感应加热设备中频率和加热比功率的选择与确定

1.感应加热设备频率的选择与确定

合适的感应加热设备频率是提高感应热处理生产率、技术经济指标和处理工件质量的关键。所谓频率选择，不是选择某一正确频率的数值，然后根据这个频率数值来确定选用设备的频率。因为这样做是没有意义的，设备制造厂也不可能制造无数不同频率的设备。所谓频率选择，是指选择最合适的频率数量级，或者说频率范围，然后在合适频率范围内确定使用的设备。

如前所述，透入式加热在能量的利用、生产率、技术经济指标、工件质量等方面优于传导式加热，因此首先应选择透入式加热，即有Δ_热>x_淬。根据式（2-8）可得

f＞250000/x²_淬 （2-9）

式中，f为电流频率（Hz）；x_淬为硬化层深度（mm）。

这就确定了选择频率的上限，高于上限时不能实现透入式加热。但是电流频率也不能太低，因为频率太低，Δ_热值就越大，此时，在要求x_淬较小的情况下，要求设备功率很大，相应输入感应器上的功率也很大，感应器因发热功率损失也很大，即使感应器在通水冷却条件下，仍将发热而影响工作。实践证明，在较小的感应器功率损失时，取Δ_热的四分之一小于x_淬的频率作为频率的下限，即

x_淬>0.25Δ_热 （2-10）

将Δ_热=500/f代入式（2-10），可得

f>15625/x²_淬 （2-11）

频率范围应为

15625/x²_淬＞f＞250000/x²_淬 （2-12）

实际使用中，一般认为x_淬≈（0.4～0.6）Δ_热时，电流频率为最佳。电流频率最佳值为

f_最佳=60000/x²_淬 （2-13）

表2-3为不同频率的淬硬层深度。

表2-3 不同频率的淬硬层深度

电流频率的选择，除上述从电流透入深度与感应加热类型考虑以外，还必须注意感应器的电效率。感应器的电效率取决于被加热工件的直径D（mm）。

当D/Δ_热大于6且小于或等于10时，电效率η_冷=80%；当D/Δ_热=3.5时，电效率η_冷≈70%。感应器电效率为70%～80%时，工作的电流频率是合适的电流频率。

将Δ_热=500/f分别代入D/Δ_热＞10和D/Δ_热=3.5中，可得

3062500/D²＞f＞25000000/D² （2-14）

不同直径圆柱工件表面淬火频率的选择见表2-4。此表只考虑了感应器效率和工件直径关系，在选择电流频率时，还必须与工件淬硬层深度结合起来综合考虑。

表2-4 不同直径圆柱工件表面淬火频率的选择

对于齿轮、凸轮、偏心轮之类表面几何形状复杂的工件，表面淬火后要得到沿表面轮廓均匀分布的淬火层是比较困难的。但是，只要选择合适的电流频率，供给足够的单位功率，还是可以得到比较满意的淬硬层形状的。

对齿轮来讲，电流频率过高，会造成齿顶温度过高；而当电流频率过低时，易造成齿根过热。当选择合适频率时，即使在齿根的电能略大于齿部的电能时，齿轮的加热也比较理想。合适的频率为

f=250000/m （2-15）

式中，m为齿轮模数（mm）。

齿轮进行感应淬火时，除选择合适的频率外，要求供给足够大的单位功率，缩短加热时间，以达到满意的淬硬层形状。(www.xing528.com)

凸轮的感应淬火类似于齿轮，频率高凸轮尖部易于加热；反之，则凸轮尖部加热温度偏低。推荐的合适频率如下：

f=380000/r （2-16）

式中，r为凸轮尖部半径（mm）。

在实际应用中，频率的确定无须计算。实际生产操作时，只需根据设备系列频率范围、工件的技术要求，查对相应的推荐表即可确定。对已有现存电源设备而增加新工件时，也可以根据新增工件的技术要求，合理使用现有设备。

2.感应加热比功率与电源功率的选择

设备频率确定后，正确选择比功率，进而选择电源的功率，对满足感应热处理工件的技术要求、合理使用设备、提高设备的技术经济指标是十分重要的。一旦设备频率、比功率确定后，工件的加热速度也随之而定。

比功率就是加热工件单位表面上所吸收的电功率。比功率选择的依据是电流频率、被处理工件的尺寸和工件的技术要求。一般情况下，电流频率越低，工件尺寸（直径）越小，要求淬硬层深度越浅，选择比功率就越大；反之，则选择比功率越小。

一般比功率的推荐值如下：

在采用高频电源时，比功率P₀=0.2～0.5kW/cm²；

在采用中频电源时，比功率P₀=0.5～0.2kW/cm²。

根据工件加热面积，通过推荐的比功率值计算和选择电源的功率。电源的功率可通过下式计算：

式中，P为电源功率（kW）；A为工件同时加热的表面积（cm²）；P₀为比功率（kW/cm²）；η₁为淬火变压器频率，常取80%；η₂为感应器效率，常取80%。

高频发生器功率不能直接从仪表上读出，可用下式计算：

P_Z=P_Rη （2-18）

式中，P_Z为高频装置振荡功率（kW）；P_R为阳极输入功率（kW）；η为振荡管效率，取60%～70%。

此外，P_R可由下式求出：

P_R=nEI （2-19）式中，n为振荡管数量；E为阳极负载电压（kV）；I为阳极电流（A）。

计算出P_R后，其他比功率计算可按式（2-17）进行计算。

近年来，已可对比功率、加热时间、发电机功率用一些估算图估算，通过已知的淬硬层深度、表面需达到的最高温度从曲线上求得加热时间与比功率。图2-10所示为在10kHz电流频率下，用半环形感应器进行大曲轴感应加热的功率估算图。利用估算图可以粗略估计加热时间、比功率。但是，在实际生产中，还必须根据不同的感应器和技术要求调整参数。

图2-10 用半环形感应器进行大曲轴感应加热的功率估算图

对直径大、淬火区长而使加热面积太大的淬火工件，根据推荐的比功率值计算所得的电源功率很大，可采用连续加热淬火法选用较小功率的电源，或采用现用的电源，用式（2-20）确定同时加热的面积A（cm）：

然后，计算出连续加热淬火的感应器有效宽度H（cm）：

式中，D为工件直径（cm）。