感应加热淬火设备.ppt
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1、感应加热淬火设备,2,01,02,03,感应加热淬火设备简介,感应加热淬火设备技术,感应加热淬火设备案例,目 录/contents,3,感应加热淬火设备简述,Click here to add your title,4,感应淬火设备是利用电磁感应、集肤效应、涡流和电阻热等电磁原理,使工件表层快速加热,并快速冷却的热处理工艺。是将工件放在铜管制成的感应器内,当一定频率的交流电通过感应器时,处于交变磁场中的工件产生感应电流,由于集肤效应和涡流的作用工件表层的高密度交流电产生的电阻热,迅速加热工件表层,很快达到淬火温度,随即喷水冷却,工件表层被淬硬。,感应加热淬火设备简介,5,感应加热时,工件截面上
2、感应电流的分布状态与电流频率有关。电流频率越高,集肤效应越强,感应电流集中的表层就越薄,这样加热层深度与淬硬深度也就越薄。淬硬度根据客户的要求,可通过调节电流频率来获得不同的淬硬层深度。中频淬火,就是将金属放在一个通有交流电而产生交变磁场的感应线圈内,使金属件内感应出交流电,由于趋肤效应,电流主要集中在金属表面,所以表面的温度最高,在感应线圈下面紧跟着喷水冷却或其他冷却,由于感应加热及冷却主要集中在金属件表面,所以表面改性很明显,而内部改性基本没有,可以有很特殊的热处理效果。,6,中频感应淬火设备主要由中频电源、淬火控制设备(包括感应器)和淬火机床三部分组成。感应淬火方法是现代机器制造工业中的
3、一种主要的表面淬火方法,具有质量好、速度快、氧化少、成本低、劳动条件好和易于实现机械化、自动化等一系列优点。根据工件的大小和淬硬层的深浅来确定合适的电源功率和频率(可以是工频、中频和高频)。感应器的形状和尺寸主要取决于工件外形和淬火工艺的要求。淬火机床也随工件的大小、形状和淬火工艺要求而有多种多样。对成批生产的零件,特别是在自动化生产线上,多采用专用机床。一般中、小工厂,由于工件批量多,数量少,多使用通用淬火机床。,7,特殊水冷系统降低了功耗,完善的保护措施保证设备在各种情况下安全连续运行。同时,采用多丝扭绞电缆做感应加热电源与感应加热器之间的电气连接线,降低了线路的交流损耗。感应加热装置的效
4、率比火焰炉高60%以上,比电阻炉高50%以上,比其他采用可控硅控制的感应加热装置高30%以上,具有明显的节能效果,市场前景广阔。感应加热淬火设备采用理性化人机界面,PLC、工控机全自动控制,达到国内同行业领先水平,并得到煤矿设备专管部门的好评、推广。,8,9,感应加热淬火设备采用高精度非接触红外线测温仪,并具有淬火及回火温度闭环控制自动调节功能,确保了产品质量的稳定性。感应加热淬火设备组成结构一、电源部分频率在超音频频段(2030)KHZ之间加热电源可用全固态IGBT超音频感应加热电源,全固态电源由于其设备占地小节水性能好,整机效率高,输出电压安全系数高等诸多优点。二、机械部分机械控制采用可编
5、程序控制器(PLC)控制,控制度高,动作准确,加热方式采用旋转行进增加了杆身温度的均匀性。,10,感应加热淬火设备与电阻加热、燃油加热、燃气加热相比较,具有高效、节能、环保、安全、加热速度快、可控性强等优势,可广泛应用于金属热处理、透热、熔炼、焊接等方面,并已渗透到工业冶金、机械制造、石油、化工、电子、交通、通信以及民用、商用电磁感应加热等各个领域。该感应加热装置采用了IGBT作为功率器件,DSP全数字式精确控制,在任何情况下保证了IGBT工作在ZCS开关状态。其数字锁相环技术,自动跟踪谐振频率,保证了产品的最优效率。,11,感应加热淬火设备显著优点:1、与传统加热手段相比较(油、煤、气),具
6、有环保、节能、操作方便、劳动强度低的显著优点;2、与可控硅中频相比较节能10%30%,对电网没有谐波干扰;3、与电阻炉相比较节能50%60%;4、对客户产品具有加热快、受热均匀、无氧化层、产品质量好等优点;5、感应器由变压器隔离,非常安全。6、环保:没有污染、噪声和粉尘。7、适应性强:能加热各种形状不同的工件。8、设备占地小,不足两平方米,方便客户最大限度利用生产空间。,12,感应加热淬火设备自动化程度高,可实现全自动无人操作选用自动上料和自动出料分检装置,再配上我公司的专用控制软件,可实现全自动无人操作。感应加热淬火设备的突出特点:1、采用IGBT为主器件、全桥逆变。2、100%负载持续率设
7、计,可连续工作。3、保护功能完善,可靠性高。4、可远控和配接红外测温,实现温度的自动控制,提高加热质量和简化工人操作。5、取代氧炔焰、焦碳炉、盐浴炉、煤气炉、油炉等加热方式。6、采用频率自动跟踪及多路闭环控制7、安装简单,操作方便。,13,中频感应淬火设备的应用,具体如下:1.各种五金工具、手工具。如钳子、扳手、锤子、斧头、旋具、剪刀(园艺剪)等的淬火;2.各种汽车、摩托车配件。如曲轴、连杆、活塞销、链轮、铝轮、气门、摇臂轴、传动半轴、小轴、拔插等的淬火;3.各种电动工具。如齿轮、轴心;4.机床行业类。如机床床面、机床导轨等的淬火;5.各种五金金属零件、机械加工零件。如轴类、齿轮、链轮、凸轮、
8、夹头、夹具等的淬火;6.五金模具行业。如小型模具、磨具附件、模具内孔等的淬火;,14,我国20世纪50年代首先在汽车工业中开始使用感应热处理技术与装备。进入80年代以来,特别是近20年来随着汽车工业的迅速发展,我国采用感应热处理零件的种类和品种不断增加。以商用车为例,感应淬火零件数量达到100多种,占全部热处理零件数量的70%左右,我国感应热处理技术水平已接近或达到国际先进水平。目前,大功率电源在国内已经实现工业化生产,质量稳定,价格仅为进口电源的1/31/2,国产淬火用SCR电源可以做到2000kW;新型IGBT电源工作频率范围宽,负载适应性强,电效率高,工艺调整非常方便,频率范围覆盖110
9、0kHz,功率达到1000kW,可以取代进口,并已实现部分出口。,15,感应加热淬火设备具有稳定,可靠和节能环保的优点,保证了流水作业的铸造锻造及热处理生产线工作的正常运行,节能了企业工作生产的投资。总体而言,我国感应热处理技术水平和先进国家相比,还存在一定的差距,例如在淬火机床的数控技术、计算机技术及精密机械传动技术的应用;在电源方面的高质量、高可靠性的功率元件的开发;精密感应器的制造技术等。随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源高可靠性要求的提高,必须加强加热工艺成套装置的开发。同时感应加热系统正向智能化控制方向发展,具有计算机智能接口、远程控制和故障自动诊断等控制性能的感应加热电源系统
10、正成为下一代的发展目标。,16,用于普通工件的感应加热电源控制系统示意图,17,感应加热淬火设备技术,Click here to add your title,18,19,感应加热工艺是感应加热技术水平的主要体现,先进的感应加热技术可以有效发挥感应加热的特点,实现高效、节能的局部热处理。目前汽车零件感应淬火用材料较多,包括35钢、45钢、40Cr、55MnVS、40MnB、42CrMo、ZG45、球墨铸铁及合金铸铁等。所采用加热淬火方式及应用众多,例如销轴及凸轮轴横向磁场静止一次加热淬火;减振器杆、扭杆和变速差轴等横向磁场连续加热淬火;起动机轴及空压机轴等横向磁场多段连续加热淬火;半轴等纵向磁
11、场整体一次加热淬火;输出法兰内孔及钟型壳内腔的一次及连续加热淬火;转向齿条感应接触加热淬火;阶梯轴类转向节及轿车后轮毂轴的旋转加热淬火;平面类钢板弹簧横向限位板的一次及连续加热淬火;薄壁类滑动轴叉及前轮毂的一次及连续加热淬火;复杂形状钟形壳变截面轴的一次加热淬火等。,20,在汽车齿轮感应热处理方面,基于生产效率的考虑和汽车齿轮零件的特点,我国主要采用整体感应加热淬火设备工艺,即单频加热淬火和双频加热淬火。汽车齿轮感应淬火应用最普遍的是发动机飞轮齿圈。东风汽车公司已经在一些变速器齿轮实现感应淬火,用价格便宜的中碳合金钢代替价格高的渗碳齿轮钢,取得了良好的经济效益。,21,现在,最具先进与代表性的
12、德国eldec的SDF同步双频感应加热设备与工艺,是具有节能、降耗和绿色生产的表面热处理设备与工艺,并可以获得最小的热处理变形及沿齿廓均匀分布的硬化层,从而达到最佳的热处理质量。目前已广泛应用于汽车(如汽车CV接头、驱动轴、转向器装置、螺旋伞齿轮及从动行星轮等)及航空工业领域类似齿轮等复杂表面工件的热处理,在德国宝马汽车、大众汽车及美国波音飞机制造公司等也得到应用。该项工艺与装备将成为感应加热淬火设备的趋势之一。图6为eldec公司模块化感应加热淬火设备设备。,22,为了适应多品种的批量生产,在汽车零部件生产应用中,我国引进及国内研发的感应淬火机床种类,由传统的专用设备逐步向柔性化程度较高的通
13、用设备和专用淬火自动生产线发展,并且采用了CNC数控技术,应用了FANUC、SIEMENS等控制系统。一汽和东风汽车公司研制成功了多台套大型的感应淬火成套设备(生产线),达到了国际先进水平。一汽技术中心开发的卧式数控淬火机床,由主驱动交流伺服电动机拖动,移动速度稳定均匀,定位准确,重复精度高;零件旋转采用变频调速系统,能够适应多方面工艺要求;采用能量和数控技术对不同性能要求零件感应淬火,甚至在同一零件上实现多段变功变速,编程容易,可操作性强。,23,全自动曲轴淬火成套设备,采用功率分配、薄型淬火变压器、独立悬挂、缓冲进给、旋转准停等新技术,具有设备监控、故障诊断、参数记录及零件返修等功能。另外
14、还设计了模拟控制面板,操作者可以通过鼠标或键盘控制机床动作。该设备根据需要同时悬挂三套以上的薄型变压器感应器单元,工作过程中不需要更换感应器。工作时只要将曲轴放在机床上料位,设备即可自动完成全部淬火加工,不需要人工操作。目前,大功率电源在国内已经实现工业化生产,质量稳定,价格仅为进口电源的1/31/2,国产淬火用SCR电源可以做到2000kW;新型IGBT电源工作频率范围宽,负载适应性强,电效率高,工艺调整非常方便,频率范围覆盖1100kHz,功率达到1000kW,可以取代进口,并已实现部分出口。,24,要获得良好的感应加热效果,需要制定正确的工艺。结果成功与否,取决于电流频率、单位表面功率及
15、输入功率、加热温度、加热速度、加热方法、感应器结构及尺寸等工艺参数的选择,缺一不可。为提高感应加热的效率,减少漏磁损失,感应器与工件表面的间隙要尽量减小,所以加厚机热处理和芯棒热处理等应用会有不同规格感应炉的情况。对于维护过程中需要提醒的是感应器除了要水冷外,需要有足够的机械强度和使用寿命,因为中频电源感应器和工件之间有电磁力的作用,电流越大,电磁力越大。例如,平面加热时,感应器与工件间会产生一个推力,镶嵌导磁体后其之间将产生一个吸力,如感应器强度不够,可能引起感应器变形或损坏。这种情况曾在HFW焊管线中频线圈上得以体现,其部分导磁体会有脱落现象,有时线圈会产生直度变形。,25,由于电源设备的
16、频率不能任意调节,电流频率的透入深度不能根据硬化层深度的要求来随意选择。为了保证得到所要求的硬化层深度,在频率一定的条件下,就形成了透入式加热和传导式加热。频率的选择一般以前者考虑。当所要求的硬化层深度大于现有电源设备频率所能达到的电流透入深度时,在保证表面不过热的前提下,通常采取如下方法:降低工件单位表面的输入功率,延长加热时间。在加热大规格芯棒时,操作工就往往减少芯棒的输送速度,以此延长加热时间。增大工件与感应器间的间隙,延长加热时间,或在同时加热时采用间断加热法,以增加热传导时间。这种间断加热方式在现场的手动加热中也时有发生。,26,工件在感应加热前,在感应器中进行预热,如加厚机感应炉的
17、应用。连续加热时,采用双匝或多匝感应器。钻杆焊缝热处理线正火和回火中频电源使用多匝感应线圈连续加热。负载并联谐振和串联谐振电源的特点中频和高频感应加热电源使用到了负载并联谐振和串联谐振两种谐振模式,现国内外顶尖电源技术都已应用在宝钢各生产线上了。通过应用比较可知:并联型电源的特点:可控整流;平波电抗器为负载提供直流电源;逆变负载为并联型结构;谐振工作状态时等效阻抗达到最大值。,27,串联型电源的特点:二极管整流;直流滤波电容为逆变负载提供直流电源;逆变负载为串联型结构;谐振工作状态时阻抗为最小值;如IGBT 在串联结构中的应用,可简化主回路,设备整体效率出色,使电源抗短路开路能力增强。感应加热
18、电源的应用日趋广泛,近十几年来得到迅猛发展。其功率和频率越来越高,控制技术不断数字化,系统可靠性也在不断提高,而电源装置的内部也趋向于紧凑化和模块化结构。现在SCR、IGBT、MOSFET全固态晶体管电源已达几十种,产品规格齐全,体积小,电能转换效率可达92%,功率、频率可以覆盖整个感应加热的领域。近年来还发展了气体保护状态下,用感应加热机械工件表面沉积新材料和感应堆焊。感应加热技术包含了材料、金属热处理、机械、电气、电磁、电子、计算机应用等多个学科,是一项多学科综合应用技术。,28,首条2500KW用于棒料连续加热热处理生产线,并应用于生产,节能效果明显。多年来,工厂一直致力于设备的可靠性与
19、节能性研究,且大功率设备的制造呈上升趋势,工厂严格按照国家电热设备行业的标准要求,从产品的设计到生产工艺过程进行全面控制和检查;特别是电气元件,均采用国内著名厂商的优质产品,确保设备的质量和寿命。棒料连续加热热处理生产线优点:1、省电。采用开关器件的半轴淬火设备其省电量比电子管式省电30%,比可控硅中频省钱20%。2、性能稳定,保护齐全,无后顾之忧,机器不会无缘无故的罢工,保证工作的效率和工作的进步。使用连续加热热轧炉对钢板横向磁通感应加热连续退火:钢板边的加热可以使用感应器的端头伸出钢板的边缘而得到加热,或把感应器的端头缩进钢板的边缘内而使钢板边缘加热不足,用此方法来调整钢板两个边的加热温度
20、.在退火生产线上感应器的台数决定于钢板移动速度与生产率。,29,随着人们生活水平的提高,对于生活质量也有新的要求。同样的对轴类零件也具有了新的要求,耐磨、漂亮的零件更加的受到消费者的认可,调质处理无疑是一种较为理想的处理方式。调质的方式有多种,其中电阻炉加热方式的传统调质处理是最常见的,但电阻炉加热也存在弊端。而采用感应加热方式的调质处理在国内不多见,但因其环保、节能性好的优点,在国外已得到了较为广泛的应用。一、台车炉调质现状 为经台车炉调质后的长杆类零件,可明显看到表面大量的花斑状氧化皮。图2可见长杆类零件调质后严重的“S”变形与“麻花”变形。氧化脱碳多不仅造成材料的浪费,更是带来了一系列问
21、题:一方面淬火水槽因为大量的粉末状氧化铁皮(见图3),需要定期将水槽中的水抽干清理出氧化铁皮。氧化铁皮过多容易导致水泵堵塞和水流速度减缓,降低淬火效果;另一方面由于材料氧化脱碳,需要在粗加工时增加加工余量,无形之中增加车削环节的工作量。,30,台车炉调质后拉杆变形的问题更是长期困扰热处理企业的一大难题。如图2 的变形量,校直工人需要对拉杆多点反复进行校直才能达到规定的直线度要求。由于第一次变形量大,有些轴杆零件在第一次校直去应力后,往往会反弹。需要进行二次校直和去应力,浪费大量的人力和物力。我们在车间实地跟踪记录的长杆类零件调质后变形及去应力次数数据。跟踪的总根数为13根,调质后所有拉杆均需校
22、直,经第一次校直后去应力成功的只有4根,第二次校直去应力的到达9根之多。虽然经过技术人员不断的努力改进,变形的现象在2013年下半年有较大改观,然而由于受条件限制,在淬火冷却环节发生的不可避免的组织转变不均性叠加一起,势必造成变形的不可控性,呈无规律分布,难以彻底根除。与此同时,由于台车炉密封性能差,工作在台车炉中加热和保温时间长,氧化脱碳的情况较为严重。为减少氧化脱碳,常用的方法是在加热过程中使用保护N2等气氛。但在每月24h*30d的不间断生产情况下,加N2保护气氛会导致成本非常高昂以及实际换气操作的复杂。再加上台车炉需要不断进出炉,导致每次进出炉均需要重新加保护气氛,既影响生产效率,又消
23、耗大量的N2.,31,二、感应加热技术应用于调质处理的理论可行性感应热处理是利用电磁感应的方法使得被加热工件内部产生涡流,依靠这些涡流的能量达到加热目的,在进行保温、冷却的热处理方法。一直以来在表面处理领域被广泛应用。感应加热的主要依据是:电磁感应、趋肤效应和热传导三项基本原理。感应加热时,工件中电流强度自表面向心部呈指数规律衰减,这也是为什么感应淬火时工件表面瞬间能到达高温,而心部仍然处于低温状态的原因。频率越高,此现象越明显。当加热层深度为热态电流透入深度的40%到50%时,加热的总效率最高。若想实现感应加热调质,那么透热深度需达到轴类件的全截面,即零件全透热,从以上公式明显可看出设备频率
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