1、南京工程學院教案【教學單元首頁】第 15 次課 授課學時 2 教案完成時間：2014.2章、節第七章 熱處理感應加熱裝置；7.1熱處理感應加熱裝置基本特點；7.2高頻和中頻感應加熱裝置；7.3感應加熱裝置的選擇；主要內容感應加熱原理；感應加熱特點；感應加熱裝置分類；高頻感應加熱裝置工作原理；高頻感應加熱裝置型號及命名方法；感應圈設計；感應圈制作流程。感應加熱裝置的選擇。目的與要求目的：學習感應加熱的基本原理特點、感應圈設計制作、感應加熱裝置基本結構與理論等方面的知識，為今后從事這方面工作奠定必要的理論基礎。要求：了解高頻感應加熱裝置的工作原理、中頻感應加熱裝置的結構、原理及調整，掌握感應加熱原

2、理、特點及感應圈的設計制作、感應加熱裝置選擇等方面的知識。重點與難點重點：感應加熱原理、特點、感應圈設計制作和感應加熱裝置的選擇。難點：高頻感應加熱裝置工作原理、中頻發電機感應加熱裝置結構組成及工作原理、電容器和匝比的選擇與調整教學方法與手段板書與多媒體教學結合。第七章 熱處理感應加熱裝置感應加熱設備是工程中最常用的工件表面熱處理加熱設備，在齒輪、氣缸等零件的表面處理中應用廣泛。7.1熱處理感應加熱裝置基本特點原理：在感應器（施感導體）通過交變電流時，在其周圍產生交變磁場，將工件放入交變磁場中，按電磁感應定律，工件內將產生感應電動勢和感應電流，感應電流做功，將工件加熱。一.感應加熱原理 感應器

3、同時加熱四個工件 立式感應加熱設備二.中、高頻電流特點1.集膚效應交變磁場在工件內產生的電動勢將在工件內產生閉合電流渦流渦流在工件橫截面上分布是不均勻的，由工件表面向心部呈指數規律衰減。假設：距離工件表面x處渦流的電流強度為Ix，則有：，式中I0為工件表面渦流的電流強度，C為光速，為工件材料電阻率，為工件材料磁導率，f為感應加熱電源頻率。Ix-x的曲線示意圖如圖所示。由圖可見：1）當交流電通過導體時，在導體表面的電流最大，越向內部電流密度越小，這種現象稱為集膚效應。2）由于電流密度主要集中于工件表面，因而表面加熱速度很快，而心部加熱速度較緩慢，因而可用于表面淬火加熱。3）電流頻率越高，集膚效應

4、越顯著。在加熱時間相同時，有效加熱深度越小，淬硬層越淺。1）兩根通有交流電的導體相距很近時，電流密度在導體內的分布將發生變化，在某個瞬間，當兩根導體內電流方向相反時，電流密度將集中在導體內側；當兩根導體內的電流方向相同時，電流密度將集中在導體外側，這種現象稱為鄰近效應。2）兩導體相距越近，導體內交變電流頻率越高，鄰近效應越顯著。3）感應熱處理時感應電流與外加電流方向相反，使加熱集中于工件表面。2.鄰近效應3.圓環效應1）交變電流通過環形導體時，電流在導體橫截面上的分布將發生變化，電流密度僅集中在圓環內側，這種現象稱為圓環效應。2）圓環曲率半徑越小，圓環效應越顯著。4.尖角效應感應圈與工件間距離

5、相同，但在工件尖角處加熱強度（速度）遠較其他光滑部位強烈，往往會造成過熱，這種效應稱為尖角效因。尖角效應由于磁力線易于集中在尖角處，感應渦流較大的緣故。7.2高頻和中頻感應加熱裝置一.感應加熱裝置分類按電流頻率分類：高頻感應加熱裝置（100-1000KHz），常用頻率范圍為200-300KHz；中頻感應加熱裝置（0.5-10KHz），常用頻率范圍為2.5和8.0KHz兩種；超音頻感應加熱裝置（10-100KHz），常用頻率范圍為30-40KHz；工頻感應加熱裝置，頻率為50Hz簡單倍數。按變頻方式分類：電子管變頻設備、機式變頻設備、半導體（可控硅）變頻設備和工頻設備。二.高頻感應加熱裝置工作原

6、理（補充）高頻感應加熱裝置也稱高頻爐或高頻機，是目前熱處理車間應用最多的一種表面淬火加熱設備，其實質是一個大功率變頻器，通過電子管振蕩器將工頻交流電變為大功率高頻交流電，故又稱電子管式高頻發生器。電子管式高頻感應加熱裝置工作原理可用下述方框說明：首先，高頻感應加熱裝置取得三相工頻380V電壓后，通過高壓變壓器升壓，將380V升高到數千伏甚至一萬伏以上；然后再由閘流管可控整流器整流成半壓至全壓范圍內連續可調的直流高壓，供給電子管振蕩器。電子管振蕩器將直流高壓電變換為200-300KHz的高頻高壓電；淬火變壓器將高頻高壓電變為能安全操作并符合加熱要求的高頻低壓大電流。變壓器低壓端直接接淬火感應圈，

7、放在感應圈內的工件作為振蕩器負載，當高頻電流流過感應圈時，感應圈內便產生強大高頻磁場，金屬工件感應產生渦流而發熱，在極短時間內被加熱到所需的溫度。穩壓器起穩定閘流管和振蕩管燈絲電壓的作用，以保證它們正常工作。控制電路的作用是使高頻操作嚴格按照程序進行，以確保設備和人身的安全。三.高頻感應加熱裝置型號及命名方法（補充）國產電子管式高頻感應加熱裝置型號命名方法為：YG-，YG表示高頻電源，第一個數字表示振蕩功率/KW，第二個數字表示振蕩頻率/KHz。老式命名法：GP-CR，GP表示高頻，第一個數字表示振蕩功率/KW；C表示淬火；R表示熔煉；第二個數字表示型號順序。例：GP60-CR11表示振蕩功率

8、為60KW，既可淬火又可熔煉的高頻感應加熱裝置；GP100-C3表示振蕩功率為100KW，專用于淬火的高頻感應加熱裝置。四.感應圈設計感應圈設計依據：1）工件形狀尺寸；2）熱處理技術要求；3）淬火機床精度；4）匯流排間距等。設計內容包括感應圈形狀、尺寸、圈數（單匝還是多雜）、感應圈與工件間的間隙、匯流排尺寸與連接方式、冷卻方式等。1.感應圈與工件間隙設計（P117-118）間隙大小直接影響感應圈功率因素。間隙小，功率因素高，電流透入深度淺，加熱速度快。選取間隙時應考慮：1）淬火機床精度，精度差間隙應取大些，因為間隙太小，工件易碰到感應圈打弧，導致感應圈損壞和工件報廢；2）設備功率：當設備功率大

9、時，間隙可適當取大一些，便于操作；3）淬硬層深度：淬硬層深度大時適當取大一些，以延長加熱時間，增大透熱深度。一般高頻感應加熱感應圈與工件間間隙在1-2mm左右。2.感應圈高度對長軸件進行局部一次性加熱時，感應圈高度為：H=L+(8-10)mm，L為淬硬區長度（mm）。對短軸零件進行局部一次性加熱時，感應圈高度為：H=L-2a，a為感應圈與工件間間隙。如果軸形零件淬硬區較長，可采用多圈感應器或移動連續加熱。3.冷卻水路設計為避免感應圈工作時發熱，需通冷卻水冷卻，且有些情況工件淬火也需直接噴水冷卻，因而要合理設計冷卻系統。冷卻水管尺寸與電流頻率、電流透入深度、加熱方式和散熱條件等有關，高頻感應圈通

10、常選壁厚0.5mm直徑5mm的紫銅管，噴水孔直徑通常在0.3-0.85mm左右，水壓為100-200KPa。4.匯流板的尺寸感應圈兩端與電源連接的部分稱為匯流板。匯流板間距在1.5-3mm之間，為防止接觸短路，中間塞入云母片或黃蠟布包扎好。其長度取決于工件形狀、尺寸、夾具等具體情況。五.感應圈制作流程（補充）1）采購感應圈原材料紫銅管（圓管或矩形管）2）制作感應圈芯模3）紫銅管退火4）繞制5）用黃銅焊條焊接冷卻水連接管6）通水檢驗水流是否流暢7）進行工藝試驗，確定間隙和高度選取是否合理六.中頻感應加熱裝置特點電流頻率通常為1000-8000Hz；適用于加熱深度深（3-16）mm、工件直徑大（2

11、0-500mm）的鋼鐵零件表面淬火，也可用于回火、正火、鍛坯透熱或熔煉金屬。中頻電源有種頻發電機和晶閘管中頻電源兩種。國產中頻發電機頻率有1000、2500、4000、8000Hz等四種規格。常見型號表示方法為：DGF-，其中D表示電控，G表示感應，F表示發電機；第一個方框字母表示用途，如C表示淬火，T表示透熱，R表示熔煉；第二第三方框數字表示額定功率；第四方框數字表示公稱頻率，1表示1000Hz，2表示2500Hz，3表示4000Hz，4表示8000Hz；第五方框表示序號。7.3感應加熱裝置選擇電流頻率和輸出功率是感應加熱裝置的兩個主要技術指標。選擇感應加熱裝置流程行：根據熱處理工藝要求確定

12、感應加熱工件所需電流頻率和功率根據電流頻率和功率選擇感應加熱裝置類型和型號。一. 感應加熱裝置電流頻率選擇依據1.淬硬層深度x：根據集膚效應，工程上規定，當Ix降至I0的1/e處的電流深度為電流透入深度用表示。在鋼鐵材料中，熱態電流透入深度比冷態電流透入深度大幾十倍，在800-900范圍內，=500/（mm），該式表明，加熱設備頻率f越小，電流透入深度越大，淬硬層深度x越深，因此，可根據x確定，然后根據確定f。2.選擇頻率時，還應考慮設備的通用性：一般應力求采用較低頻率，以實現深層加熱。但頻率也不能太低，因為隨著頻率降低，電流透入深度增大，能量損耗增大；同時頻率過低，通過感應器電流密度大，感應

13、圈冷卻要求高。一般認為x4x x216x2，即：。3.選擇頻率時還需考慮零件直徑：一般來說，零件直徑越大，要求的淬火層越深，使用頻率就應越低。當零件直徑D與電流透入深度之比D/10時，f25106/D2；當3.5D10時，f30106/D2。4.零件形狀對形狀復雜零件如齒輪，電流頻率很高時，電流集中于齒頂；電流頻率偏低時，電流集中于齒根或使整齒透熱。為獲得沿齒形輪廓的淬硬層分布，電流頻率常按齒輪模數估算，當比功率為1.5-2.0KW/cm2時，f最佳=6105/M2；當比功率為小于1.5KW/cm2時，f最佳=2.5105/M2，式中比功率指加熱零件單位面積所需功率，M為齒輪模數。凸輪軸感應加

14、熱最佳頻率與凸輪尖部曲率半徑有關，可用下式確定：f=3800/r2（r為凸輪尖部曲率半徑）。二.感應加熱裝置功率確定流程：由零件尺寸、加熱方式和比功率計算加熱工件所需總功率然后考慮功率預留和頻率要求查相關型號感應加熱裝置。1.感應加熱裝置各種功率概念直流輸入功率P0：陽極電壓和陽極電流乘積，即P0=EaIa0，對于GP100-Ga型的最大直流輸入功率Pmax=13.5KV12A=162KW額定輸出功率P1=aP0,a為陽極效率（或振蕩管效率），其值為0.6-0.8。若取a=0.65，則對于GP100-Ga，P1=0.65162KW=105.3KW，在100KW左右，與額定功率100KW一致。額

15、定輸出功率是感應加熱裝置重要技術指標，選擇感應加熱裝置功率就是指額定功率。負載吸收功率PL指額定輸出功率在振蕩器回路產生各種損耗后，最后傳輸到工件使工件加熱所消耗的電功率。PL=P1BMC，式中：B為淬火變壓器效率，其值為0.75-0.85，常取0.8；M為感應器電效率，其值為0.75-0.85，常取0.8；C為回路傳輸效率，常取0.9。對于GP100-Ga，用上式計算可得PL約為58KW。需說明的是，出廠說明書上所說的PL=80KW是在最佳狀態下用假想負載測得的數據，加熱實際工件時，不可能獲得這樣大的加熱功率。2.根據實際零件和加熱方式確定所需感應加熱裝置1）加熱零件單位表面功率確定零件單位

16、表面功率又稱比功率，指被加熱零件單位面積上所需功率。比功率是計算零件總功率，進而選擇感應加熱裝置時最基本依據。比功率與淬硬層深度、零件大小、加熱時間、電流效率、加熱方式等有關。比功率大小直接影響加熱速度快慢，比功率越大，加熱越快，淬硬層越深。準確確定比功率很困難，生產上常采用近似估算、查圖表或取經驗數據等方法確定。對于中頻一次淬火常取0.8-1.5KW/cm2，中頻連續淬火常取2-3.5KW/cm2；對于高頻一次淬火常取0.8-2.0KW/cm2，高頻連續淬火常取2-3.5 KW/cm2。一般來講，零件淬火面積越小或零件尺寸越小、形狀越簡單、使用頻率越低、淬火層要求較淺、材料原始組織較細密、材

17、料為中碳鋼或中碳低合金鋼時，比功率取上限，以獲得較快的加熱速度和在較短時間內獲得較薄淬火層。反之則取下限。2）零件加熱所需功率一次淬火總功率PL為比功率Pb與一次淬火面積S的乘積，即PL=PbS。連續淬火總功率PL=DhPb，式中D為零件直徑，h感應圈高度。因為h=kv，式中k為加熱時間，v為零件與感應圈相對運動速度。因此，PL=DkvPb3）感應加熱裝置額定輸出功率P1=PL/BMC考慮預留必要的功率余量，然后查有關頻率范圍內感應加熱裝置規格，選取滿足輸出功率要求的型號。例：有一直徑為40mm的中碳鋼零件，要求表面淬火層深度為0.5mm，其感應加熱最佳頻率是多少？若進行連續淬火，感應圈高度為

18、1cm，問應選用何種類型設備為宜？解：由題意，x=0.5mm，當=2x=1mm時，頻率為最佳頻率，故f最佳=250000/2=250KHz。 零件加熱所需總功率PL=Dh Pb=3.14412=25.12KW；取B=0.8，M=0.8，C=0.9，感應加熱裝置輸出功率P1=25.12/0.80.80.9=43.6KW；考慮25%的功率儲備，得感應加熱裝置輸出功率為54.5KW，根據54.5KW和250KHz，可選用GP-60高頻感應加熱裝置。本章小結1.簡述感應加熱原理。原理：在感應器（施感導體）通過交變電流時，在其周圍產生交變磁場，將工件放入交變磁場中，按電磁感應定律，工件內將產生感應電動勢

19、和感應電流，感應電流做功，將工件加熱。2.中高頻電流有何特點？1.集膚效應2.鄰近效應3.圓環效應4.尖角效應3.什么是中高頻電流的集膚效應？渦流從表面到心部按什么規律衰減？電流頻率對集膚效應有何影響？當交流電通過導體時，在導體表面的電流最大，越向內部電流密度越小，這種現象稱為集膚效應。工件表面向心部呈指數規律衰減。電流頻率越高，集膚效應越顯著。4.什么是鄰近效應？導體之間的距離和電流頻率對鄰近效應有何影響？兩根通有交流電的導體相距很近時，電流密度在導體內的分布將發生變化，在某個瞬間，當兩根導體內電流方向相反時，電流密度將集中在導體內側；當兩根導體內的電流方向相同時，電流密度將集中在導體外側，這種現象稱為鄰近效應。兩導體相距越近，導體內交變電流頻率越高，鄰近效應越顯著。5.什么是圓環效應？曲率半徑對圓環效應有何影響？交變電流通過環形導體時，電流在導體橫截面上的分布將發生變化，電流密度僅集中在圓環內側，這種現象稱為圓環效應。圓環曲率半徑越小，圓環效應越顯著。6.什么是尖角效應？感應圈與工件間距離相同，但在工件尖角處加熱強度（速度）遠較其他光滑部位強烈，往往會造成過熱，這種效應稱為尖角效應。7.按電流頻率不同，