折弯刀的感应加热淬火

江西省新余市职业教育中心 （338029） 陈 莉

江西省新余市长林集团长林机器公司 （338029） 钟翔山 钟礼耀

图1所示折弯刀是折弯机上用于板料折弯的工作部件，工作时承受冲击、摩擦和局部刻划等作用，工作条件较为苛刻。要求其具有足够的强度和韧性，模口部位还应有足够硬度。设计选材为T8A，整体调质250～280HBW，模口淬火硬度48～52HRC。通过热处理试制、总结、提高，已满意实现模口部位的表面淬火，满足了设计要求。

图1 折弯刀结构

1.生产流程

此折弯刀组件由4件组配成一直线使用，全长达3200mm，精度要求很高，生产工艺流程相应比较复杂：毛坯锻造（退火）→粗加工→调质→半精加工→回火→精加工→高频淬火→配组半精磨（打配组号）→时效→氧化→配组精磨→油封。

2.感应淬火方案确定

（1）零件结构对感应加热淬火的影响 由于功能需要，需高频淬火的模口部位断面尺寸变化大，呈尖角状（模口夹角为88°，过渡半径0.5mm），这种形状对于高频淬火是极为不利的。首先，在加热时易受尖角效应影响，以及涡流密度过分集中、升温太高而出现过热过烧，而在随后的冷却时尖角处又由于热容量小，散热面大，冷却最为激烈，极易冷却太快而出现不测，尖角处于加热、冷却双重危险状态。

再者，零件由于4件组装使用，要求理想衔接，4件间相关尺寸精度在0.02mm之内，高频处理后要留足相当的磨削余量，使感应加热淬火深度大大增加，又增加了高频淬火的困难。250kHz周高频电在钢中的透入深度在840℃时只有0.7mm，因此不能使用透入式加热（整个加热深度靠涡流直接加热到温），而只能主要用传导式加热（涡流层产生的热量以传导方式导入深部而加热到温），使用较低的比功率，用较长的时间加热以增加淬火深度，这将增加控制的困难。

第三，淬火部位长达800mm，且极不对称地分布在零件的一侧，造成零件淬火变形过大。

第四，零件淬火部位要求硬度均匀，两端部不允许存在过渡区，增加了淬火难度。

（2）淬火方案的具体确定 根据零件特点，用连续加热淬火，感应器固定不动，零件固定在轨道小车上，水平方向沿轴线移动，采取压住感应器的办法来微调感应器与零件间距离，从而有利于简化夹具结构，降低精度，节约成本，同时喷液冷却的时间也较好掌握，达到控制上的一致性。

淬火部位呈尖角式，为减轻其不利影响，结合磨削留量，把尖角部位加工成2mm宽的平面状，以进行形状、质量补偿，全面改善工艺性能。

由于采用连续淬火，油冷比较困难，故采用水冷。考虑到直接用冷水，零件仍有淬裂的危险，故使用温水以降低冷速。用感应器冷却水来冷却零件，控制感应器水量及感应器出水皮管高度，便可方便地控制淬火冷却水的水温和水量。其系统如图2所示。

图2 感应器结构

3.感应器结构设计

感应加热，感应器是关键之一，要求感应加热损耗少，效率高，加热温度均匀。感应器设计的好坏对淬火质量起着决定性作用。

试制阶段，套用传统的平面状表面淬火感应器——双回线型平面感应器。并按机床导轨淬火那样相应弯成一个角度。由于其电流方向与零件轴线垂直，称之为“横式感应器”，其结构和感生涡流如图3所示。

图3 横式感应器结构及感生涡流示意

用“横式感应器”加热，模口受感应面积很小，在比功率相同的情况下，总功率提不高，供能有限，淬火速度极慢；为提高生产率，势必加大比功率，从而加大加热层的温度梯度，造成表层温度过高，出现过热过烧、淬裂现象；尖角区一直处在感应区域内，尖角效应仍然严重，曾考虑用调整间隙的办法来改善，但因空间位置太小，感应器极难在如此小尺寸范围内做成如此形状突变。即使做成了，零件受感面积还得大减，淬火速度会更慢，甚至无法加热到指定温度；这类感应器加热零件时，由于涡流分布于特征两导体之间，必然存在一个低温区，使加热始末两头留下一个不允许存在的软带。

综合吸收双回线矩形感应器和单齿淬火感应器的优点设计成所谓“纵式感应器”。其感生涡流如图4所示。“纵式感应器”电流方向与零件移动方向相平行，从根本上解决了上模的加热问题。

图4 纵式感应器感生涡流示意

用“纵式感应器”加热，零件处于感应器有效圈内侧，此时高频电的临近效应与圆环效应相一致，感应器的效率最高，可达85%；尖角区正好处于两导体间中点附近，磁场基本抵消，涡流很小，较好地避免了尖角效应，该处加热主要靠两侧面涡流热场扩散传导来完成，受热缓和；感应器纵向放置，避免了“横式”受感面积受横截面尺寸限制的困难，适当加长有效长度后受感面积可成十倍地增加，也即加热能量可成十倍加大；加长感应器后，即使移动速度加快也能保证零件在感应器下能有足够长的加热时间，这对传导式加热来说是至关重要的；感应器的各个断面上磁场分布是一致的，受感零件各个断面上的磁场温度也一致，不会出现“横式”感应器中的始末软带现象。

由上面分析比较看出，“纵式”感应器比“横式”有更多优点。经此改进后：单件加热淬火时间（走完800mm）由18min减短为2min；尖角淬裂比率由65：17下降为262：0；淬火层深度从0.4～3.0mm极度不均匀提高到稳定于2.25～2.75mm；淬火层金相组织也从经常严重过热改善为稳定在4～6级。

改进感应器设计后得到了完全满意的结果，其工艺参数为：淬火温度830～840℃；零件移动速度1.5～2.0min/800mm；阳极电压10kV，阳极电流1A，栅极电流0.18A。

4.零件变形及解决措施

此零件试制生产中，变形是另一个十分突出的问题。淬火以后，发现零件在厚度、宽度两个方向均有较大变形。在厚度方向凹槽面中间凹陷一般为0.4mm左右，极限值曾达0.8mm；在宽度方向，淬火面两头上挠，中间下陷成马鞍形，一般下陷0.75mm左右，极限值曾达1.2mm。变形方向如图5所示。

图5 变形方向示意

高频感应加热淬火变形要小些，由于淬火层相对来说较浅，组织变化引起的组织应力相对也居次要，引起变形的主要原因是热应力（淬火前已有去应力回火工序，机加工残留应力已大部分消除）。

当高频淬火时，只加热上表层后从上侧急冷，由于下部刚度强，塑性变形抗力大，因此下侧不发生纵弯曲，其结果是受急冷的一面发生收缩，产生如图6所示的中部凹陷变形。类似的单面感应加热淬火的工件，如机床导轨类零件均发生这种变形。

图6 零件变形原理

由于此模具几何形状不对称，淬火部位又处于最不对称的边角上。从图5分析可知，设淬火部位拉应力中心为A，中性轴为O，应力作用中心点A既不通过厚度方向的中性面X—X，也不通过宽度方向的中性面Y—Y。在厚度方向出现应力弯矩σmax×b（b为折弯刀厚度方向的力臂），在宽度方面出现应力弯矩σmax×a（a为折弯刀宽度方向的力臂），作用的结果使厚度凹陷面中间下陷，宽度淬火面中间下陷，呈双马鞍形。由于a远大于b，故宽度方向变形也大，这都符合实际情况，是该零件变形过大的主要原因。

为了消除或减少变形，在淬硬的前题下，曾经尝试适当降低淬火温度，提高水温以减缓冷却速度的办法，感应器出水温度尽量控制得高一些，可减少一部分变形。根据机床导轨变形的经验介绍：在淬火前预先对淬火面施以正火或高温回火（感应加热），使淬火面先上凸，淬火后补偿大部分变形，但试验发现，凹陷情况虽有好转（宽度方向可减少凹陷0.08～0.1mm），但距要求甚远。

根据对称原理，既然此种变形是不对称的热应力造成的，那么在其相应的反面同样施以热应力，让其相互抵消或大部分抵消，也就可以消除或减少变形。如果在对称面上与淬火面同时淬火，则应力可平衡补偿而不致发生变形。如果在淬火后于对称面上加热、冷却，则会发生反向变形而补偿淬火变形。由于后者比较容易掌握，且不致使非淬火部位淬上火，故选择了后者。

具体做法是：淬火后的折弯刀先经回火，然后在与刀口相对的面上感应加热，温度控制在600℃左右，同时水冷。利用其收缩产生的拉应力，一次处理可使凹陷减少0.5～0.6mm，平直度纠正到0.3mm范围之内。个别变形较大，一次处理不合格者可施以二次处理，且中间过程一定要经过去应力回火，否则效果不大。厚度方向的不平也可通过冷压校正来消除。0.3mm以内的凹陷变形，通过组合配套（4件）的磨削同时除去。淬火变形解决后，生产线全部畅通，折弯刀的加工质量得到全面保证。