轴类零件中频淬火参数如何快速确定？
轴类零件中*具代表性的是滚珠丝杠，它的螺纹滚道部分热处理一般采用中频淬火，中频淬火的质量决定了滚珠丝杠在以后使用过程中的服役质量。在实际生产中曾发生过有几批滚珠丝杠在热处理中频淬火后，不小心掉在地上，丝杠甩断成几截，经过淬硬层深检测，丝杠已被完全淬透，造成零件报废。
为吸取造成质量事故的教训，我们调整了中频淬火的参数，结果其淬硬层深度又太浅，仍然没有达到需要的淬硬层深度，这样的丝杠在以后的服役过程中会严重影响其使用精度，同样也会产生严重的质量问题。为此，“如何合理的确定中频淬火参数以保证丝杠的热处理质量”就成了我们必须解决的问题。通过试验、计算、验证，我们找到了一种快速确定丝杠等轴类零件中频淬火参数的经验公式，并在生产实践中得到了很好的验证，为中频淬火工艺编制和实际操作带来了方便。
1.理论依据
感应加热是利用电磁感应的原理，使工件表面产生涡流而被加热。当感应器中流过交变电流时，其周围就要产生同样频率的交变磁场，工件中将产生与感应器频率相同而方向相反的感应电流——涡流，当感应器和工件的形状、尺寸以及相对位置固定时，涡流的大小与感应器中的电流的频率成正比。涡流因工件的电阻而转换成热能，将工件加热。根据焦耳-楞次定律，涡流产生的热量可用式（1）计算：
Q=0.24I2Rt (卡) （1）
式中 I——感应电流（A）；
R——工件电阻（Ω）；
t——加热时间（s）。
感应加热具有表面效应、邻近效应和环流效应的特点。当交变电流流过导体时，电流沿导体的截面分布是不均匀的，导体表面电流密度*大，中心的电流密度*小。一般规定从表面到电流为I/e（e=2.718）处的深度为电流透入深度δ，电流在δ薄层内产生的热量为全部电流的85%以上，由于工件的淬硬层深与电流透入深度δ很接近，因而可以将电流透入深度近似的看成工件的淬硬层深。
2.试验方法
试验材料选用滚珠丝杠的常用材料GCr15，经调质处理28～32HRC后，分别制成与滚珠丝杠外径规格相同的试棒，然后在KGPS100中频淬火机床上进行中频淬火，淬火后在试棒中段用线切割割取约30mm长的试块，将截面用砂纸磨光后，在HR-150A洛氏硬度计上进行硬度检测，检硬度时由外表面沿径向向里进行，并根据半马氏体的硬度（GCr15钢半马氏体硬度约为55HRC）处距外表面的距离确定出淬硬层深度。试样规格与编号见表1。
表1 滚珠丝杠与相应试棒规格及试棒编号
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试棒编号
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1
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2
|
3
|
4
|
5
|
6
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|
试棒规格/mm
|
Ф28×500
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Ф32×500
|
Ф40×500
|
|
滚珠丝杠规格
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GQ28×4
|
GQ32×4
|
GQ40×6
|
|
要求淬硬层深/mm
|
2.0～3.5
|
2.0～3.5
|
3.0～4.5
|
3.试验结果与分析
中频淬火试验结果如表2所示。
表2 硬度与其距试棒外表面的距离
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试棒
编号
|
试 验 结 果
|
淬硬层深
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|
1
|
硬度(HRC)
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60
|
61
|
55.5
|
43
|
33
|
30
|
|
|
距外表面距离/mm
|
1.2
|
2.3
|
3.6
|
4.7
|
6.0
|
7.0
|
3.5
|
|
2
|
硬度(HRC)
|
64
|
65
|
65.5
|
64
|
56
|
31
|
|
|
距外表面距离/mm
|
0.6
|
1.8
|
3.1
|
3.9
|
4.6
|
5.8
|
4.6
|
|
3
|
硬度(HRC)
|
60.5
|
62
|
60.5
|
55
|
43
|
31
|
|
|
距外表面距离(mm)
|
1.0
|
1.9
|
2.7
|
3.6
|
4.4
|
5.6
|
3.6
|
|
4
|
硬度(HRC)
|
63
|
63.5
|
59.5
|
57
|
44
|
33
|
|
|
距外表面距离/mm
|
0.5
|
1.6
|
2.5
|
3.4
|
4.2
|
5.4
|
3.5
|
|
5
|
硬度(HRC)
|
64
|
64
|
57.5
|
52
|
38
|
31
|
|
|
距外表面距离/mm
|
0.6
|
1.5
|
2.6
|
3.3
|
4.5
|
5.7
|
2.8
|
|
6
|
硬度(HRC)
|
63
|
62.5
|
61
|
58
|
49
|
34
|
|
|
距外表面距离/mm
|
0.8
|
1.4
|
2.3
|
3.1
|
4.4
|
5.5
|
3.4
|
中频淬火主要参数见表3。
表3 中频淬火主要参数情况
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试棒编号
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
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|
直流电压/V
|
500
|
500
|
500
|
500
|
500
|
500
|
|
直流电流/A
|
110
|
110
|
140
|
135
|
165
|
165
|
|
试棒下降速度/mm·min-1
|
120
|
100
|
175
|
180
|
180
|
135
|
注：其他电气参数基本不变，频率波动较小，可以忽略其影响。
（1）硬化层深与零件下降速度的关系
由于试棒规格相同，并采用同一感应器，设备输出的直流电压和直流电流相同，而试棒的下降速度对其他电参数的影响较小，可以忽略不计，因而可以认为设备的输出功率也没有改变，所以当零件的下降速度发生变化时，就能找出淬硬层深与零件下降速度的关系。
设零件的直径为D，当下降速度为v1时，硬化层深度为δ1，而当下降速度为v2时，硬化层深为δ2。根据前面所述，感应涡流绝大部分在以δ和H围成的圆筒内流过，其加热的体积为：
所以，在相同条件下，如果通过试验得到了v1和δ1的数据，就可以根据式（10）大致估算出：当零件下降速度发生变化后，零件中频淬火后的淬硬层深度。
（2）直流电流与硬化层深的关系
为了直观、方便的找出主要电参数——直流电流与硬化层深的关系，假设电压不变，而频率变化较小时基本上对层深影响很小，同时淬火变压器的匝比不变，其输入电流与工件中的涡流成比例关系。
由于输入电流与同工件的涡流成比例关系，在计算中可以被同时约去，因而式（13）中的电流可以简单的认为是设备的输出电流——直流电流。
所以，如果通过试验得到了I1、v1、δ1的数据后，就可以根据式（13）大至估算出：在达到要求的硬化层深时，改变工件的下降速度所需要调整的电流大小。
（3）应用
根据试棒1的淬火参数和所得结果来计算试棒2的淬火参数所产生的结果，v1=120mm/min，δ1=3.5mm，v2=100mm/min，通过式（9）可计算出δ2≥4.2mm，实际测试结果为4.6mm。再如用试棒5的淬火参数和所得结果来计算试棒6所采用的参数所得的结果，v1=180mm/min，I1=165A，δ1=2.8mm，v2=135mm/min，I2=165A，由式（13）可计算出δ2=3.2mm，这与实测结果3.4mm比较接近，同时也与式（9）结果相符。
利用前面得出的直流电流、工件下降速度和淬硬层深的关系，就可以方便的确定轴类零件中频淬火参数，提高工艺编制速度。
4.结语
（1）轴类零件中频淬火的淬硬层深与设备的输出电流和工件的下降速度之间有一定的数学关系，通过试验得到一组初始数据，就可以大至估算出为得到符合要求的结果，其他两个变量之间的关系如何进行相应的调整，其数学模型简单，容易掌握。
（2）轴类零件中频淬火工艺参数的快速确定其方法简单，便于操作，为工艺参数的确定和热处理工艺的编制带来了方便，也为指导生产实践提供了理论依据。