CN1282753C - 阶梯轴感应加热淬火装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阶梯轴感应加热淬火装置及方法，阶梯轴感应加热淬火装置由中频感应电源、简易数控淬火机床、变压器、感应器对中装置、导电排、感应器快换装置和感应器组成。阶梯轴感应加热淬火方法采取感应器由下往上移动，从阶梯轴的大径端移向小径端分5个步骤进行淬硬，其中在阶梯轴的阶梯平面上下两侧设两次停顿。本发明的阶梯轴感应加热淬火装置及方法既保证了阶梯轴大、小径交界过渡位置有一定的淬硬层深度，又可省去阶梯轴的前道调质热处理工序，很有实用价值。

Description

阶梯轴感应加热淬火装置及方法

技术领域

本发明涉及一种机械零件的热处理装置及方法，尤其涉及一种阶梯轴感应加热淬火装置及方法。

背景技术

有一定强度要求的阶梯轴如图1所示，由至少两个直径不同的轴阶梯相连，现有技术对这种阶梯轴的加工工序如下：

锻造→正火→抛丸→粗车→调质→抛丸→校直→精车→表面淬硬→回火→磨削。

其中的表面淬硬工序是关系到阶梯轴工件表面硬度和强度的重要工序，一般采用感应热处理淬硬。在对图1中所示A部进行淬硬时，现有技术的感应热处理方法如图2所示，是采用两个感应器11和12分别对大径轴和小径轴进行感应加热淬火，需要两次装夹。由于传统圆环形感应器本身受磁场尖角效应、屏蔽效应、临近效应等电磁效应的影响，形成如图2所示的淬硬区13和淬硬区14，在大径轴和小径轴的交界过渡位置的有效硬化层深度很难控制，甚至没有硬度。故传统的工艺流程中必然需要粗车后的调质工序，通过调质来保证强度，并且为了保证强度等级，需选用淬透性和淬硬性好的钢材，如42CrMo、40CrMnMo等中碳合金钢。这样，传统工艺存在以下弊端：

A、为保证强度而采用高淬透性钢，使材料成本增加；

B、为保证最小直径处强度而采用的整体调质热处理，增加了热处理成本；

C、考虑调质变形，需增加机加工余量，加上调质硬度大于正火硬度造成的刀具的损耗增加，使机加工成本上升；

D、感应加热淬火采用两次装夹，使生产效率降低；

E、大径轴和小径轴的交界过渡位置由于处于调质状态，一般硬度不会超过35HRC，在存在划痕、应力集中等状况下，会使疲劳强度下降，降低了使用寿命，也易造成瞬间疲劳断裂。

发明内容

本发明的目的，是为了克服现有技术的不足，提供一种能使阶梯轴的过渡部位达到一定的淬硬层深度，并可简化阶梯轴的加工工序的阶梯轴感应加热淬火装置及方法。

本发明所采取的技术措施是：一种阶梯轴感应加热淬火装置，包括中频感应电源、简易数控淬火机床、变压器、感应器对中装置、导电排和感应器，所述的变压器、导电排和感应器顺序连接成一个整体设置在简易数控淬火机床上并与中频感应电源电连接；所述的感应器对中装置安装在简易数控淬火机床上用于控制感应器的位置；其特点是：还包括感应器快换装置，该感应器快换装置连接在导电排和感应器之间，感应器快换装置为模块结构件，包括导电排连接模块和感应器连接模块，两模块以可拆卸方式互连；所述的导电排与变压器和感应器快换装置之间的连接端面涂以导电胶，然后采用螺栓连接；所述的简易数控淬火机床采用可编程简易程序控制；所述的变压器为铁氧体输出变压器；所述的导电排上设有两组冷却水管，分别安装在两侧的电极板上；所述的感应器为双圈结构环状感应器，包括内圈施感圈和外圈喷液圈，内圈施感圈和外圈喷液圈紧密贴合相连。

上述阶梯轴感应加热淬火装置，其中，所述的感应器快换装置的导电排连接模块包括左电极板、右电极板、上定位板、下定位板、绝缘隔板、两垫板、两压板和连接键，绝缘隔板设置在左、右电极板之间，上、下定位板封盖在左、右电极板的上下两端，左、右电极板用于分别与导电排的两前电极板相连；两垫板设置在左、右电极板的上端两侧，两压板各通过一非标螺钉抵压在两垫板上并用于将感应器连接模块与导电排连接模块连接在一起，连接键竖向设置在右电极板上用于与导电槽连接模块键合相连。

上述阶梯轴感应加热淬火装置，其中，所述的感应器快换装置的感应器连接模块包括两连接板、两中间板、两接触板、绝缘板、导向板、加强条、冷却水管和连接键槽，两中间板和两接触板相连设置在两连接板一侧面的下部，绝缘板夹设在两连接板、两中间板和两接触板之间，导向板设置在两连接板另一侧面的上部并用于与导电排连接模块相连，加强条设置在两连接板的底端用于将两连接板固定在一起，冷却水管设置在两连接板的设有中间板和接触板的一侧，两接触板用于与感应器相连，连接键槽设置在一连接板上并与感应器连接模块上的连接键槽相适配。

上述阶梯轴感应加热淬火装置，其中，所述的感应器的施感圈和喷液圈的截面近似矩形，该两近似矩形圈的内侧下方一角都向内收缩成斜面，施感圈内侧下方有一个向内的突起，所述的喷液圈的高度大于施感圈的高度，使设在喷液圈上的斜面露出在施感圈的下方，喷液圈的斜面上均设有多个喷液孔，喷液孔的直径为1.2～2.4mm，相邻两喷液孔的间距为2～4mm，喷液孔轴线与感应器轴线的夹角为35°～55°；施感圈内通蒸馏水，喷液圈内通淬火液。

一种阶梯轴感应加热淬火的方法，所述阶梯轴包括大径轴和小径轴，在大径轴与小径轴的变径处形成阶梯平面，其特点是，根据阶梯轴的直径选择适配的感应器，并选择合适的设备频率和喷淋参数，采取感应器由下往上移动，从阶梯轴的大径端移向小径端，按以下步骤进行淬硬：

步骤1、移动淬硬大径轴表面：

将感应器置于大径轴的底部，选择合适的设备输出功率和感应器移动速度，使感应器由下而上移动对大径轴表面的主体部分进行淬硬；

步骤2、停顿淬硬大径轴上端至阶梯平面之间的部分：

当感应器移动至其施感圈的三分之一高度露出阶梯轴的阶梯平面时，重新选择设备输出功率，停顿一段时间，对阶梯轴的大径轴上端至阶梯平面之间的部分进行淬硬；

步骤3、快速移动至下一停顿淬硬位置：

完成步骤2后，将感应器快速移动至下一停顿淬硬位置；

步骤4、停顿淬硬阶梯平面至小径轴前端之间的部分：

当感应器快速移动至其施感圈的下平面与阶梯轴的阶梯平面重合时，重新选择设备输出功率，停顿一段时间，对阶梯轴的阶梯平面至小径轴下端之间的部分进行淬硬；

步骤5、移动淬硬小径轴表面：

完成步骤4后，重新选择设备输出功率和感应器移动速度，使感应器由下而上移动对小径轴表面的主体部分进行淬硬；

步骤6、结束：

完成步骤5后，关断功率输出，关闭淬火喷淋，松开顶针，将阶梯轴移出感应器，停止工作，结束其对阶梯轴的感应加热淬火过程。

上述阶梯轴感应加热淬火的方法，其中，所述的设备频率根据阶梯轴的直径大小选择，当阶梯轴的直径在12-64mm之间变化时，设备频率在30-2kHz之间选择。

上述阶梯轴感应加热淬火的方法，其中，所述的各步骤的设备输出功率为工件的比功率和感应器的有效导体所对应的工件的表面积的乘积然后比上一个效率系数，工件的比功率根据所选的设备频率及对阶梯轴淬硬层深度的要求进行选择，当设备频率在12-1kHz，淬硬层深度在1.5-9.0mm之间变化时，工件的比功率在4-1.2kW/cm²之间选择。

上述阶梯轴感应加热淬火的方法，其中，所述的步骤1和步骤5的感应器移动速度等于两倍的环形感应器的有效高度(mm)除以利用该环形感应器将工件表面加热到900℃所花的时间(s)。

上述阶梯轴感应加热淬火的方法，其中，所述的步骤2的停留时间为0.8-7.2秒，步骤4的停留时间为0.6-4.2秒。

上述阶梯轴感应加热淬火的方法，其中，所述的喷淋参数包括淬火介质、喷淋压力、淬火介质温度和喷淋密度；

所述的淬火介质根据阶梯轴工件对淬火烈度的要求在聚烷撑乙二醇、聚丙烯酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙基恶唑啉、快速油、中速油、常规油和热油之间选择；

所述的喷淋压力控制在0.15～0.6MPa；

所述的淬火介质温度控制在30～50℃；

所述的喷淋密度控制在45～60(10^-6.m³/cm².s)。

本发明的阶梯轴感应加热淬火装置及方法，利用中频感应电源、简易数控淬火机床，采用专门设计的感应器及感应器快换装置、感应器对中装置、导电排，通过对设备频率、设备输出功率、感应器移动速度、特定位置加热停留时间及喷淋参数的合理选择和控制，对阶梯轴进行连续扫描感应热处理。既保证了阶梯轴大、小径交界过渡位置有一定的淬硬层深度，又可省去阶梯轴的前道调质热处理工序。由此带来的优点包括以下具体内容：

A、由于阶梯轴整个服役区域表面都通过感应热处理均匀一致地硬化了，使构件达到了设计强度，故可省去阶梯轴加工过程中为保证最小直径处强度而采用的整体调质热处理工序。即：可采用“正火+中频连续扫描加热、淬火”的热处理工艺流程替代传统的“调质+分段感应加热、淬火”的热处理工艺流程。

B、可使选材等级降低。以前为保证强度而采用高价格的高淬透性钢，现在可以采用中低价格的非调质钢、中碳低合金钢代替。

C、对于一定直径的工件(特别是最小直径在φ64以下的工件)，可使轴的设计直径减小、重量减轻，从而使诸如汽车等最终产品的动力输出性能增加。

D、对于承受扭转载荷为主的轴类零件来说，全表面连续感应热处理可使轴表面处于连续高硬度和压应力状态，而心部处于高韧性状态，从而使轴的疲劳强度提高、服役寿命大大延长。

E、由于可以省去阶梯轴加工过程中的整体调质工序，还可以带来以下好处：

E1、毛坯粗加工余量不再需要，零件耗材将减少2-4mm；

E2、加工周期缩短，制品成本降低；

E3、使热处理成本基本减半，至少每公斤零件(粗车后的重量)可节约调质成本1.5元以上；

E4、可使机加工刀具寿命大大延长；

E5、使毛坯到成品的不落地的连线生产成为可能，所以特别适用于大批量生产的汽车制造等行业。

附图说明

本发明的具体特征性能由以下的实施例及其附图进一步描述。

图1是常见阶梯轴的结构示意图；

图2是现有技术感应加热图1中所示A部的方法示意图；

图3是本发明的阶梯轴感应加热淬火装置示意图；

图4是本发明中的变压器、导电排、感应器快换装置及感应器连接在一起的示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是本发明中的导电排的结构示意图；

图7是图4所示导电排的俯视图；

图8是图4所示导电排的B向侧视图；

图9是图4所示导电排的C-C向剖视图；

图10是本发明中的感应器快换装置的导电排连接模块的结构示意图；

图11是图10的侧视图；

图12是图10的俯视图；

图13是图10的D-D剖视图；

图14是本发明中的感应器快换装置的感应器连接模块的结构示意图；

图15是图14的侧视图；

图16图15的E向视图；

图17是本发明中的感应器的结构示意图；

图18是图17的侧视图；

图19是本发明的阶梯轴感应加热淬火方法的实现过程示意图；

图20是本发明的阶梯轴感应加热淬火方法的实现过程中步骤2停顿加热淬火的淬硬效果示意图；

图21是本发明的阶梯轴感应加热淬火方法的实现过程中步骤4停顿加热淬火的淬硬效果示意图。

具体实施方式

参见图3、图4、图5，本发明的阶梯轴感应加热淬火装置，包括中频感应电源21、简易数控淬火机床22、变压器23、感应器对中装置24、导电排25、感应器快换装置26和感应器27。变压器23、导电排25、感应器快换装置26和感应器27顺序连接成一个整体设置在简易数控淬火机床22上并与中频感应电源21电连接，感应器对中装置24安装在简易数控淬火机床21上用于控制感应器与被加热工件的相对位置。

本发明中的中频感应电源21的功率管采用大功率的IGBT管，可快速启动，其频率采用4-12kHz。

本发明中的简易数控淬火机床22采用可编程简易程序控制。采用淬火变压器移动的方式，还需保证工件的旋转速度连续可调、感应器的移动速度连续可调、感应器相对于工件在任意位置可停顿，加热区域任意位置的加热设备输出功率可调。具体技术要求如下：

(1)、简易数控机床采用日本FANUC公司整套OTD系统进行控制。

(2)、变压器支架的上下运动采用伺服电机、预紧滚珠丝杠、滚珠导轨，上下重复定位精度达到±0.01mm。

(3)、带动工件旋转的下顶尖采用交流变频调速，采用富士公司的变频器(FRENIC5000G11 TYPE：FRN 1.5G11S-4CX)，转速1-500RPM连续可调。

(4)、夹持用上顶针采用气压夹持，上顶针支架升降运动控制采用交流变频调速，采用富士公司的变频器(FRENIC5000G11 TYPE：FRN 1.5G11S-4CX)，5-50HZ连续可调。

(5)、上顶针气动夹持气源采用0.4-0.6MPa压缩空气。

(6)、上顶针要有自锁功能，下顶针轴承要有防水功能。

(7)、在有效夹持范围内，上下顶针轴心连线与感应器中心轨迹线的同心度要求达到＜0.1mm。

(8)、系统为淬火电源提供0-10V标准电源输出信号，从而能够通过NC程序对中频电源设备输出功率进行精确控制。

(9)、为方便操作，机床前方配置按钮箱，拖动式，要有状态调整旋钮(编程、自动、点动、手动)、手动控制状态下的相关操作按钮(夹持控制、旋转控制、变压器移动控制)、程序循环启动按钮、紧急停止按钮，以及零位调整、点动联动转换、电源开启等按钮和相关状态显示指示灯。

(10)、NC程序使用国际标准G代码，简单易用。

(11)、配置9英寸CRT显示，可对加工件工作状况进行动态监测。

(12)、系统可处理程序达到200个，并配备通讯接口以便拷贝程序、远程编程。

(13)、供电电源：AC380V(三相5线制)

(14)、供电功率：满足伺服电机、变频电机等的需要

(15)、NC电源：DC24V

(16)、控制电源：DC24V

(17)、有关淬火工件最大长度、淬火工件最大重量、淬火工件最大直径、淬火移动最大速度等需要提供给设备生产厂家，以便生产厂家最终确定淬火机床的夹持最大长度(机床高度)、主轴最大转速、以及伺服电机、变频电机所需的功率。

本发明中的变压器采用体积小、重量轻、损耗功率小的铁氧体中频变压器。

本发明中的感应器对中装置24的作用是使感应器的中心和工件的回转轴重合。要求纵向(前后)可调位置为0-100mm；横向(左右)可调位置为±15mm；采用直线导轨承重、丝杆调节的形式，在正面通过旋转手柄调节前后位置，在正面通过伞齿轮带动侧面丝杆调节左右位置。有条件的话，可配置伺服电机驱动、探头探测的方法自动对中。

参见图6，配合参见图7、图8、图9，本发明阶梯轴感应加热淬火装置中的导电排25包括冷却水管251、两前电极板252、两后电极板253、两中间电极板254、绝缘隔板255和冷却管接头256。两前电极板252和两后电极板253设置在两中间电极板254的前后两端并将两中间电极板254的两端夹持在其间，绝缘隔板255由聚四氟乙烯材料制成，设置在两中间电极板254之间，采用尼龙螺杆为坚固件，可可靠地防止电极间短路、打弧击穿。冷却水管251为紫铜管，分为两组呈三面框形分别安装在两中间电极板254上，水管的上下两框边抵压在中间电极板254的上下两侧，可有效冷却导电排，使其不容易发热烧坏。两前电极板252用于与感应器快换装置26相连，两后电极板253用于与变压器23相连，其连接端面涂以导电胶，用不锈钢螺栓紧固，连接紧密可靠、导电性好。

参见图10、图14，配合参见图4。本发明阶梯轴感应加热淬火装置中的感应器快换装置26为模块结构件，包括导电排连接模块261(见图10)和感应器连接模块262(见图14)。

参见图10，配合参见图11、图12、图13，导电排连接模块261包括左电极板2611、右电极板2612、上定位板2613、下定位板2614、绝缘隔板2615、两垫板2616、两压板2617和连接键2618。绝缘隔板2615设置在左电极板2611和右电极板2612之间，上定位板2613和下定位板2614封盖在左、右电极板的上下两端，左、右电极板用于分别与导电排25的两前电极板252相连。两垫板2616设置在左、右电极板的上端两侧，两压板2617各通过一非标螺钉抵压在两垫板上并用于将感应器连接模块262与导电排连接模块261连接在一起；连接键2618垂直设置在右电极板2612的左侧。

请参见图14，配合参见图15、图16，感应器连接模块262包括两连接板2621、两中间板2622、两接触板2623、绝缘板2624、导向板2625、加强条2626和冷却水管2627，在一连接板2621上设有与导电排连接模块261上的连接键2618适配的连接键槽2628，两中间板2622和两接触板2623相连设置在两连接板2621一侧面的下部，绝缘板2624夹设在两连接板2621、两中间板2622和两接触板2623之间，导向板2625设置在两连接板另一侧面的上部并用于与导电排连接模块261相连，加强条2626设置在两连接板的底端用于将两连接板固定在一起，冷却水管2627设置在两连接板的设有中间板和接触板的一侧，两接触板2623用于与感应器27相连。本发明中的感应器快换装置26的特点是：与导电排25连接紧密、可靠，导电性好；采用水冷系统，不容易发热；采用连接键槽定位，安装重复度好；在安装感应器时，可使感应器自动保持水平；在安装感应器时，可通过调整螺钉使感应器在Z轴方向微调0—10mm；模块结构，感应器快换装置的感应器连接模块262可通过松开导电排连接模块261上的压板2617的方式连同感应器27一起方便的拆卸下来，还可通过旋开连接螺钉的方式快速更换感应器。

请参见图17，配合参见图18，本发明阶梯轴感应加热淬火装置中的感应器27包括两导电板271、两冷却水管272、绝缘板273、两淬火液管274、内圈施感圈275和外圈喷液圈276。两导电板271和两冷却水管272对应相连，绝缘板273夹设在两导电板271之间和两冷却水管272之间，两冷却水管272的另一端与施感圈275对应相连，两淬火液管274与外圈喷液圈276对应相连。两导电板271还与感应器连接模块262电连接。本发明中的施感圈275和喷液圈276的截面近似矩形，施感圈275的内侧下方一角向内收缩成斜面2751，紧临该斜面的施感圈275的内侧有一向外的突起2752。2751的存在，使感应器在如图21的位置停顿时，可减缓对尖角处的磁感应尖角效应；2752的存在，使感应圈内侧突起处的邻近效应和尖角处的尖角效应达到一定的平衡。喷液圈276的内侧下方一角向内收缩成斜面2761。喷液圈276的高度大于施感圈275的高度，使设在喷液圈上的斜面2761露出在施感圈的下方。喷液圈的斜面上均设有多个喷液孔，喷液孔的直径为1.2～2.4mm，相邻两喷液孔的间距为2～4mm，喷液孔轴线与感应器轴线的夹角为35°～55°；施感圈内通蒸馏水，喷液圈内通淬火液。

本发明的阶梯轴感应加热淬火的方法，如图19所示[在图19中，工件28位于感应器27(图中只示出了其施感圈的内圈作为感应器的代表)的中心，依靠顶针291和顶针292夹持定位(顶针292控制工件旋转速度，顶针291气动可伸缩，方便装卸工件)，工件28包括大径轴281和小径轴282，在变径处形成阶梯平面283，并经一退刀槽284过渡到小径轴。]，采取感应器27由下往上移动，从阶梯轴28的大径轴281端移向小径轴282端的方式进行：

首先应根据阶梯轴大径的直径选择合适的感应器内径和高度，其原则是，所选感应器内壁与阶梯轴大径的单边间距为1.5-4mm，所选感应器的高度为1-2cm。将选择好的感应器27置于大径轴281的底部，合理选择设备频率、设备输出功率、感应器移动速度及喷淋参数，使感应器27由下而上移动对大径轴281表面的主体部分进行淬硬，在图19中为区间31；

当感应器27移动至其施感圈275的三分之一高度露出阶梯轴的阶梯平面283时，在图19中为位置32；重新选择设备输出功率，停顿t1秒钟，对阶梯轴28的大径轴281上端至阶梯平面283之间的部分进行淬硬；其效果如图20所示，为图中的阴影部分32’。

接着将感应器27快速移动至下一停顿位置；其移动区间在图19中为区间33。

当感应器27快速移动至其施感圈275的下平面与阶梯轴28的阶梯平面283重合时，在图19中为位置34，重新选择设备输出功率，停顿t2秒钟，对阶梯轴的阶梯平面283至小径轴下端之间的部分进行淬硬；其效果如图21所示，为图中的阴影部分34’。

完成位置34的淬硬后，重新选择设备输出功率和感应器移动速度，使感应器由下而上移动对小径轴表面的主体部分由下而上进行淬硬。在图19中为区间35。

完成对小径轴表面主体部分的淬硬后，关断功率输出、关闭淬火喷淋，松开顶针291，将感应器移出阶梯轴，停止工作，结束其对阶梯轴的感应加热淬火过程。

感应加热淬火的设备频率根据阶梯轴的直径大小按表1所给出的数据选择。

                  表1 设备频率的选择

阶梯轴的直径(mm)	12～16	16～24	24～32	30～40	36～48	42～56	48～64
								频率(kHz)	30	12	8	5	3.5	2.5	2

移动扫描加热时的设备输出功率根据所选设备频率及对阶梯轴淬硬层深度的要求按下式进行选择：

P_j＝P_L/k

P_L＝P₀×S_LG

上式中，P_j为中频感应电源的输出功率(kW)，P_L为工件感应加热所需功率(kW)，也就是作用在工件上的有效功率，K为中频设备的淬火变压器和感应器的效率，扫描加热时，对硬化层深度的贡献可以达到0.50-0.60之间，而在阶梯交界处，其对硬化层深度的贡献只能达到0.40-0.5之间，P₀为工件比功率，S_LG为感应器的有效导体所对应的工件的表面积(cm²)；

移动扫描加热时，比功率P₀按表2所给出的数据选择，考虑生产效率，加热小轴端选用偏高值，加热大轴端选用中间值。

              表2 移动扫描加热时比功率的选择

频率(kHz)	淬硬层深度(mm)	比功率(kW/cm2)
					低值	中间值	高值
		12	1.5～2.3	1.6				2.6～3	4
2.3～3.0	1.2				2.4～2.8	3.5
			3.0～4.0	1.2			2.2～2.4	3
4	2.3～3.0				1.6	2.6～3			4
		3.0～4.0	1.2	2.2～2.4			3.5
	4.0～5.0				1.2	2.2～2.4		3
		1	5.0～7.0	1.2			2～2.2		3.0
7.0～9.0	1.2				2～2.2	3.0

移动扫描加热时的感应器移动速度由下式确定：

v＝2h/t_h(但在如图19所示的33区域内，感应器的移动速度需要在15-20(mm/s)范围内选择。)

式中，v为感应器移动速度(mm/s)，h为环形感应器的有效高度(mm)，t_h为利用有效高度为h的环形感应器将工件表面加热到900℃所花的时间(s)，该时间由下式给出：

t_h≈(5.667×V_DS′)/P₀×π×d×h

式中，V_DS′为工件在达到有效硬化层深度时的透热体积(cm³)，对承受扭转应力为主的轴类工件，取V_DS′≈(1.15～1.25)×V_DS，V_DS为在有效硬化层深度为技术要求的中限时的硬化区域的体积，d为阶梯轴的直径(cm)。

感应器停顿时间t1和t2由以下方法确定：

t1≈[5.667×(d×2δ-4δ²)]/P₀×d          (s)

此时的δ为图纸要求的有效硬化层深度的深限(cm)，d为阶梯轴大端的直径(cm)。

t2≈[5.667×(d×δ-δ²)]/P₀×d       (s)

此时的δ为图纸要求的有效硬化层深度的深限(cm)，d为阶梯轴小端的直径(cm)。

P₀为停顿时应选用的比功率(kW/cm²)，选用的值为扫描加热时的比功率值的一半。

感应加热淬火的喷淋参数包括淬火介质、喷淋压力、淬火介质温度和喷淋密度，淬火介质根据阶梯轴工件对淬火烈度(H值)的要求按表3选择；

             表3 淬火介质的选择

淬火介质		H值
			聚合物	聚烷撑乙二醇	0.7-2
聚丙烯酸钠	0.3-0.9
		聚乙烯吡咯烷酮		0.3-0.9
聚乙基恶唑啉	0.3-2
		油		快速油	0.8-0.9
中速油	0.5-0.8
			常规油	0.3-0.5
热油	0.3-2

喷淋压力控制在0.15～0.6MPa；

淬火介质温度控制在30～50℃；

喷淋密度控制在45～60(10^-6.m³/cm².s)。

下面提供三个实施例。由于硬化层深度为一个范围，以及阶梯附近处于一个过渡状态，下述实施例中的设备输出功率、停顿时间，均可根据金相检验的有效硬化层深度情况，在一个小范围内调整。

实施例1

阶梯轴直径：小端12mm，大端16mm；材质为45号钢。硬化层深度要求为1.5-2.5mm，硬化层要求连续分布。

选用感应器规格：内径20mm，高度1.2cm；

选择设备频率为30kHz，选择聚烷撑乙二醇为淬火介质，控制喷淋压力为0.15～0.6MPa、淬火介质温度为30～50℃、喷淋密度为45～60(10^-6.m³/cm².s)；

加热淬火步骤：

将感应器置于大径轴的底部，选择设备输出功率为36-43kW，感应器移动速度为5.37mm/s，使感应器由下而上移动对大径轴表面的主体部分进行淬硬。当感应器移动至其施感圈的三分之一高度露出阶梯轴的阶梯平面时，选择设备输出功率为24.9-30kW，停顿1.18-1.4秒钟，对阶梯轴的大径轴上端至阶梯平面之间的部分进行淬硬。然后将感应器快速移动至其施感圈的下平面与阶梯轴的阶梯平面重合，选择设备输出功率为21.5-26kW，停顿0.59-0.7秒钟，对阶梯轴的阶梯平面至小径轴下端之间的部分进行淬硬。最后选择设备输出功率为31.2-37.5kW，感应器移动速度为8.68mm/s，使感应器由下而上移动对小径轴表面的主体部分进行淬硬。

实施例2

阶梯轴直径：小端30mm，大端35mm；材质为40Cr钢。硬化层深度要求为3.5-5.5mm，硬化层要求连续分布。

选用感应器规格：内径40mm，高度2cm；

选择设备频率为5kHz，选择聚乙基恶唑啉为淬火介质，控制喷淋压力为0.15～0.6MPa、淬火介质温度为30～50℃、喷淋密度为45～60(10^-6.m³/cm².s)；

加热淬火步骤：

将感应器置于大径轴的底部，选择设备输出功率为120-142kW，感应器移动速度为6.22mm/s，使感应器由下而上移动对大径轴表面的主体部分进行淬硬。当感应器移动至其施感圈的三分之一高度露出阶梯轴的阶梯平面时，选择设备输出功率为82.5-99kW，停顿2.85-3.4秒钟，对阶梯轴的大径轴上端至阶梯平面之间的部分进行淬硬。然后将感应器快速移动至其施感圈的下平面与阶梯轴的阶梯平面重合，选择设备输出功率为81.3-97.5kW，停顿1.48-1.77秒钟，对阶梯轴的阶梯平面至小径轴下端之间的部分进行淬硬。最后选择设备输出功率为118-142kW，感应器移动速度为8.56mm/s，使感应器由下而上移动对小径轴表面的主体部分进行淬硬。

实施例3

阶梯轴直径：小端54mm，大端64mm；材质为42CrMo钢。硬化层深度要求为6-9mm，硬化层要求连续分布；

选用感应器规格：内径70mm，高度2cm；

选择设备频率为2kHz，选择热油为淬火介质，控制喷淋压力为0.15～0.6MPa、淬火介质温度为30～50℃、喷淋密度为45～60(10^-6.m³/cm².s)；

加热淬火步骤：

将感应器置于大径轴的底部，设备输出功率为190-228kW，感应器移动速度为2.91mm/s，使感应器由下而上移动对大径轴表面的主体部分进行淬硬。当感应器移动至其施感圈的三分之一高度露出阶梯轴的阶梯平面时，选择设备输出功率为130.7-157kW，停顿5.64-6.8秒钟，对阶梯轴的大径轴上端至阶梯平面之间的部分进行淬硬。然后将感应器快速移动至其施感圈的下平面与阶梯轴的阶梯平面重合，选择设备输出功率为126.8-152kW，停顿2.84-3.41秒钟，对阶梯轴的阶梯平面至小径轴下端之间的部分进行淬硬。最后选择设备输出功率为185-220kW，感应器移动速度为4.07mm/s，使感应器由下而上移动对小径轴表面的主体部分进行淬硬。

Claims (5)

1、一种阶梯轴感应加热淬火装置，包括中频感应电源、简易数控淬火机床、变压器、感应器对中装置、导电排和感应器，所述的变压器、导电排和感应器顺序连接成一个整体设置在简易数控淬火机床上并与中频感应电源电连接；所述的感应器对中装置安装在简易数控淬火机床上用于控制感应器的位置；其特征在于：还包括感应器快换装置，该感应器快换装置连接在导电排和感应器之间，感应器快换装置为模块结构件，包括导电排连接模块和感应器连接模块，两模块以可拆卸方式互连；所述的导电排与变压器和感应器快换装置之间的连接端面涂以导电胶，然后采用螺栓连接；所述的简易数控淬火机床采用可编程简易程序控制；所述的变压器为铁氧体输出变压器；所述的导电排上设有两组冷却水管，分别安装在两侧的电极板上；所述的感应器为双圈结构环状感应器，包括内圈施感圈和外圈喷液圈，内圈施感圈和外圈喷液圈紧密贴合相连；所述的感应器快换装置的导电排连接模块包括左电极板、右电极板、上定位板、下定位板、绝缘隔板、两垫板、两压板和连接键，绝缘隔板设置在左、右电极板之间，上、下定位板封盖在左、右电极板的上下两端，左、右电极板用于分别与导电排的两前电极板相连；两垫板设置在左、右电极板的上端两侧，两压板各通过一非标螺钉抵压在两垫板上并用于将感应器连接模块与导电排连接模块连接在一起，连接键竖向设置在右电极板上用于与感应器连接模块键合相连；

所述的感应器快换装置的感应器连接模块包括两连接板、两中间板、两接触板、绝缘板、导向板、加强条、冷却水管和连接键槽，两中间板和两接触板相连设置在两连接板一侧面的下部，绝缘板夹设在两连接板、两中间板和两接触板之间，导向板设置在两连接板另一侧面的上部并用于与导电排连接模块相连，加强条设置在两连接板的底端用于将两连接板固定在一起，冷却水管设置在两连接板的设有中间板和接触板的一侧，两接触板用于与感应器相连，连接键槽设置在一连接板上并与导电槽连接模块上的连接键槽相适配。

2、根据权利要求1所述的阶梯轴感应加热淬火装置，其特征在于：所述感应器的施感圈和喷液圈的截面近似矩形，该两近似矩形圈的内侧下方一角都向内收缩成斜面，施感圈内侧下方有一个向内的突起，所述喷液圈的高度大于施感圈的高度，使设在喷液圈上的斜面露出在施感圈的下方，喷液圈的斜面上均设有多个喷液孔，喷液孔的直径为1.2～2.4mm，相邻两喷液孔的间距为2～4mm，喷液孔轴线与感应器轴线的夹角为35°～55°；施感圈内通蒸馏水，喷液圈内通淬火液。

3、采用如权利要求1所述的阶梯轴感应加热淬火装置进行阶梯轴感应加热淬火的方法，所述阶梯轴包括大径轴和小径轴，在大径轴与小径轴的变径处形成阶梯平面，其特征在于：根据阶梯轴的直径选择适配的感应器，并选择合适的设备频率和喷淋参数，采取感应器由下往上移动，从阶梯轴的大径端移向小径端，按以下步骤进行淬硬：

步骤1、移动淬硬大径轴表面：

将感应器置于大径轴的底部，选择合适的设备输出功率，并选择感应器移动速度为2.9mm/s～6.2mm/s，使感应器由下而上移动对大径轴表面的主体部分进行淬硬；

步骤2、停顿淬硬大径轴上端至阶梯平面之间的部分：

当感应器移动至其施感圈的三分之一高度露出阶梯轴的阶梯平面时，重新选择合适的设备输出功率，并选择停顿时间为0.8s～7.2s，对阶梯轴的大径轴上端至阶梯平面之间的部分进行淬硬；

步骤3、快速移动至下一停顿淬硬位置：

完成步骤2后，将感应器快速移动至下一停顿淬硬位置；

步骤4、停顿淬硬阶梯平面至小径轴前端之间的部分：

当感应器快速移动至其施感圈的下平面与阶梯轴的阶梯平面重合时，重新选择合适的设备输出功率，并选择停顿时间为0.6s～4.2s，对阶梯轴的阶梯平面至小径轴下端之间的部分进行淬硬；

步骤5、移动淬硬小径轴表面：

完成步骤4后，重新选择合适的设备输出功率，并选择感应器移动速度为4mm/s～8.7mm/s，使感应器由下而上移动对小径轴表面的主体部分进行淬硬；

步骤6、结束：

完成步骤5后，关断功率输出，关闭淬火喷淋，松开顶针，将阶梯轴移出感应器，停止工作，结束其对阶梯轴的感应加热淬火过程；

上述步骤中，所述的设备频率根据阶梯轴的直径大小选择，当阶梯轴的直径在12～64mm之间变化时，设备频率在30～2kHz之间选择；所述的各步骤的设备输出功率为工件的比功率和感应器的有效导体所对应的工件的表面积的乘积然后比上一个效率系数，工件的比功率根据所选的设备频率及对阶梯轴淬硬层深度的要求进行选择，当设备频率在12～1kHz，淬硬层深度在1.5～9.0mm之间变化时，工件的比功率在4～1.2kW/cm²之间选择；

以及，所述的喷淋参数包括喷淋压力、喷淋密度、淬火介质和淬火介质温度；其中：

所述的喷淋压力控制在0.15MPa～0.6MPa；

所述的喷淋密度控制在45×10^-6m³/cm²s～60×10^-6m³/cm²s；

所述的淬火介质温度控制在30～50℃。

4、根据权利要求3所述的阶梯轴感应加热淬火的方法，其特征在于：所述的步骤1和步骤5的感应器移动速度等于两倍的环形感应器的有效高度(mm)除以利用该环形感应器将工件表面加热到900℃所花的时间(s)。

5、根据权利要求3所述的阶梯轴感应加热淬火的方法，其特征在于：所述的淬火介质根据阶梯轴工件对淬火烈度的要求在聚烷撑乙二醇、聚丙烯酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙基恶唑啉、快速油、中速油、常规油和热油之间选择。

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