等速萬向節(jié)筒形殼中頻感應(yīng)淬火感應(yīng)器試驗(yàn)研究

陶勝藝，王世鑫，楊繼賢，楊曉東，武瑞

洛陽升華感應(yīng)加熱股份有限公司 河南洛陽 471000

1 VL型等速萬向節(jié)

VL型等速萬向節(jié)的工作特點(diǎn)是所有傳力點(diǎn)都在兩軸夾角的等分平面上，因此兩軸的角速度永遠(yuǎn)相等。等速萬向節(jié)在轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋、分離驅(qū)動(dòng)橋等輪系裝置中廣泛應(yīng)用。VL型等速萬向節(jié)由6個(gè)軸承鋼球共同承載，其承載能力、抗沖擊能力強(qiáng)，傳動(dòng)效果好，結(jié)構(gòu)緊湊，布置簡(jiǎn)單，工作角較大，適用于輕型汽車。VL型等速萬向節(jié)如圖1所示。

圖1 VL型等速萬向節(jié)

2 熱處理技術(shù)要求

（1）材質(zhì) VL型等速萬向節(jié)筒形殼的材料為CF53（DIN），其化學(xué)成分見表1。

表1 CF53的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）VL型筒形殼的熱處理 在高度為F（見圖2）的球槽中進(jìn)行感應(yīng)淬火，技術(shù)要求如下。

1）表面硬度要求達(dá)到58～62HRC。

2）心部硬度最大為30HRC。

3）在尺寸E（見圖2）方向上的38.5°處，殼體硬度達(dá)到50HRC，淬硬層深度最小1mm。

圖2 筒形殼

4）最大淬硬層深度不超過垂直于球槽壁厚的50%。

3 感應(yīng)淬火工藝

針對(duì)此類筒形殼的感應(yīng)器設(shè)計(jì)，業(yè)內(nèi)常用的是兩匝有效圈加裝導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也有四匝有效圈不加導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)。下面分別對(duì)以上兩種感應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)并觀察淬火效果。

1）對(duì)于兩匝有效圈內(nèi)孔鑲嵌硅鋼片導(dǎo)磁體的感應(yīng)器，其有效圈與工件的對(duì)準(zhǔn)關(guān)系如圖3所示。

圖3 兩匝有效圈與筒型殼對(duì)準(zhǔn)

工藝試驗(yàn)電源參數(shù)：逆變功率為180k W，逆變頻率為8kHz，工件轉(zhuǎn)速為150r/min，加熱時(shí)間為3s。兩匝有效圈加熱狀態(tài)及最終切樣淬硬層檢測(cè)如圖4所示。

圖4 兩匝有效圈加熱狀態(tài)及切樣淬硬層

2）對(duì)于四匝有效圈內(nèi)孔未鑲嵌導(dǎo)磁體的感應(yīng)器，其有效圈與工件的對(duì)準(zhǔn)關(guān)系如圖5所示。

圖5 四匝有效圈與筒型殼對(duì)準(zhǔn)

工藝試驗(yàn)電源參數(shù)：逆變功率為150kW，逆變頻率9kHz，工件轉(zhuǎn)速為150r/min，加熱時(shí)間為3s。四匝有效圈加熱狀態(tài)及最終切樣淬硬層檢測(cè)如圖6所示。

圖6 四匝有效圈加熱狀態(tài)及切樣淬硬層

4 對(duì)比分析

通過以上兩次試驗(yàn)可看出，兩匝和四匝的有效圈不僅都能滿足該類工件的技術(shù)要求，而且功率和頻率差別并不大，但是兩匝有效圈需要在內(nèi)孔鑲嵌硅鋼片導(dǎo)磁體，才能達(dá)到四匝有效圈不裝導(dǎo)磁體的效果。為此，針對(duì)兩種感應(yīng)器的差別，分析二者的異同點(diǎn)。

相同點(diǎn)：兩種感應(yīng)器都是有效圈為圓環(huán)狀的縱磁感應(yīng)器。

不同點(diǎn)：匝數(shù)不同，有效圈線徑的截面大小不同。

感應(yīng)器和工件在加熱過程中都會(huì)受到趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、圓環(huán)效應(yīng)及尖角效應(yīng)的影響。高頻電流流過環(huán)狀導(dǎo)體時(shí)，最大電流密度分布在圓環(huán)導(dǎo)體內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象稱為環(huán)狀效應(yīng)[1，2]。環(huán)狀效應(yīng)的實(shí)質(zhì)也是環(huán)形感應(yīng)器的鄰近效應(yīng)，下面主要分析鄰近效應(yīng)對(duì)這兩種感應(yīng)器的影響。

鄰近效應(yīng)：導(dǎo)體內(nèi)交變電流的分布受到鄰近導(dǎo)體內(nèi)交變電流的影響，這種現(xiàn)象叫作鄰近效應(yīng)。鄰近效應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中，基本上有以下兩種情況。

1）當(dāng)兩個(gè)平行導(dǎo)體通入方向相反、大小相等的電流時(shí)，電流集中到導(dǎo)體互相靠近的面，如圖7a所示。

2）當(dāng)兩個(gè)平行導(dǎo)體通入方向相同、大小相等的電流時(shí)，電流集中到導(dǎo)體相距最遠(yuǎn)的外側(cè)，如圖7b所示。

圖7 鄰近效應(yīng)時(shí)導(dǎo)體內(nèi)電流的分布

兩種感應(yīng)器在沒有放入工件之前都符合圖7a的情況，電流走內(nèi)側(cè)。在放入工件之后，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在環(huán)形工件的閉環(huán)回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與感應(yīng)器內(nèi)部電流頻率一樣，方向相反。

注意，此時(shí)的有效圈將會(huì)受到兩處鄰近效應(yīng)的影響，一種是自身的圓環(huán)效應(yīng)，另一種是圓環(huán)工件內(nèi)渦流與有效圈的鄰近效應(yīng)。工件內(nèi)渦流與有效圈的鄰近效應(yīng)也符合圖7a的情況，此時(shí)電流將集中到導(dǎo)體互相靠近的面。當(dāng)工件渦流的鄰近效應(yīng)遠(yuǎn)大于感應(yīng)器自身的圓環(huán)效應(yīng)時(shí)，有效圈電流將走外側(cè)，類似在內(nèi)孔鑲嵌導(dǎo)磁體的效果，如圖8所示。

圖8 四匝有效圈工作時(shí)電流分布

鄰近效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是原線圈、副線圈（在本文中有效圈為原線圈，工件為副線圈）之間互感作用的結(jié)果?；ジ凶饔迷綇?qiáng)，則導(dǎo)體內(nèi)受到鄰近導(dǎo)體電流的影響越大，表現(xiàn)為鄰近效應(yīng)越明顯。根據(jù)以上分析，當(dāng)有效圈與工件之間的互感作用足夠強(qiáng)時(shí)，則表現(xiàn)為鄰近效應(yīng)也足夠強(qiáng)。

互感現(xiàn)象的強(qiáng)弱用互感系數(shù)M表示，互感系數(shù)越大，則互感現(xiàn)象越強(qiáng)。接下來從理論上計(jì)算兩種感應(yīng)器在應(yīng)用中互感作用的差別。

在本文的實(shí)例中，互感系數(shù)的計(jì)算符合下式，即

式中M——互感系數(shù)（H）；

N1——感應(yīng)線圈匝數(shù)（匝）；

N2——副線圈匝數(shù)（匝），此處為工件1匝；

S——工件圓環(huán)面的橫截面積（cm2）；

L——線圈的總高度（cm）；

μ——磁路范圍內(nèi)零部件的磁導(dǎo)率（H/m）。

由式（1）可看出，互感系數(shù)取決于兩個(gè)線圈的匝數(shù)、幾何尺寸、相對(duì)位置和磁介質(zhì)，兩種感應(yīng)器有效圈的材料都是銅，為不導(dǎo)磁材料。由于工件相同，加工時(shí)所處環(huán)境一致，所以影響互感作用大小的因素只有線圈的匝數(shù)。

四匝感應(yīng)器的互感系數(shù)是兩匝感應(yīng)器的2倍，雖然倍數(shù)不大，但在中頻感應(yīng)加熱的有效圈中，互感作用本身就很強(qiáng)，因此2倍的差別就有很大的影響?；ジ凶饔迷綇?qiáng)，導(dǎo)體間臨近位置的鄰近效應(yīng)越明顯，因此就造成了四匝感應(yīng)器不裝導(dǎo)磁體也能達(dá)到兩匝感應(yīng)器裝了導(dǎo)磁體相同的淬火效果。

5 結(jié)束語

本文對(duì)比了針對(duì)VL型筒形殼淬火常用的兩種感應(yīng)器，找出了兩種感應(yīng)器的異同點(diǎn)，并分析了結(jié)構(gòu)上差別較大的兩種感應(yīng)器卻能達(dá)到相同淬火要求的原因。雖然都能符合淬火技術(shù)要求，但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上存在較大區(qū)別，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇制作哪種類型的感應(yīng)器。根據(jù)本文分析的這一現(xiàn)象，可以為感應(yīng)器設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

兩匝有效圈的感應(yīng)器需要內(nèi)孔鑲嵌硅鋼片導(dǎo)磁體，利用導(dǎo)磁體的驅(qū)流作用達(dá)到最終的結(jié)果。但需要另外加工硅鋼片導(dǎo)磁體，同時(shí)硅鋼片的壽命受環(huán)境影響較大，絕緣及防銹做的不好時(shí)就容易失效，感應(yīng)器的效率也會(huì)降低。

四匝有效圈的感應(yīng)器只需要用銅管繞制而成，但是有效圈的繞制卻需要一定的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，繞制成之后則需要外力固定牢固。四匝有效圈的繞制控制不好，尺寸就容易出現(xiàn)較大誤差。繞制后如果沒有固定牢固，則在平時(shí)放置或使用過程中極容易產(chǎn)生變形，最終都會(huì)導(dǎo)致對(duì)工件的淬火不合格。

針對(duì)所有的感應(yīng)器設(shè)計(jì)，則應(yīng)盡量利用感應(yīng)線圈與工件之間鄰近效應(yīng)。加熱內(nèi)孔工件時(shí)，用多匝感應(yīng)線圈，可提高互感作用，這時(shí)少用或不用導(dǎo)磁體也能提高加熱效率。加熱外圓或一般的縱磁感應(yīng)器時(shí)，可考慮不加導(dǎo)磁體，因?yàn)榇藭r(shí)感應(yīng)線圈的圓環(huán)效應(yīng)和線圈與工件之間的鄰近效應(yīng)作用是一致的，都表現(xiàn)為驅(qū)使電流走內(nèi)圈，已經(jīng)可以達(dá)到裝導(dǎo)磁體的效果了。若用多匝線圈，則效果更為明顯，再裝導(dǎo)磁體反而沒有必要，且還要考慮材料成本和制作成本。當(dāng)然在一些情況下，采用多匝線圈并不能完全代替導(dǎo)磁體的作用。例如，裝上導(dǎo)磁體的感應(yīng)器更容易準(zhǔn)確控制淬火區(qū)域；當(dāng)設(shè)備功率不足時(shí)，還是需要加一些導(dǎo)磁體來提高加熱效率，從而滿足加熱要求。實(shí)際設(shè)計(jì)中還需要根據(jù)生產(chǎn)情況，考慮各種因素進(jìn)行綜合判斷。