高频淬火设备调试与检修方法优化

知识导读

由于经高频淬火处理后的工件具有高强度、高耐磨性和高韧性，又因是局部加热，所以能显著减少淬火变形，降减能耗，是节能环保、高效率、低故障的感应加热设备。正是因为高频淬火拥有上述这些特点，因而在机械加工行业中被广泛采用。如图4.4.5 和图4.4.6 所示为常用的高频淬火设备。

图4.4.5　高频焊接机

图4.4.6　高频淬火炉

一、高频淬火设备的工作原理

高频淬火设备采用感应加热，其原理是：将工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频（1 000～300 000 Hz 或更高）交流电的空心铜管。产生的交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于零，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内可将表面温度上升到800～1 000 ℃，而心部温度升高很小。

二、高频淬火设备的突出优点

（1） 采用IGBT 模块，节能省电：比电子管式省电30%，比可控硅中频省电20%。

（2） 加热效率高，加热非常均匀（也可通过调节感应圈的疏密，使工件各部位获得各自需要的温度），升温快，氧化层少，淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体，硬度稍高（2～3 HRC），退火后无废品，节约资源，减少损耗。

（3） 设备加热时间快、加热范围广，通过调节加热速度的快慢，最快加热速度不到1 s，温度及加热时间可精确控制，加工质量高。

（4） 采用分体式结构，体积小、质量轻，移动安装都方便，没有污染、噪声和粉尘，环保。

（5） 具有过热、缺水、过压、过流等报警指示，并自动控制和保护，最大程度提高设备安全性能。

（6） 适应性强，能加热各种各样的工件。

三、高频淬火设备的安全操作规程

高频淬火设备可以在瞬间提升热量，有很大的危险性，在操作过程中应严格遵照安全操作规程，避免对操作人员的伤害和设备的损坏。

（1） 操作人员必须经考试合格取得上岗证才能进行操作，必须熟悉设备的性能、结构等，并要遵守安全和交接班制度。

（2） 必须有两人以上方可操作高频淬火设备，并指定操作负责人。

（3） 在操作高频淬火设备时应有完好的防护遮栏，工作时闲人免进，以免发生危险。

（4） 工作前检查设备各部分接触是否可靠，确保淬火机床运行良好，机械或液压传动正常。

（5） 工作中准备开启水泵时，检查各冷却水管是否畅通，水压是否在1.2～2 kg，注意不准用手触及设备的冷却水。

（6） 送电预热。先将一挡灯丝预热30～45 min 后，再将二挡灯丝预热15 min。合上后再继续调移相器至高压。加高频后，手不许触及汇流排和感应器。

（7） 装好感应器，接通冷却水，将工件放于感应器方可通电加热，严禁空载送电。更换工件时，必须停止高频，若高频无法停止，应立即切断高压或连接紧急开关。

（8） 高频淬火设备运行中要注意阳光流和栅流都不准超过规定值。

（9） 工作时要全部关闭机门，高压开关合上后，不得随意到机后活动，严禁打开机门。

（10）设备在工作过程中出现异常情况时，要首先切断高压开关，再分析、排除故障。

（11）室内通风良好，温度应控制在15～35 ℃。

（12）结束后先断开阳极电压，再切开灯丝电源，并继续供水15～25 min，使电子管充分冷却，再清扫、检查设备，保持清洁干燥，以防电气元件放电和被击穿。打开机门清扫时，应先对阳极、栅极、电容器等放电。

任务实施

一、准备阶段

工作环境：电气、消防、卫生等应符合实训安全要求的电工实训室，且具有投影仪等多媒体教学设备。

配套设备：演示用高频炉一台，常用工具如钳子、扳手、螺丝刀等，准备的仪器如万用电表、高压摇表等仪器仪表，使用说明书等。

着装要求：穿工作服、穿绝缘胶鞋、戴胸牌。

二、操作过程

1.中高频淬火设备中振荡电路的调试

（1） 采用电子管三点振荡电路进行调试。

正弦波振荡器是指振荡波形为正弦波或接近正弦波的振荡器，它广泛应用于各类信号发生器中，如高频信号发生器、电视遥控器等。产生正弦信号的振荡电路形式很多，但归纳起来，则主要有RC、LC 和晶体振荡器三种形式。本任务主要研究LC 电容反馈三点式振荡器，其电路图如图4.4.7 所示。

根据原理图进行电路连接，完成以下操作过程：

① 静态工作点测试。外接 + 12 V 直流电源，注意电源极性不能接反。

反馈电容C、R、CT 不接，接入C′ = 680 pF，用示波器观察振荡器停振时的情况。电路连接情况如图4.4.8 所示。

图4.4.7　LC 电容反馈三点式振荡器实验电路

图4.4.8　测试静态工作点的接线图

注意：连接C′的接线要尽量短，以减小导线分布电容的影响。

改变电位器RP（0～47 kΩ）测得晶体管VT 的发射极电位VE，VE 可连续变化，记下VE的最大值VEmax，计算IEmax 的值。

② 振荡频率与振荡幅度测试。

实验条件：IEQ = 2 mA，C = 120 pF，C′ = 680 pF，R = 110 kΩ。

调节RP 使IEQ = 2 mA 或VEQ = IEQR4 = 2 V。

按图4.4.9 连接电路。

图4.4.9　测试振荡频率和振荡幅度的接线图

改变CT 电容（CT 分别接为C9、C10、C11），记录相应输出信号（OUT 节点的电压）的频率，并用示波器测量各电压的峰-峰值Up - p，填入表4.4.1 中。

表4.4.1　负载的影响

测试当C、C′不同时，起振点、振幅与工作电流IE 的关系：

取R = 110 kΩ。

取C = C3 = 100 pF，C′ = C4 = 1 200 pF，调电位器RP 使IEQ（静态值）分别为表4.4.2 所标各值，用示波器测量输出振荡幅度Up - p（峰-峰值），并填入表4.4.2 第二行中。

表4.4.2　IEQ对振荡幅度的影响

取C = C5 = 120 pF，C′ = C6 = 680 pF，分别重复测试表4.4.2 中所示内容，并填入表4.4.2第三行中。

取C = C7 = 680 pF，C′ = C8 = 120 pF，分别重复测试表4.4.2 中所示内容，并填入表4.4.2第四行中。(www.xing528.com)

以IEQ 为横轴，输出电压峰-峰值Up - p 为纵轴，将不同C/C′值下测得的三组数据，在同一坐标上绘制成曲线，说明振荡器静态工作点对振荡幅度的影响。

③ 频率稳定度的影响。

（a）回路LC 参数固定时，改变并联在L 上的电阻使谐振回路等效Q 值变化，测试Q 值对频率稳定度的影响。

实验条件：CT = 100 pF，f = 6.5 MHz 时，C/C′ = 100/1 200 pF、IEQ = 3 mA。

实验内容：

改变L 的并联电阻R 的值，使其分别为1 kΩ、10 kΩ、110 kΩ，然后分别记录电路的振荡频率，并填入表4.4.3 中。

表4.4.3　谐振回路Q 值对频率稳定度的影响

注意频率计后几位跳动变化的情况。

（b）回路LC 参数及Q 值不变，改变IEQ 时对频率的影响。

实验条件：CT = 100 pF，f = 6.5 MHz，C/C′ = 100/1 200 pF，R = 110 kΩ。

实验内容：改变晶体管的IEQ，使其分别为表4.4.4 所标各值，测出振荡频率，并填入表中。

表4.4.4　IEQ对频率稳定度的影响

（2） 采用电容耦合电路进行调试。

通常放大电路的输入信号都是很弱的，一般为毫伏或微伏数量级，输入功率常在1 mV以下。为了推动负载工作，要求把几个单级放大电路连接起来，使信号逐级得到放大，以便在输出获得必要的电压幅值或足够的功率。由几个单级放大电路连接起来的电路称为多级放大电路。在多级放大电路中，每两个单级放大电路之间的连接方式叫耦合；如果耦合电路是采用电阻、电容进行耦合，则叫作阻容耦合。

阻容耦合交流放大电路是低频放大电路中应用得最多、最为常见的电路。本实验采用的是两级阻容耦合放大电路，如图4.4.10 所示。

① 两级放大电路静态工作点的测量。

创建如图4.4.10 所示两级阻容耦合放大电路。断开函数信号发生器与电路的连接，将电路输入端接地。单击仿真开关，进行仿真分析。用数字万用表或动态测试探针分别测量节点电压UB1、UC1、UE1、UB2、UC2 及UE2，并记录测量结果于表4.4.5 中。

图4.4.10　两级阻容耦合放大电路静态工作点测量原理图

根据阻值R1、R2 和电源电压VCC，计算节点电压UB1。

设UBE 为0.7 V，由基极偏压UB1 估算V1 管的射极偏压UE1、射极电流IE1 和集电极电流IC1。根据IE1、VCC 和RC1 估算集电极偏压UC1。

确定V1 管的静态工作点Q1，即IBQ1、ICQ1 和UCEQ1。

② 两级电压放大倍数的测量。

创建如图4.4.11 所示两级阻容耦合放大电路，将函数信号发生器接入电路。单击仿真开关，进行仿真分析。由双踪示波器显示的波形，记录输入电压峰值Ui1p 和输出电压峰值Uo1p，同时记录输入输出波形的相位差。

图4.4.11　第一级电压放大倍数测量原理图

创建如图4.4.12 所示两级阻容耦合放大电路，将函数信号发生器接入电路。单击仿真开关，进行仿真分析。由双踪示波器显示的波形，记录输入电压峰值Ui2p 和输出电压峰值Uo2p，同时记录输入输出波形的相位差。

创建如图4.4.13 所示两级阻容耦合放大电路，将函数信号发生器接入电路。单击仿真开关，进行仿真分析。由双踪示波器显示的波形，记录输入电压峰值Uip 和输出电压峰值Uop，同时记录输入输出波形的相位差。

根据电压的读数，计算第一级放大电路的电压放大倍数Au1、第二级放大电路的电压放大倍数Au2 和总电路的电压放大倍数Au。

用第一级放大电路的电压放大倍数Au1 和第二级放大电路的电压放大倍数Au2 计算总电路电压放大倍数Au。

设β 为200，用RC1、RE1、rbe1、rbe2、R3、R4 和RE2 计算第一级放大电路的电压放大倍数Au1。

用RC2、RL、rbe2 和RE2 计算第二级放大电路的电压放大倍数Au2。

图4.4.12　第二级电压放大倍数测量原理图

图4.4.13　总电路电压放大倍数测量原理图

表4.4.5　两级阻容耦合放大电路测量数据记录表格

③ 两级阻容耦合放大电路频率特性的测量。

创建如图4.4.13 所示两级阻容耦合放大电路，将函数信号发生器接入电路。单击仿真开关，进行仿真分析。在保持输入信号10 mV 的条件下，改变输入信号的频率f（由低到高），观察放大电路输出电压Uop 的变化规律，并测取其参数值记录于表4.4.6 中（注意：特性曲线弯曲部分应多测几个点）。

表4.4.6　频率特性曲线测量数据记录表格

2.高频淬火设备的安装

（1） 电源从振荡柜操作单元底部接入主接触器。可控硅输入后接入变压器输入端，进线不需要零线，但如果采用的机床需要零线则可接入零线。振荡柜后面下部有一个螺杆是接地端，必须跟变压器护网接地螺丝相接。同时必须接大地或接车间的框架地。

（2） 高压接线采用30 角钢弯成U 字形，离柜顶端约300 mm 高即可，接入变压器的瓷杯丝杆和振荡柜瓷杯丝杆。

（3） 如果配有淬火机床，那么需将加热控制线接入高频柜，在高频水压继电器上方有对应接线端子，只需要将加热开启开关信号接入此两端即可，但同时要将加热接触器的自保端拆下。

（4） 高频淬火设备电源的水路接入可以参考高频底座上的箭头指示，往内即进水，往外即出水。接好后可以检查管道的流向是否正确。采用感应器喷水淬火时，感应器的水接机床的喷水阀出水，若采用单独的喷水环喷水，感应器的水路即要串入淬火变压器的外环出水，然后再接入高频出水口。

（5） 高频淬火设备电源的水路连接扎紧全部采用不锈钢管卡，或者采用2.5 mm 铜线扎紧，不能采用导磁性好的金属来扎紧（如铁丝、铁管卡）。

注：高频淬火设备安装中使用的30 角钢、电源柜与振荡柜之间的连接线、机床与高频控制的连接线、水管等全部要求用户自备。用户同时要准备必要的常用工具如钳子、扳手、螺丝刀等，准备的仪器如万用电表、高压摇表等。

项目评价

对项目实施的完成情况进行检查，并填写项目评价表，见表4.4.7。

表4.4.7　非工频设备的装调与维修项目考核评价表

拓展知识

中高频感应加热设备日常操作中应当特别注意的操作规范。

（1） 必须有两个人以上操作高频设备，并指定操作负责人。穿戴好绝缘鞋、绝缘手套和其他规定的防护用品。

（2） 操作者必须熟悉高频设备的操作规程，开机前应检查设备冷却系统是否正常，正常后方可送电，并严格按操作规程进行操作。

（3） 工作前应关好全部机门，机门应装电气联锁装置，保证机门未关前不能送电。高压开关合上后，严禁打开机门。

（4） 工件应去除铁屑和油污，否则在加热时容易与感应器产生打弧现象。打弧产生的电弧光既会损伤视力，也容易打坏感应器和损坏设备。

（5） 高频设备应保持清洁、干燥和无尘土，工作中发现异常现象时，首先应切断高压电，再检查排除故障。必须由专人检修高频设备，打开机门后，首先对阳极、栅极、电容器等进行放电，然后再开始检修，严禁带电抢修。

（6） 使用淬火机床时，应遵守有关电气、机械和液压传动的安全规程。在移动淬火机床时，应防止倾倒。

中高频感应加热设备在使用过程中，应该严格按照说明事项来进行，严禁违规操作，以免给生产打来不必要的损失。