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技術文章

軸類零件中頻淬火參數如何快速確定??

軸類零件中頻淬火參數如何快速確定

軸類零件中*具代表性的是滾珠絲杠,它的螺紋滾道部分熱處理一般采用中頻淬火,中頻淬火的質量決定了滾珠絲杠在以后使用過程中的服役質量。在實際生產中曾發生過有幾批滾珠絲杠在熱處理中頻淬火后,不小心掉在地上,絲杠甩斷成幾截,經過淬硬層深檢測,絲杠已被完全淬透,造成零件報廢。


為吸取造成質量事故的教訓,我們調整了中頻淬火的參數,結果其淬硬層深度又太淺,仍然沒有達到需要的淬硬層深度,這樣的絲杠在以后的服役過程中會嚴重影響其使用精度,同樣也會產生嚴重的質量問題。為此,“如何合理的確定中頻淬火參數以保證絲杠的熱處理質量”就成了我們必須解決的問題。通過試驗、計算、驗證,我們找到了一種快速確定絲杠等軸類零件中頻淬火參數的經驗公式,并在生產實踐中得到了很好的驗證,為中頻淬火工藝編制和實際操作帶來了方便。




1.理論依據

感應加熱是利用電磁感應的原理,使工件表面產生渦流而被加熱。當感應器中流過交變電流時,其周圍就要產生同樣頻率的交變磁場,工件中將產生與感應器頻率相同而方向相反的感應電流——渦流,當感應器和工件的形狀、尺寸以及相對位置固定時,渦流的大小與感應器中的電流的頻率成正比。渦流因工件的電阻而轉換成熱能,將工件加熱。根據焦耳-楞次定律,渦流產生的熱量可用式(1)計算:

Q=0.24I2Rt (卡)         (1)

式中 I——感應電流(A);

R——工件電阻(Ω);

t——加熱時間(s)。


感應加熱具有表面效應、鄰近效應和環流效應的特點。當交變電流流過導體時,電流沿導體的截面分布是不均勻的,導體表面電流密度*大,中心的電流密度*小。一般規定從表面到電流為I/ee=2.718)處的深度為電流透入深度δ,電流在δ薄層內產生的熱量為全部電流的85%以上,由于工件的淬硬層深與電流透入深度δ很接近,因而可以將電流透入深度近似的看成工件的淬硬層深。




2.試驗方法

試驗材料選用滾珠絲杠的常用材料GCr15,經調質處理28~32HRC后,分別制成與滾珠絲杠外徑規格相同的試棒,然后在KGPS100中頻淬火機床上進行中頻淬火,淬火后在試棒中段用線切割割取約30mm長的試塊,將截面用砂紙磨光后,在HR-150A洛氏硬度計上進行硬度檢測,檢硬度時由外表面沿徑向向里進行,并根據半馬氏體的硬度(GCr15鋼半馬氏體硬度約為55HRC)處距外表面的距離確定出淬硬層深度。試樣規格與編號見表1。


表1  滾珠絲杠與相應試棒規格及試棒編號

試棒編號

1

2

3

4

5

6

試棒規格/mm

Ф28×500

Ф32×500

Ф40×500

滾珠絲杠規格

GQ28×4

GQ32×4

GQ40×6

要求淬硬層深/mm

2.0~3.5

2.0~3.5

3.0~4.5




3.試驗結果與分析

中頻淬火試驗結果如表2所示。

表2  硬度與其距試棒外表面的距離

試棒

編號

試  驗 結 果

淬硬層深

1

硬度(HRC)

60

61

55.5

43

33

30



距外表面距離/mm

1.2

2.3

3.6

4.7

6.0

7.0

3.5

2

硬度(HRC)

64

65

65.5

64

56

31



距外表面距離/mm

0.6

1.8

3.1

3.9

4.6

5.8

4.6

3

硬度(HRC)

60.5

62

60.5

55

43

31



距外表面距離(mm)

1.0

1.9

2.7

3.6

4.4

5.6

3.6

4

硬度(HRC)

63

63.5

59.5

57

44

33



距外表面距離/mm

0.5

1.6

2.5

3.4

4.2

5.4

3.5

5

硬度(HRC)

64

64

57.5

52

38

31



距外表面距離/mm

0.6

1.5

2.6

3.3

4.5

5.7

2.8

6

硬度(HRC)

63

62.5

61

58

49

34



距外表面距離/mm

0.8

1.4

2.3

3.1

4.4

5.5

3.4

中頻淬火主要參數見表3。

表3  中頻淬火主要參數情況

試棒編號

1

2

3

4

5

6

直流電壓/V

500

500

500

500

500

500

直流電流/A

110

110

140

135

165

165

試棒下降速度/mm·min-1

120

100

175

180

180

135

注:其他電氣參數基本不變,頻率波動較小,可以忽略其影響。


(1)硬化層深與零件下降速度的關系

由于試棒規格相同,并采用同一感應器,設備輸出的直流電壓和直流電流相同,而試棒的下降速度對其他電參數的影響較小,可以忽略不計,因而可以認為設備的輸出功率也沒有改變,所以當零件的下降速度發生變化時,就能找出淬硬層深與零件下降速度的關系。


設零件的直徑為D,當下降速度為v1時,硬化層深度為δ1,而當下降速度為v2時,硬化層深為δ2。根據前面所述,感應渦流絕大部分在以δH圍成的圓筒內流過,其加熱的體積為:



所以,在相同條件下,如果通過試驗得到了v1和δ1的數據,就可以根據式(10)大致估算出:當零件下降速度發生變化后,零件中頻淬火后的淬硬層深度。


(2)直流電流與硬化層深的關系

為了直觀、方便的找出主要電參數——直流電流與硬化層深的關系,假設電壓不變,而頻率變化較小時基本上對層深影響很小,同時淬火變壓器的匝比不變,其輸入電流與工件中的渦流成比例關系。


由于輸入電流與同工件的渦流成比例關系,在計算中可以被同時約去,因而式(13)中的電流可以簡單的認為是設備的輸出電流——直流電流。


所以,如果通過試驗得到了I1v1δ1的數據后,就可以根據式(13)大*估算出:在達到要求的硬化層深時,改變工件的下降速度所需要調整的電流大小。


(3)應用

根據試棒1的淬火參數和所得結果來計算試棒2的淬火參數所產生的結果,v1=120mm/min,δ1=3.5mm,v2=100mm/min,通過式(9)可計算出δ2≥4.2mm,實際測試結果為4.6mm。再如用試棒5的淬火參數和所得結果來計算試棒6所采用的參數所得的結果,v1=180mm/min,I1=16**,δ1=2.8mm,v2=135mm/min,I2=16**,由式(13)可計算出δ2=3.2mm,這與實測結果3.4mm比較接近,同時也與式(9)結果相符。


利用前面得出的直流電流、工件下降速度和淬硬層深的關系,就可以方便的確定軸類零件中頻淬火參數,提高工藝編制速度。




 4.結語

(1)軸類零件中頻淬火的淬硬層深與設備的輸出電流和工件的下降速度之間有一定的數學關系,通過試驗得到一組初始數據,就可以大*估算出為得到符合要求的結果,其他兩個變量之間的關系如何進行相應的調整,其數學模型簡單,容易掌握。


(2)軸類零件中頻淬火工藝參數的快速確定其方法簡單,便于操作,為工藝參數的確定和熱處理工藝的編制帶來了方便,也為指導生產實踐提供了理論依據。




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