感應(yīng)加熱裝配技術(shù)研究及工藝方案設(shè)計(jì)

張亞光，邵世杰

感應(yīng)加熱裝配技術(shù)研究及工藝方案設(shè)計(jì)

張亞光，邵世杰

（陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)公司，陜西 西安 710119）

電磁感應(yīng)加熱技術(shù)因其具有環(huán)保、安全、加熱效率高、控制精確等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于加熱裝配領(lǐng)域。文章通過對(duì)電磁感應(yīng)加熱裝配技術(shù)進(jìn)行研究，概述了電磁感應(yīng)加熱的基本原理和主要特征，并據(jù)此設(shè)計(jì)出一套感應(yīng)加熱裝配工藝方案。

電磁感應(yīng)加熱；裝配；工藝方案

前言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械裝配精度的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)壓裝工藝存在損傷零件、影響精度及壓裝噪聲大等缺點(diǎn)，而熱裝工藝則利用熱脹冷縮的原理，成功解決了上述問題，其中電磁感應(yīng)加熱技術(shù)因其具有環(huán)保、安全、加熱效率高、控制精確等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于加熱裝配領(lǐng)域。

1 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)概述

1.1 基本原理

交變電流通過感應(yīng)線圈穿過交變磁場(chǎng)，交變的磁力線穿過感應(yīng)線圈中的待加熱金屬工件，沿工件表面形成封閉回路的感應(yīng)電流，此電流又稱為渦流，可使待加熱工件局部迅速發(fā)熱。

1.2 集膚效應(yīng)

也稱趨膚效應(yīng)或表面效應(yīng)，是電磁感應(yīng)的主要特征之一。當(dāng)直流電通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體截面上各點(diǎn)的電流密度是均勻的，但是當(dāng)交流電通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體表面處的電流密度較大，導(dǎo)體內(nèi)部的電流密度較小。而當(dāng)高頻率電流通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體截面上的電流密度差更加增大，電流主要集中在導(dǎo)體表面。因此工件受電磁感應(yīng)加熱時(shí)，熱量主要集中在工件表面。

1.3 鄰近效應(yīng)

鄰近效應(yīng)也是電磁感應(yīng)的主要特征之一。兩個(gè)載流導(dǎo)體的電流方向相同時(shí)，即導(dǎo)體相鄰表面的磁場(chǎng)密度最小，處在磁場(chǎng)中的導(dǎo)體感應(yīng)電流最??；反之，如果電流方向相反時(shí)，即導(dǎo)體相鄰表面的磁場(chǎng)密度最大，處在磁場(chǎng)中的導(dǎo)體感應(yīng)電流最大。頻率越高，兩導(dǎo)體靠的越近，鄰近效應(yīng)越顯著，換言之，被加熱工件離感應(yīng)線圈越近，加熱效率越高。

圖1 電磁感應(yīng)原理圖

圖2 集膚效應(yīng)原理圖

圖3 鄰近效應(yīng)原理圖

1.4 優(yōu)勢(shì)

相比于介質(zhì)加熱、燃料燃燒加熱、保溫箱加熱等傳統(tǒng)加熱方式，電磁感應(yīng)加熱具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）環(huán)保、安全。工作環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害且污染環(huán)境的氣體，且噪聲污染小。

（2）生產(chǎn)效率高。電磁感應(yīng)加熱速度快，可使工件在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需溫度，可廣泛應(yīng)用于大批量生產(chǎn)中。

（3）節(jié)能。因電磁感應(yīng)加熱效率高，同時(shí)可隨時(shí)啟停，無(wú)需預(yù)熱，因此電能利用率高，資源浪費(fèi)少。

（4）控制精確豐富。電磁感應(yīng)加熱設(shè)備控制方式豐富，同時(shí)響應(yīng)迅速、精確，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 確定技術(shù)輸入

技術(shù)輸入包括待加熱工件的內(nèi)孔直徑、外圓直徑、高度、重量、材料、安全溫度等信息；以及與其裝配工件之間的配合過盈量、裝配時(shí)工件的目標(biāo)膨脹量（裝配間隙）等；同時(shí)還需要根據(jù)實(shí)際裝配生產(chǎn)節(jié)拍，確定工件的加熱時(shí)間。

2.2 確定加熱溫度

根據(jù)上述技術(shù)輸入，可以計(jì)算得出工件熱裝所需溫度，公式如下。

式中：為包容件的加熱溫度（℃）；Y為最大過盈量（mm）；為最小裝配間隙（mm）；為加熱線膨脹系數(shù)（10-6/℃）；為配合直徑（mm）；0為環(huán)境溫度（℃）。

從上述公式可知，當(dāng)溫度越高，工件內(nèi)孔的熱膨脹量越大，即裝配間隙越大，裝配過程也就越輕松。但是溫度不能高于工件的安全溫度，否則會(huì)使工件材料的金相組織發(fā)生變化，導(dǎo)致工件報(bào)廢。

2.3 電磁感應(yīng)加熱設(shè)備總體方案

2.3.1設(shè)備基本組成

電磁感應(yīng)加熱設(shè)備基本組成包括：整流單元、逆變單元、諧振輸出單元以及感應(yīng)器四大部分。其中整流單元一般稱為設(shè)備電源，是將工廠的工頻三相交流電轉(zhuǎn)換成為直流電；逆變單元是將直流電變換成高頻交流電；諧振輸出單元是用諧振原理產(chǎn)生更強(qiáng)的高頻電流；感應(yīng)器即感應(yīng)線圈，是設(shè)備最終產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的部分，工作時(shí)工件位于感應(yīng)器中產(chǎn)生交變電流，繼而發(fā)熱。

圖4 電磁感應(yīng)加熱設(shè)備基本組成

2.3.2確定電源功率

設(shè)備的額定功率包括工件熱容量功率、工件的熱輻射功率以及感應(yīng)線圈的損耗功率。其中工件熱容量功率是指把電能轉(zhuǎn)換成工件熱能所需要的電功率；工件的熱輻射功率是指工件傳熱損耗功率；感應(yīng)線圈的損耗功率是指設(shè)備工作時(shí)感應(yīng)線圈自身發(fā)熱損耗的功率。

2.3.3確定電源頻率

電磁感應(yīng)具有集膚效應(yīng)，其電流透入深度公式如下：

式中：為工件的電阻率；為電源頻率；為工件的相對(duì)磁導(dǎo)率。

根據(jù)上述公式可知，當(dāng)和一定時(shí)，可通過調(diào)節(jié)電源頻率控制加熱厚度。提高電源頻率，則電流透入深度（加熱厚度）變淺，導(dǎo)致工件表面和心部的溫差增大，即工件表面溫度高、心部溫度低，過大的溫差會(huì)造成工件熱膨脹量不足，無(wú)法滿足裝配所需的間隙要求；反之降低電源頻率，電流透入深度（加熱厚度）變深，可以使工件加熱更加均勻，但同時(shí)加熱效率也會(huì)隨之降低，導(dǎo)致加熱時(shí)間過長(zhǎng)，無(wú)法滿足裝配生產(chǎn)節(jié)拍要求。因此在確定電源頻率時(shí)，需要綜合考慮，應(yīng)在保證加熱均勻的同時(shí)，提高加熱效率。

目前行業(yè)內(nèi)根據(jù)電源頻率通常將感應(yīng)加熱分為工頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱和高頻感應(yīng)加熱。工頻感應(yīng)加熱的電源頻率為50HZ，其加熱深度最深，加熱厚度最大，一般用于較大尺寸零件的透熱，大直徑零件的表面淬火；工頻感應(yīng)加熱設(shè)備只對(duì)輸入的電流、電壓進(jìn)行了調(diào)整和控制，而對(duì)頻率則沒有做任何改變，其原理、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但其加熱效率較低，而且控制方法也比較單一。中頻感應(yīng)加熱的電源頻率為1KHZ至10KHZ，一般用于直徑大的軸類和大中模數(shù)的齒輪加熱。高頻感應(yīng)加熱的電源頻率為10KHZ以上，一般用于中小型零件的加熱，如小模數(shù)齒輪及中小軸類零件等。

2.3.4線圈設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備的使用工況，感應(yīng)線圈的布置可以位于工件內(nèi)孔、工件外圈、工件端面或上述三種形式的任意組合。同時(shí)因?yàn)樵O(shè)備工作時(shí)，感應(yīng)線圈本身會(huì)產(chǎn)生熱量，過高的線圈溫度，不僅會(huì)影響加熱效率，也會(huì)對(duì)線圈造成損傷，因此設(shè)備工作時(shí)需要對(duì)感應(yīng)線圈進(jìn)行冷卻處理，線圈的冷卻通常分為強(qiáng)制風(fēng)冷、強(qiáng)制水冷及自然空冷等形式。感應(yīng)線圈的匝數(shù)則需要根據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行匹配，以達(dá)到最佳加熱效果。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在確定了電磁感應(yīng)加熱設(shè)備總體方案后，通常需要根據(jù)總體方案制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行工件加熱和裝配實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)備總體方案的可行性并進(jìn)行優(yōu)化。

2.5 功能細(xì)節(jié)

在確定了設(shè)備總體方案后，需要對(duì)設(shè)備的功能細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)完善，功能細(xì)節(jié)包括但不限于以下方面。

（1）設(shè)備的機(jī)箱設(shè)計(jì)。機(jī)箱設(shè)計(jì)既要滿足功能需求，還要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況，選擇合適的尺寸及布局方案。

（2）工藝方案。要根據(jù)熱裝工藝的總體需求，設(shè)計(jì)設(shè)備的工藝方案，如恒溫閉環(huán)的運(yùn)行模式，能自動(dòng)調(diào)節(jié)電流使工件始終保持在設(shè)定溫度；而恒流定時(shí)的運(yùn)行模式，則可以使工件在恒定電流和恒定時(shí)間下，達(dá)到目標(biāo)溫度。

（3）測(cè)溫方式。溫度測(cè)量分為接觸式（熱電偶）和非接觸式（紅外線）兩種方式，需根據(jù)熱裝工藝工體需求進(jìn)行選擇，相對(duì)于熱電偶測(cè)溫，紅外測(cè)溫具有響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

（4）控制方式?？刂品绞揭话惆ū緳C(jī)控制、遠(yuǎn)程控制和通訊控制等，需根據(jù)熱裝工藝總體需求進(jìn)行選擇，如功能單一的設(shè)備一般選擇本機(jī)控制，而功能復(fù)雜或需要連接工廠MES系統(tǒng)的設(shè)備則一般選擇遠(yuǎn)程控制或通訊控制。

（5）保護(hù)功能。因電磁感應(yīng)加熱設(shè)備具有強(qiáng)電、高溫等潛在危險(xiǎn)，設(shè)備需具有過流、過溫及人機(jī)安全防護(hù)等保護(hù)功能。

（6）工裝設(shè)計(jì)。工裝通常為非金屬材料，位于工件和線圈之間，用于定位和支撐工件，以及隔離線圈和工件，防止金屬之間接觸打火。工裝不能太厚，否則工件和線圈距離就會(huì)過遠(yuǎn)，影響加熱效率；同時(shí)工裝的設(shè)計(jì)還要滿足人機(jī)工程要求，方便工件上下料。

3 結(jié)論

感應(yīng)加熱裝配工藝對(duì)于過盈配合的工件裝配是一種行之有效的方法，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，要把握電磁感應(yīng)的基本原理及熱裝總體工藝需求，保證方案的可行性。但同時(shí)也要注意，熱裝技術(shù)并非萬(wàn)能，若配合過盈量過大且工件不允許過高溫度時(shí)，則需要謹(jǐn)慎考慮；同時(shí)感應(yīng)加熱也具有局限性，如感應(yīng)線圈的互換性和適應(yīng)性較差，以及對(duì)形狀復(fù)雜或?qū)Т判暂^差的工件也并不適用。因此在工藝選擇時(shí)需要綜合考慮。

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The Research of the Induction Heating Assembly Technology and Process Design

Zhang Yaguang, Shao Shijie

( Shaanxi Fast Auto Drive Group Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710119 )

Electromagnetic induction heating technology has been widely used in the field of heating assembly due to its advantages of environmental protection, safety, high efficiency and accurate control.This paper studies the assembly technology of electromagnetic induction heating, summarizes the basic principle and main characteristics of electromagnetic induction heating, and designs a set of assembly process of electromagnetic induction heating.

Electromagnetic induction; Assembly; Process

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張亞光（1990-），男，裝配工藝工程師/助工，就職于陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)公司，從事變速器裝配工藝研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.053