明的技术方案是：一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置，包括淬火机床卡盘、工件、淬火线圈和喷淋线圈，所述工件安装在淬火机床卡盘上，所述淬火线圈和喷淋线圈安装在淬火机床溜板箱上，还包括与工件凹槽耦合的漏磁控制器，所述漏磁控制器固定在淬火机床溜板箱上，所述漏磁控制器包括石英玻璃管和包裹在石英玻璃管外层的导磁装置。

优选的是，所述导磁装置为导磁体或硅钢片；所述硅钢片之间设有均匀分布的云母片，所述硅钢片和云母片的数量比为10∶1～20∶1，所述硅钢片和云母片上设有与石英玻璃管匹配的孔，通过孔和粘结剂固定在石英玻璃管上。

优选的是，所述粘结剂为导磁泥或者胶黏剂。

优选的是，所述导磁体为中频或高频导磁体，机械粉碎后的粒径为120目-1100目；所述石英玻璃管的壁厚为1.0～3.0mm；所述漏磁控制器与工件凹槽之间的间隙为0.2～0.5μm。

优选的是，所述中频导磁体按照重量分数计，包括90～95wt％的中频导磁体粉末和5～10wt％的硅酸钠；所述高频导磁体按重量份数计，包括90～94wt％的高频导磁体粉末、2～3wt％的氢氧化铝、2～6wt％的氧化铜和2～6wt％的磷酸。

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的感应淬火方法，包括如下步骤：①将漏磁控制器填充在工件凹槽处，石英玻璃管通冷却循环水，进行感应加热；②移走工件凹槽中的漏磁控制器；③喷淋工件凹槽处，使其均匀冷却。

优选的是，所述淬火步骤通过淬火线圈进行，所述喷淋步骤通过喷淋线圈进行；所述漏磁控制器、淬火线圈和喷淋线圈安装在淬火机床溜板箱上，所述工件安装在淬火机床卡盘上。

优选的是，所述工件为滚珠丝杠、齿轮或尾套，所述工件凹槽槽宽≥8.0mm。

优选的是，所述工件为滚珠丝杠时，所述漏磁控制器呈螺旋状结构，所述螺旋状结构的螺距与丝杠相同。

优选的是，所述漏磁控制器内部的石英玻璃管中通冷却水。

优选的是，所述工件为滚珠丝杠时，所述漏磁控制器呈与丝杠螺距相同的螺旋状结构。

优选的是，所述漏磁控制器内部的石英玻璃管中通冷却水。

一种控制工件凹槽漏磁的漏磁控制器的制备工艺，包括如下步骤：

(1)根据工件凹槽的尺寸选择合适的石英玻璃管，将石英玻璃管耦合在工件凹槽中；

(2)将导磁体进行机械粉碎，得到导磁体粉末并将其制成泥状；

(3)将泥状导磁体涂抹于石英玻璃管上，晾干，得到与工件凹槽耦合的漏磁控制器。

优选的是，所述导磁体为中频或高频导磁体，机械粉碎后的粒径为120～1100目。

优选的是，所述步骤(1)中泥状中频导磁体的配制方法如下：①将一定量的硅酸钠倒入60～70℃的水中，搅拌至硅酸钠不再溶解，得到饱和的硅酸钠水溶液；②将饱和的硅酸钠水溶液倒入适量的中频导磁体粉末中，混合均匀，得到泥状的中频导磁体。

优选的是，所述步骤(1)中泥状高频导磁体的配制方法如下：①按照比例称取高频导磁体(90～94wt％)、氢氧化铝(2～3wt％)、氧化铜(2～6wt％)、磷酸(2～6wt％)；②将上述组分混合均匀，加适量水搅拌得到泥状的高频导磁体。

优选的是，所述步骤(3)中，泥状导磁体晾至半凝固时，用锉刀或砂纸修理其表面的毛刺；所述漏磁控制器与工件凹槽之间的间隙为0.2～0.5μm。

优选的是，所述石英玻璃管的匝数为淬火线圈匝数的1～2倍，漏磁控制器与工件凹槽的间隙≤0.5mm；所述石英玻璃螺旋管的壁厚1～3mm，其直径根据工件凹槽的尺寸进行选择；

优选的是，所述淬火线圈为单匝时，石英螺旋管采用2匝；所述淬火线圈为双匝时，石英螺旋管采用3匝。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所述的淬火装置包括与工件凹槽耦合的漏磁控制器，解决了丝杠凹槽处产生的漏磁、磁力线逸散的问题；

(2)提高了工件凹槽界面的磁通密度、淬硬层的深度和硬度，延长工件的精度保持性和使用寿命；

(3)提升了感应加热效率，同时也减少了畸变和淬火开裂现象；

(4)采用漏磁控制器，显著提高了功率因数和淬火效率，改善了电源系统的使用工况，延长了设备的使用寿命。

附图说明

图1是感应磁力线在丝杠滚道处产生漏磁与磁力线偏聚的示意图；

图2是与漏磁控制器耦合的丝杠滚道的剖面结构示意图；

图3是采用与丝杠滚道耦合的漏磁控制器后，磁力线均匀通过丝杠滚道的示意图；

图4是1#采用漏磁控制器的滚珠丝杠中频淬火后的丝杠剖面硬度曲线；

图5是3#采用漏磁控制器的滚珠丝杠高频淬火后的丝杠剖面硬度曲线；

图6是控制感应淬火时工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

表1几种工件凹槽涂覆导磁体控制漏磁的淬火工艺参数

实施例1：Ф80GCr15滚珠丝杠采用漏磁控制器控制漏磁的高频淬火工艺及对比试验

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置，包括淬火机床卡盘1、工件7、淬火线圈3和喷淋线圈5，所述工件7安装在淬火机床卡盘1上，所述淬火线圈3和喷淋线圈5安装在淬火机床溜板箱4上；所述淬火装置还包括与工件凹槽6耦合的漏磁控制器2，所述漏磁控制器2固定在淬火机床溜板箱4上，所述漏磁控制器2包括石英玻璃管9和包裹在石英玻璃管外层的导磁装置8。所述漏磁控制器2与工件凹槽6的间隙为0.2μm；所述工件凹槽6的槽宽为8.0mm，所述石英玻璃管9的壁厚为1.0mm。

选用卧式淬火机床，对Ф80GCr15滚珠丝杠进行漏磁控制器控制漏磁的高频淬火，淬火工艺参数见表1中1^#、2^#试样所示。

(1)采用高频导磁体，将导磁体进行机械粉碎至125目，得到高频导磁体粉末；

(2)按照比例称取高频导磁体(90～94wt％)、氢氧化铝(2～3wt％)、氧化铜(2～6wt％)、磷酸(2～6wt％)；将上述组分混合均匀，加入适量水搅拌均匀，得到泥状的高频导磁体；

(3)根据丝杠滚道的尺寸选择合适的石英玻璃管，将石英玻璃管耦合在工件凹槽中；

(4)将泥状高频导磁体涂抹于石英玻璃管上，泥状导磁体晾至半凝固时，用锉刀或砂纸修理其表面的毛刺；晾干，得到与工件凹槽耦合的漏磁控制器；所述漏磁控制器与工件凹槽之间的间隙为0.2μm。

(5)对滚珠丝杠通磁，进行感应加热；拆除丝杠滚道中的漏磁控制器；喷淋丝杠滚道处，使其均匀冷却。

检测表明，与未进行漏磁控制的丝杠相比，漏磁控制器控制漏磁的淬火工艺处理后的丝杠淬硬层深度均匀、淬硬层深，硬度高，在滚道滚珠接触处，获得了高硬度的等硬淬硬层。对比1^#、2^#试样硬度可知，漏磁控制淬火硬度达到1000HV，其硬度值接近激光淬火硬度，其等硬层到达5000毫米，因此可以显著的提高丝杠的使用寿命。

实施例2：Ф80GCr15滚珠丝杠采用漏磁控制器控制漏磁的中频淬火工艺及对比试验

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置，包括淬火机床卡盘1、工件7、淬火线圈3和喷淋线圈5，所述工件7安装在淬火机床卡盘1上，所述淬火线圈3和喷淋线圈5安装在淬火机床溜板箱4上；所述淬火装置还包括与工件凹槽6耦合的漏磁控制器2，所述漏磁控制器2固定在淬火机床溜板箱4上，所述漏磁控制器2包括石英玻璃管9和包裹在石英玻璃管外层的导磁装置8。所述漏磁控制器2与工件凹槽6的间隙为0.5μm；所述工件凹槽6的槽宽为16.0mm，所述石英玻璃管9的壁厚为3.0mm。

选用立式淬火机床，对Ф80GCr15滚珠丝杠进行漏磁控制器控制漏磁的中频淬火，淬火工艺参数见表1中3^#、4^#试样所示。

(1)采用中频导磁体，将导磁体进行机械粉碎至325目，得到中频导磁体粉末；

(2)将一定量的硅酸钠倒入60～70℃的水中，搅拌至硅酸钠不再溶解，得到饱和的硅酸钠水溶液；将饱和的硅酸钠水溶液倒入适量的中频导磁体粉末中，混合均匀，得到泥状的中频导磁体；

(3)根据丝杠滚道的尺寸选择合适的石英玻璃管，将硅钢片和云母片穿在石英玻璃管上，所述云母片均匀穿插在硅钢片之间；将石英玻璃管耦合在工件凹槽中；

(4)将泥状高频导磁体涂抹于石英玻璃管上，将硅钢片和云母片固定住；晾至半凝固时，用锉刀或砂纸修理其表面的毛刺；晾干，得到与工件凹槽耦合的漏磁控制器；所述漏磁控制器与工件凹槽之间的间隙为0.5μm。

(5)对滚珠丝杠通磁，进行感应加热；拆除丝杠滚道中的漏磁控制器；喷淋丝杠滚道处，使其均匀冷却。

检测表明，漏磁控制器控制漏磁的淬火工艺处理后的丝杠淬硬层深度均匀、淬硬层深，硬度高，在滚道滚珠接触处，获得了高硬度的等硬淬硬层。随着功率的增加，淬硬层深度增加，淬硬层硬度没有发生变化。在4^#试样相同的工艺参数下，未进行漏磁控制器控制漏磁的淬火工艺处理后的丝杠，由于感应尖角效应，滚道棱角发生了过烧与融化现象。

实施例3：推土机尾套键槽导采用漏磁控制器控制漏磁的中频淬火工艺

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置，包括淬火机床卡盘1、工件7、淬火线圈3和喷淋线圈5，所述工件7安装在淬火机床卡盘1上，所述淬火线圈3和喷淋线圈5安装在淬火机床溜板箱4上；所述淬火装置还包括与工件凹槽6耦合的漏磁控制器2，所述漏磁控制器2固定在淬火机床溜板箱4上，所述漏磁控制器2包括石英玻璃管9和包裹在石英玻璃管外层的导磁装置8。所述漏磁控制器2与工件凹槽6的间隙为0.3μm；所述工件凹槽6的槽宽为24.0mm，所述石英玻璃管9的壁厚为2.0mm。

选用卧式淬火机床，对推土机尾套键槽进行涂覆导磁体控制漏磁的淬火工艺，淬火工艺参数见表1中5#试样所示。

(1)采用中频导磁体，将导磁体进行机械粉碎至1100目，得到中频导磁体粉末；

(2)将一定量的硅酸钠倒入60～70℃的水中，搅拌至硅酸钠不再溶解，得到饱和的硅酸钠水溶液；将饱和的硅酸钠水溶液倒入适量的中频导磁体粉末中，混合均匀，得到泥状的中频导磁体；

(3)根据尾套键槽的尺寸选择合适的石英玻璃管，将硅钢片和云母片穿在石英玻璃管上，所述云母片均匀穿插在硅钢片之间；将石英玻璃管耦合在工件凹槽中；

(4)将泥状中频导磁体涂抹于石英玻璃管上，将硅钢片和云母片固定住；晾至半凝固时，用锉刀或砂纸修理其表面的毛刺；晾干，得到与工件凹槽耦合的漏磁控制器；所述漏磁控制器与工件凹槽之间的间隙为0.3μm。

(5)对尾套通磁，进行感应加热；拆除尾套键槽中的漏磁控制器；喷淋丝杠滚道处，使其均匀冷却。

检测表明，漏磁控制器控制漏磁的淬火工艺处理后的尾套键槽淬硬层深度均匀、淬硬层深，硬度高，获得了高硬度的等硬淬硬层。随着功率的增加，淬硬层深度增加，淬硬层硬度没有发生变化。

Claims (10)

1.一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置，包括淬火机床卡盘(1)、工件(7)、淬火线圈(3)和喷淋线圈(5)，所述工件(7)安装在淬火机床卡盘(1)上，所述淬火线圈(3)和喷淋线圈(5)安装在淬火机床溜板箱(4)上，其特征在于：还包括与工件凹槽(6)耦合的漏磁控制器(2)，所述漏磁控制器(2)固定在淬火机床溜板箱(4)上，所述漏磁控制器(2)包括石英玻璃管(9)和包裹在石英玻璃管(9)外层的导磁装置(8)。

2.根据权利要求1所述的一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置，其特征在于：所述导磁装置为导磁体或硅钢片；所述硅钢片之间设有均匀分布的云母片，所述硅钢片和云母片的数量比为10∶1～20∶1；所述硅钢片和云母片上设有与石英玻璃管匹配的孔，通过孔和粘结剂固定在石英玻璃管上。

3.根据权利要求2所述的一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置，其特征在于：所述粘结剂为导磁泥或者胶黏剂。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置，其特征在于：所述导磁体为中频或高频导磁体，机械粉碎后的粒径为120目～1100目；所述石英玻璃管的壁厚为1.0～3.0mm；所述漏磁控制器与工件凹槽之间的间隙为0.2～0.5μm。

5.根据权利要求4所述的一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的淬火装置，其特征在于：所述中频导磁体按照重量分数计，包括90～95wt％的中频导磁体粉末和5～10wt％的硅酸钠；所述高频导磁体按重量份数计，包括90～94wt％的高频导磁体粉末、2～3wt％的氢氧化铝、2～6wt％的氧化铜和2～6wt％的磷酸。

6.一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的感应淬火方法，其特征在于：包括如下步骤：①将漏磁控制器填充在工件凹槽处，石英玻璃管通冷却循环水，进行感应加热淬火；②移走工件凹槽中的漏磁控制器；③喷淋工件凹槽处，使其均匀冷却。

7.根据权利要求6所述的一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的感应淬火方法，其特征在于：所述淬火步骤通过淬火线圈进行，所述喷淋步骤通过喷淋线圈进行；所述漏磁控制器、淬火线圈和喷淋线圈安装在淬火机床溜板箱上，所述工件安装在淬火机床卡盘上。

8.根据权利要求6或7任意一项所述的一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的感应淬火方法，其特征在于：所述工件为滚珠丝杠、齿轮或尾套，所述工件凹槽槽宽≥8.0mm。

9.根据权利要求8所述的一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的感应淬火方法，其特征在于：所述工件为滚珠丝杠时，所述漏磁控制器呈螺旋状结构，所述螺旋状结构的螺距与丝杠相同。

10.根据权利要求6所述的一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的感应淬火方法，其特征在于：所述漏磁控制器内部的石英玻璃管中通冷却水。

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