作者：米佩
单位：中宁夏天地奔牛实业集团有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
试验对象及技术要求
内花键结构如图1所示，内花键模数m=3mm，淬火内花键热前留量尺寸为69.38mm，材料为42CrMo。
图1 内花键轴结构
技术要求：花键硬度40～45HRC，硬化层深度＞1.2mm。
感应器的设计
（1）感应铜管的选择
方铜管加热效率高于圆铜管，所以选择方铜管，因设备频率在10kHz左右，对应铜管厚度为1.5mm，考虑到内花键直径较小，所以最终选择方铜管规格为10mm×12mm×1.5mm；对内孔加热工件，为了提高感应器的加热效率，对内花键感应器方铜管圆周方向镶嵌导磁体，其厚度根据所选频率选择0.2mm。
（2）喷水孔设计
对于一般表面淬火，喷淋密度为0.01～0.015L/cm2·s，一般扫描淬火喷液孔直径选择2.5mm，孔间距为3mm交叉分布，喷液孔中心线与轴新线角为45°。
（3）感应器外径尺寸设计
内孔加热时，有效圈与工件之间的间隙a一般选择2.0～2.5mm，考虑到内花键直径较小，间隙按照3mm进行设计，选择内花键有效圈直径为68mm。内花键感应器结构如图2所示。
图2 内花键感应器结构
工艺参数的选择
（1）频率的选择电流频率的选择首要原则是透入式加热。即电流透入深度d大于硬化层深度Ds，采用透入式加热，工件表面热能的产生主要靠感应涡流，此种加热方法与热传导加热方法相比节能、加热效率高、工件表面过热度小，有资料总结为：0.33＜Ds/d＜1，最佳频率为Ds/d=0.5。查阅资料，当淬硬层深度为1.2mm时，一般选择频率f=10kHz。（2）加热功率的选择理论计算所需加热功率，P=P0πDh，其中P为设备输出功率（kW），P0为设备比功率（kW/cm2），一般取系数0.6～2.0，h为感应器高度，D为工件直径（cm）。根据经验，当频率选择10kHz时，一般取系数1.6～2.0，则理论计算加热所需要的功率输出值为44～55kW。试验时，采用表1工艺参数进行淬火试验。试验时，工件先停止加热一段时间后（3～5s）给喷淋，然后以一定的速度向上提升扫描淬火。
表1 内花键淬火工艺参数
试验结果与分析
1. 内花键结构设计存在问题采用设计好的感应器对内花键进行淬火，在调整感应器喷淋压力时，发现采用方案一工艺参数进行加热淬火，在保证喷淋压力的前提下，淬火液不能及时排出，影响花键的加热效果，为了解决此问题，对内花键底部φ20mm工艺孔尺寸加大到φ30mm，改进结构后，确保了淬火液能够及时排除。2. 试验结果对内花键改进结构后，采用以上4种方案进行加热淬火，结果见表2。
表2 内花键淬火工艺参数
3. 结果分析（1）采用方案一进行试验，当加热功率设定为50%时，实际输出为40kW，感应加热时因功率太低，加热温度达不到淬火所需要的温度。
（2）采用方案二进行试验，当加热功率设定为55%时，实际输出为48kW，目测感应加热温度800℃左右，淬火后检测硬度35～40HRC，低于技术要求。淬火硬度不足主要原因是内花键加热温度低，虽然加热功率达到理论计算功率，但由于内花键相比于内孔加热表面积较大，因此所需要的加热实际功率要高。
（3）采用方案三进行试验，当加热功率设定为60%时，实际输出为60kW，目测感应加热温度870℃左右，淬火后检测硬度45～50HRC，检测回火后内花键棒间距尺寸，符合图样技术要求。对于此种结构内花键，因壁较薄，所以淬火时变形较大。为了确保淬火后尺寸满足图样要求，在后续工艺中建议棒间距尺寸加大至0.2mm。
（4）采用方案四进行试验，当加热功率设定为70%时，实际输出为75kW，由于加热功率过高，在停止加热5s内，内花键无法通冷却水，造成感应器烧损。
结语
（1）在内花键结构设计方面，为了确保加热时冷却淬火液能够及时排除，排淬火液工艺孔尺寸应根据加热花键感应器排淬火液量进行设计，一般建议工艺孔尺寸φ30mm以上。
（2）在理论计算加热所需要的功率时，内花键淬火所需要的功率比理论计算要高10%左右，在选择工艺参数时应该先选择较小功率进行试验，后逐渐增大至所需要的功率，避免出现因选用加热功率过高，造成烧损感应器的情况。
（3）内花键感应淬火变形情况较为复杂，与加热工件结构（淬火部位壁厚）、感应器结构及加热工艺参数等因素有关，每种工件淬火时需要根据具体工件具体分析，通过多次淬火试验方能确定较为合理的加工留量。
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