蜗杆感应器与齿轮课程设计说明书.doc

重庆理工大学课程设计说明书目 录1 课题要求22 感应淬火方案设计3 2.1 感应加热表面淬火概述 32.2 感应加热原理 43 感应淬火方案的设计和工艺参数的选择73.1电流频率的选择73.2感应加热方法的确定103.3 四个功率的确定103.4 加热时间123.5淬火介质及冷却时间的确定133.6加热速度和淬火加热温度133.7 回火参数的确定144淬火感应器设计164.1感应器基本结构164.2感应器种类选择164.3 感应线圈尺寸的确定174.4冷却水路184.5汇流板的结构尺寸184.6感应器与汇流板的链接184.7感应器和高频变压器的联接184.8冷却水管接头的设计185感应淬火零件的质量检验205.1表面硬度的硬度计检验205.2表面硬度的锉刀检验206感应加热表面淬火所产生的缺陷防止方法216.1缺陷种类216.2造成缺陷的原因227 参考文献 231 课程设计任务1.1 设计内容1 根据蜗杆的性能要求进行感应淬火方案及工艺参数的设计2 根据蜗杆感应淬火方案要求进行感应器设计1.2 设计要求 1 根据蜗杆的性能要求进行感应淬火方案的设计2 根据蜗杆的性能要求感应淬火工艺的设计3 按照蜗杆感应淬火要求进行感应器的设计4 完成设计说明书，包括相关的计算和分析过程1.3 技术要求 热处理调质处理220259HB，齿部52HRC，淬硬层深度0.81.0mm2 感应淬火方案设计2.1 感应加热表面淬火概述 感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理1，使零件在交变磁场中切割磁力线，在表面产生感应电流，又根据交流电肌集肤效应，以涡流形式将零件表面快速加热，而后急冷的淬火方法。它在热处理领域中占有重要地位，并在我国得到了广泛的应用。感应加热表面淬火的使用频率不同，可以分为超高频（27MHz）、高频（200250kHz）、中频（25008000Hz）和工频（50Hz）。由于电流频率不同，加热时感应电流透入深度不同。使用高频时，感应电流透入深度很小（约0.5mm），主要用于小模数齿轮和小轴类零件的表面淬火；使用中频时，感应电流透入深度（约510mm），主要用于中、小模数的齿轮、凸轮轴、曲轴的表面淬火；使用超高频时，感应电流透入深度极小，主要用于锯齿、刀刃、薄件的表面淬火；使用工频时，电流透入深度较大（超过10mm），主要用于冷轧辊表面淬火。感应加热表面淬火是表面淬火方法中比较好的一种，因此，受到普遍的重视和广泛应用。与传统热处理相比，它有以下的优点。 1、感应加热属于内热源直接加热，热损失小，因此加热速度快，热效率高。 2、加热过程中，由于加热时间短，零件表面氧化脱碳少，与其他热处理相比，零件废品率极低。 3、感应加热淬火后零件表面的硬度高，心部保持较好的塑性和韧性，呈现低的缺口敏感性，故冲击韧性、疲劳强度和耐磨性等有很大的提高。 4、感应加热设备紧凑，占地面积小，使用简单(即操作方便)。 5、生产过程清洁，无高温，劳动条件好。 6、能进行选择性加热。 7、感应加热表面淬火的机械零件脆性小，同时还能提高零件的力学性能(如屈服点、抗拉强度、疲劳强度)，同样经过感应加热表面淬火的钢制零件的淬火硬度也高于普通加热炉的淬火硬度。 8、感应加热设备可放置在加工生产线上，通过电气参数对过程三行精确的工艺控制。 9、利用感应加热淬火，可用普通碳素结构钢代替合金结构钢制作零件而不降低零件质量，所以，在某些条件下可以代替工艺复杂的化学热处理。 10、感应加热不仅应用于零件的表面淬火，还可以用于零件的内孔淬火，这是传统热处理所不能达到的。 然而，感应加热表面淬火也有其本身的不足。 1、设备与淬火工艺匹配比较麻烦，因为电参数常发生变化。 2、需要淬火的零件要有一定的感应器与其相对应。 3、要求使用专业化强的淬火机床。 4、设备维修比较复杂。2.2 感应加热原理感应加热是将零件置于感应器内，当有一定的电流频率的交流电通过感应器时，在零件表面就有感应电流产生，此电流分布在表面，并以涡流的形式出现，迅速加热表面使其达到淬火温度，然后切断电源，并将零件急速冷却，实现感应加热表面淬火。2.2.1 电磁感应将零件置于感应器内，当感应器中有交变电流通过时，在感应器内部和周围产生与电流频率相同的交变磁场，周围分布变化的磁力线，磁力线切割零件，在零件内就相应地产生感应电势，而在零件表面产生感应电流，这种现象称为电磁感应。当感应器内通入交变电流时，零件内产生感应电流，此电流在零件内形成闭合回路，其方向与通入的电源电流方向相反，成涡流流通，称之为涡流。零件就通过涡流使之加热到淬火温度。感应加热原理如图2-1所示： 感应电势的瞬时值3为： （2-1） e：瞬时电势，V；：零件上感应电流回路所包围面积的磁通量，；图2-1 感应加热原理 为磁通变化率，其绝对值等于感应电势，式中的负号表示感应电势方向与的变化方向相反。2.2.2 表面效应 当一个金属零件通过直流电流时，在金属零件的截面上电流的分布是均匀的；当金属零件通过交流电时，沿金属零件截面的电流分布是不均匀的，最大电流密度出现在金属零件的最表面，如图2-2所示。这种交变电流的频率越高，电流向表面集中的现象就越严重。这种电流通过导体时，沿导体表面电流密度最大，越往中心电流密度越小的现象称为高频电流的集肤效应，又称表面效应。因此，零件感应加热时，其感应电流在零件中的分布从表面向中心呈指数衰减（图2-2），可表示为： （2-2） 式中：零件表面最大的电流强度，A ； ：距零件表面某一距离的电流强度，A； ：到零件表面的距离，cm； ：电流透入深度，cm，它是与材料物理性质有关的系数。 2-2 感应电流在金属截面上的分布2.2.3 邻近效应两个相邻载有高频电流的金属导体相互靠近时，由于磁场的相互影响，磁力线将发生重新分布，导致电流的重新分布，如图2-3所示。两个载流导体的电流方向相同时，电流从两导体的外侧流过，即导体相邻表面的电流密度最小；反之，如果两个载流导体的电流方向相反时，电流从两导体的内侧流过，即导体相邻表面的电流密度最大。这种现象就称为高频电流的邻近效应。频率越高，两导体靠得越近，邻近效应就越显著。图2-3 高频电流的邻近效应2.2.4 环状效应高频电流通过圆柱形状、圆环状或螺旋圆柱管状件时，最大的电流密度分布集中在圆柱状零件的内侧，即圆环内侧的电流密度最大，这种现象称为环状效应。如图2-4所示。当电流频率高时，电流只在圆柱状内侧表面流动，圆柱状的外侧没有电流过。图2-4 高频电流的环状效应2.2.5 尖角效应 将尖角（棱角）或形状不规则的零件放在圆环形的感应器中，如果零件的高度小于感应器高度，感应加热时，在零件拐角处的尖角部位或棱角部分由于涡流强度大，加热激烈，在极短时间内升高温度，并造成过热，这种现象称为尖角效应。3 感应淬火方案的设计和工艺参数的选择3.1电流频率的选择根据硬化层深度、零件尺寸、钢种及原始组织等来合理选择设备频率。在设备频率一定的条件下，有透入式加热与传导式加热两种加热方式。由于透入式加热时间短，热损失小，表面不易过热，淬火后获得硬化层质量较好。因此选择透入式加热。设备频率选择的计算。对40cr，当加热到A2以上温度时的电流透入深度近似值为： 式中：电流热透入深度（mm） 如要实现透入式加热，则应满足 式中：硬化层深度，mm 电流频率上限为： （3-3） 随着电流频率的降低，电流透入深度增加，因而热能损耗增加，此时感应器的功率就不足以使零件迅速加热，这样就会造成零件加热不足，使淬火质量达不到要求。实践证明，为了使零件得到良好的质量，硬化层深度大于电流透入深度的25%，由此得出电流频率的下限： （3-4） 因此电流频率的选择范围应为： （3-5） 当硬化层深度已知时，就可以找到电流的最佳频率值。实践证明，硬化层深度为电流透入深度一半时，可以得到电流频率最佳值 （3-6） 根据（1-3）、（1-4）、（1-6）大体可算出零件感应加热表面淬火时，其硬化层深度与合适的频率范围，如下表1：表 3-1硬化层深度/mm1234610最高电流频率/Hz250000100000300001500080002500最低电流频率/Hz15000700015001000500150最佳电流频率/Hz6000025000700040001500500圆柱形工件的最佳电流频率主要根据要求淬硬层深度来确定（见表3-2），但工件的截面很小时，频率要选得高些（见表3-3）；齿轮全齿同时加热淬火的最佳电流频率主要由其模数来确定（见表3-3）；连续加热时采用双匝或多匝感应器中，常用感应加热器设备的实用淬硬层深度，以及全齿同时加热淬火适用的齿轮模数列于表3-4。表3-2 零件直径和硬化层深度与电流频率的关系硬化层深度/mm零件直径/mm电流频率/KHz1.03.010202002000.41.3625好好1.32.51116中好好1625好好好2551中好中中51中好好差差2.65.11951好好差差50100好好中100好中差表3-3 不同模数齿轮全齿同时淬火时的最佳频率齿轮模数/mm12345678910电流频率/kHz25062.528161075432.5表3-4 常用感应加热设备的适用范围频率/kHz淬硬层深度/mm齿轮模数/mm最小适中可达到2503000.811.52.54.51.558123466122.52.546710我国一些工厂在生产实践中中积累的经验来看，对模数2.54的齿轮，使用较低的比功率时，可用200300kHz的高频设备；对模数为46的齿轮，可用4080kHz的超音频设备；对模数为68的齿轮，可使用2.58kHz的中频设备。当频率很高时，只有齿的顶部淬火；而频率选择适中时，齿轮得到接近仿形淬火，这时齿的心部有相当一部分区域没有淬火，增加了齿的韧性；频率较低时齿部完全淬透，齿根硬化层平直；频率很低时，齿顶淬不上火。在选择频率时，还要考虑到零件直径大小。当被加热零件的直径与电流的热透入深度之比小于10时，感应器的电效率显著降低。因此，小直径零件应采用较高频的设备。圆柱形零件选择频率，可用以下算式2： (3-7)式中，D：零件直径/mm. 各种模数的齿轮在感应加热表面淬火时，合适的频率（），可用下式计算当单位表面功率较高时： （3-8）当单位表面功率较高时： （3-9）式中：m ：齿轮模数。频率选择可参考下表3-5表 3-5 齿轮感应加热表面淬火频率选择淬火加热方法齿轮模数/mm设备频率/Hz效果全齿加热淬火152651025000050000700008000m=2.53.5质量较好m=45质量较好m=78质量较好单齿加热淬火510824以上2500008000沿齿硬化层分布较理想沿齿硬化层分布较理想设计的要求是淬硬层为0.81mm，结合以上的参考，选择频率为60KHz， 这样的频率，属于高频，严格说是超音频。3.2 感应加热方法的确定由于加热工件是蜗杆，首先计算淬火面积，根据公式： （3-10）式中：淬火面积；：蜗杆直径；L：蜗杆长度当工件的淬火面积大于设备的同时加热的最大淬火面积，则应选择连续加热淬火；当工件淬火面积小于设备同时加热最大淬火面积，则应选择同时加热淬火，而从频率来看（根据表13-6）使用的设备是电子管式高频设备，则只能选择同时加热淬火，并且设备的额定功率是200kw，此时的同时加热最大面积大于工件淬火面积。（PE=200kw， =196cm2）表3-6 在几种设备上，同时加热淬火及连续加热淬火的最大面积电源种类PE/kw同时加热淬火连续加热淬火/机械式中频发电机（2.5KHz和8KHz）1001286420.4160204.8102.432.620025612840.825032016050.9电子管式高频设备（100300KHz）6058.829.49.4100984915.62001969831.2注：连续淬火所用圆环感应器的有效高度为1cm，淬火面积宽度按1cm计算3.5 四个功率的确定3.3.1 零件单位表面功率单位表面功率的大小，直接影响到零件表面加热速度的快慢。目前，生产上有时用估算的方法求设备单位表面功率值。目前，在生产上有时用估算的方法求设备单位表面功率值。生产中更普遍的是从经验曲线查到所需要的单位表面功率。单位表面功率是依据频率和加热零件直径决定的。频率越低，零件直径越小，所需要的单位表面功率越大。不同频率的感应加热装置的最大单位表面功率如下：2500Hz 中频装置的最大单位表面功率为 3.5kw/cm28000Hz 中频装置的最大单位表面功率为 2.0kw/cm2250000Hz 高频装置的最大单位表面功率为 0.4kw/cm2感应加热时零件单位表面功率与加热方法的关系见表43-7表3-7 感应加热用不同加热方法时的零件单位表面功率感应加热装置同时加热时的零件单位表面功率/kwcm-2连续加热时的零件单位表面功率/kwcm-2高频感应加热装置0.52.01.03.0中频感应加热装置0.52.00.82.0采用高频设备进行全齿同时加热淬火时，如要在齿顶不过热的前提下获得一定的淬硬层，则齿轮模数越大，所用比功率越小（见表43-8）表3-8 齿轮全齿同时加热的功率(频率为200300kHz)模数/mm122.53.53.75456比功率/(kw/cm2)24120.510.30.6根据表3-7和3-8，确定零件单位表面功率为P0=0.6kw/cm23.3.2 零件加热总功率在实际中，零件上的单位表面功率难以精确算出，往往用设备的单位表面功率反映零件上单位表面功率的大小，即： （3-11）式中 PS：设备总功率，kw；P0：零件单位表面功率，kw /cm2；A：被加热零件的总表面积，cm2。所以，3.3.3 设备单位表面功率零件的单位表面功率与设备单位表面功率的关系是： （3-12）式中 ：设备单位表面功率，kw /cm2；：设备总效率。不同的加热装置的效率不同。机械式中频发生器效率=0.64，电子高频发生器=0.40.5。所以，设备单位表面功率，在高频设备单位表面功率适用范围内。3.3.4 设备输出功率在感应加热设备时将设备的总功率与感应器效率和淬火变压器效率一起考虑，就是设备输出功率。则输出功率3为： （3-13）式中 ：设备输出功率，kw；：感应器效率；：淬火变压器效率。其中，。选取。所以，在所选择的设备的额定功率内（200kw）3.4 加热时间同时加热淬火的加热时间一般用图表法来确定。图23-1是日本资料介绍的齿轮零件同时加热的频率（Hz）、比功率（W/cm2）、淬火层深度（mm）及加热时间（s）之间的关系曲线，即在已知、和的情况下求得。以上数据为=60Hz，=0.6kw/cm2，=1.0mm，求得=6s。图3-1 同时加热淬火的关系图3.5淬火介质及冷却时间的确定零件在感应加热到淬火温度以后要进行冷却淬火，保证淬火质量，是克服淬火缺陷的重要环节。各种有机物合成的淬火介质，虽然品牌繁多，均具有良好冷却特性、但仍不能完全取代自来水。做为淬火介质而言，水是最廉价、最清洁的，没有任何环境污染的淬火介质。对于中碳钢制造的形状简单的零件，一般都用自来水做淬火介质。并且同时加热淬火的冷却方法一般采用喷射冷却。如果加热时使用正常的比功率值，喷射压为0.10.3Mpa、水温为1530，同时加热的冷却时间可用式（3-13）计算： （3-13）即算得，=612s。要经过试用或修正后才能最后确定。冷却时间是否合适，主要表现为零件的表面硬度、硬化层深度及硬化层的金相组织是否符合技术条件，是否保证了零件的自行回火。故本零件采用水冷浸冷，初步确定冷却时间为9秒。3.6 加热速度和淬火加热温度对感应加热淬火，决定零件淬火后的组织和性能的主要因素是加热速度与加热温度。这是因为感应加热通常不需要保温。在实际生产中，所淬火的零件成分、组织不同和零件的尺寸和技术要求不同，那么它们的感应加热规范就不同。几种钢感应加热淬火推荐加热温度见表3-9，表中列出的淬火加热温度与钢的成分、原始组织状态及加热速度等因素有关。淬火温度的选择主要根据钢的成分、原始组织来调整。当设备的单位表面功率确定以后，加热温度主要决定于加热时间。当单位表面功率足够大时，电气参数和感应器固定以后，对零件控制加热时间，就可以控制表面温度。表3-9 几种钢感应加热淬火推荐加热温度从表中可以看出，经调质处理的40Cr钢的推荐加热温度为830850，加热速度初步选择为为3040/s,由于之前确定的加热时间为6s，则最终的加热速度应低于30/s。3.7 回火参数的确定感应加热表面淬火零件与普通淬火零件一样，需要进行回火处理。回火是为了降低零件的脆性，提高韧性，减少内应力，防止开裂，防止变形，提高尺寸稳定性，保证机械性能的重要工序。普通热处理的回火一般都在炉中进行。而感应淬火则根据零件的情况，可以选用炉中回火，自行回火和感应加热回火等几种回火方法。中碳钢或中碳合金钢的齿轮等零件，在感应淬火时需要较低的淬火冷却速度，往往采用油中或水中的浸沉冷却方式。这些零件，淬火冷却后，基本冷透了，需要进行炉中加热回火。回火后零件硬度稍有下降，减少内应力，防止或减少零件裂纹和变形。此蜗杆为40Cr属于中碳合金钢，故采用炉中回火。蜗杆淬火后在2h内进行回火处理，要求齿部硬度达到52HRC，按表3-10选择回火温度为250，保温1.5h。表3-10 达到同样硬度的自行回火温度与炉中回火温度比较平均硬度/HRC回火温度/炉中回火自行回火6260555045401001502353053654251852303103904655504 淬火感应器设计 感应器用来通过感应作用将电能输送到零件表面层，借涡流和磁滞作用将在零件表面层中的电能转化为热能，而加热零件表面。4.1感应器基本结构感应器结构如图4-1所示。(1) 感应线圈 也称施感导体或有效圈。感应圈通电后，产生交变磁场，使零件表面产生涡流，加热零件。是感应器中的核心部分。感应器的高度一般是指感应圈的高度。（2）汇流管 也称汇流板。汇流管向施 感导体输入电流。 图4-1 感应器结构图 （3）接线板 也称接线座或称连接板。接线板用来将感应器与变压器输出头或淬火机床连接的紧固部分。水由此通过，并冷却感应线圈。（4）供水装置 是用以通水冷却感应器本身，并兼供零件淬火冷却用。有的供水装置与安装座合为一个，有的供水装置单独焊接通水管。 此外，在某些情况下，感应器上还装有导磁体、磁屏蔽装置、定位卡具及防止感应器变形的强固装置。4.2 感应器种类选择 上述设计中感应器的频率属于高频。高频淬火感应器有22种，而淬火加热蜗杆常用的感应器是：高频外表面同时加热淬火感应器。它的结构为波浪形，感应器导线与蜗杆螺旋方向垂直，对齿根加热有较好的效果。如图所示4-2。图4-2 高频外表面同时加热淬火感应器4.3 感应线圈尺寸的确定4.3.1 感应线圈与零件之间间隙的确定感应线圈与零件之间的间隙是影响电效率和加热质量的一个重要因素，也是决定感应线圈尺寸的重要因素。为了提高感应加热表面淬火的效率，感应器与零件淬火表面之间的间隙，应尽可能采用较小的间隙，一般不超过表14-1所规定数值。表4-1 感应器与淬火表面的间隙课题中，所加热蜗杆直径为60mm，所以确定感应线圈与零件之间间隙为4mm。4.3.2 感应线圈厚度的选择感应器一般用圆或扁紫铜管制成或用紫铜片焊接而成，中空可以通水冷却。如果设备输入功率不大时，也可以用实心铜线绕制。为不使感应器的温度过高，应通水冷却。制造感应器的紫铜料厚度应稍大于高频电流的透入深度。在20时，高频电流在铜料中的透入深度可由式4-1计算。透入深度： （4-1）可得： =2mm 故此感应器采用2mm厚的铜管制造。汇流板采用5mm厚的铜板制造。4.3.3感应线圈直径和高度的确定感应器的形状对硬化层的均匀性有一定的影响。考虑到感应器的成型等诸多因素，采用铜管。蜗杆加热为外圆表面加热用感应器，内径可用式D=D0+2a（mm）来计算：D=D0+2a=60+24=68mm式中，D：感应线圈直径，mm；：零件直径，mm；a：感应线圈与零件之间的间隙同时加热表面淬火时，如果零件两端未倒角，则感应线圈可按下式计算：式中，：感应线圈高度，mm；：零件部分加热长度，mm；如果零件两端倒角，则，那么。4.4冷却水路感应器通过较大的高频电流所引起的发热量，必须用冷却水带走。在通常的水压下，高频感应器的最小尺寸为50.5毫米。根据选取2mm厚的铜管采用22毫米直径的铜管。考虑成型难易和实际情况采用14毫米直径的铜管。由于加热之后采用浸冷，不需要设计喷水孔。4.5汇流板的结构尺寸从减少损耗的角度出发，要求感应器与高频变压器之间距离越小越好，两汇流板之间距离也要尽可能小，以减小感抗。采用图4-2所示的典型结构。图4-3感应器汇流板形状和尺寸通常采用35毫米厚和80120毫米宽的紫铜板制造，两板之间的距离不宜大于3毫米。采用板厚5mm，板宽110mm，板长160mm。4.6感应器与汇流板的链接采用合理的结构及制造精度，有助于减少损耗和高频感应器提高效率，因此铜管尾部与汇流板之间采用焊接链接。4.7感应器和高频变压器的链接从减小损耗的角度出发，要求感应器和高频变压器之间的距离越小越好，以减小感抗。故将连接板与汇流板合为一体，汇流板上钻10的螺纹孔。4.8冷却水管接头的设计水管接头如图4-3所示图4-4 水管接头选取D1=14mm，D=18mm，L=40mm。接头与感应器的铜管链接方式用焊接。感应器焊好后，接上水管以检查是否焊穿。5感应淬火零件的质量检验在生产过程中或使用过程中的感应淬火零件都可能出现断裂或其他形式失效，这时要进行分析，研究问题出现的原因，找出解决问题的办法。5.1表面硬度的硬度计检验感应淬火的汽车零件硬化层一般大于0.8mm，多使用洛氏硬度计的C标尺(HRC)进行检验:硬化层小于0.8mm零件，多使用表面洛氏硬度计和维氏硬度计进行检验，有时也用肖氏硬度计(HS)、里氏硬度计或超声硬度计进行检验。使用硬度计进行表面硬度检验时应注意以下事项:检验部位应有代表性，在工件的硬化区域内或能代表硬化区域硬度的其他部位均可。被检部位最好是平面，圆柱面和圆球面亦可。被检部位的表面质里原则上应等同于标准硬度块的表面质量，但在实际生产中是很难做到的，根据生产经验，感应淬火零件的检验部位的表面光洁度至少应该相当于粗磨后的光洁度水平，如光洁度不够必须用锉刀和砂纸将表面磨光。用硬度计对零件进行硬度检验时，应注意检验部位的选择，保证其压痕、磨痕不影响零件的最终质量。选取检验零件的原则。重要的感应淬火零件应该全部用硬度计或标准锉刀检验其表面硬度。5.2表面硬度的锉刀检验用锉刀检验钢铁零件的表面硬度操作简便、易于携带、不受工件形状的限制，可快速检验出零件各部位的表面硬度，并有较好的可靠性。被检件的硬度检验方法：被检件的准备；必须清除被检件表面的油污、锈斑、结疤等，被检件表面粗糙度尽量与标准试块表面粗糙度接近。清除被检件表面锈斑、结疤的过程，要防止由于研磨而造成明显宏观硬度变化。6 感应加热表面淬火所产生的缺陷防止方法6.1 缺陷种类 主要种类有5种，包括裂纹（淬火裂纹、回火裂纹、研磨裂纹）、熔化（过热熔化、接触熔化）、变形（变形过大、变形矫正不良）、硬度（硬度不均匀、硬化范围不够、硬化不足）、硬化层（硬化层深度不够）3。6.2 造成缺陷的原因 造成缺陷的原因有很多因素，单独一个因素的影响通常是很少的，几乎是由几个因素组合起来造成的。因此，应该从几个方面来探讨产生原因。6.2.1淬火裂纹及淬火后放置所生成的裂纹 这类缺陷产生的原因主要包括材质、形状（指几何形状不对称，厚度不均匀，尺寸相差悬殊等）、加热温度不均匀、淬火冷却不均匀（外表和内部淬火冷却不同时进行