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[摘要]凸轮类零件由于零件形状的特殊性，尖角效应在感应加热时异常明显，尖角部位常出现裂纹、过热、金相组织粗大、硬化层过深等缺陷，最终造成凸轮能承受冲击次数显著下降。本文探讨如何弱化尖角效应的方法。
[关键词]感应淬火电磁效应尖角效应
中图分类号：TM924.5 文献标识码：TM 文章编号：1009―914X（2013）31―0554―02
1、前言
在Siemens高压输配电控制部件中，经常用到各种凸轮零件，并且此类凸轮通常需要承受6KN～28KN瞬间冲击，因此凸轮表面硬化层深度和表面硬度的要求特别严格。
由于受凸轮结构的限制，在淬火过程中，对于不能对易产生尖角效应的凸轮棱边进行屏蔽保护，通常弱化尖角效应方法是：
a) 适当增大感应器与零件尖角或突起部分的间隙，以减少该处磁通量和电流密度分布；
b) 将零件尖角处的感应器做成圆弧状，在零件突起处适当增大曲率半径，以保持整个加热表面温度的均匀性。
上述方法优点是能弱化尖角效应的影响，即裂纹、过热等缺陷改善明显，缺点是常常造成尖角部位硬化层深度浅和表面硬度低等新缺陷。
因此，还需我们从许多细节着手，采取一些新措施。
2、零件的技术要求和特点
a）零件技术要求
我公司的凸轮采用42CrMo材料，零件感应淬火前已调质处理，感应淬火区域为图示─┄ ─区域，感应淬火后要求达到：
①热处理要求：─┄ ─区域进行感应淬火处理，处理后表面硬度达到HRC56～60
②硬化层深度：Rht525=2～4mm，
b）零件特点：
轴向较厚、R角小、硬化层深度均匀性要求高。
3、工艺参数的确定
3.1感应淬火频率的选择
A）频率的高低直接影响电流热态透热深度、零件的加热方式、感应器的设计和零件淬火质量，根据《实用热处理手册》查得透热深度简化计算公式：透热深度 【1】
为了获得较好的淬火质量，通常采用透入式加热，是硬化层深度小于透入深度，我们选用中上差来计算所需电流频率，△=3.5㎜。
电流频率 = 5002×△2 =20.4 kHz（通常20 kHz划为高频）
B）在满足工艺要求（表面硬度和层深）的情况下，由于感生电流（涡流）功率与电流频率平方成正比，因此尽量降低加热功率，这样可降低加热速度、延迟加热时间，使零件在受热过程中起一定均温作用，避免高功率、短时加热，产生尖角效应。其理论依据如下：
感生电流（涡流）功率（P）：
【2】
3.2加热方式选择
①一次整体加热方式
凸轮的棱边和拐角处易发生尖角效应，造成淬裂和表面硬度不均，且尖角处硬化层深是其它部位硬化层深的2倍以上，下图是上海一热处理厂为我公司进行感应淬火的该凸轮零件。
我们通过实验发现：一次整体感应淬火磁场在感应圈制成后，调整尖角处磁通密度手段效果不理想：增加零件与仿形感应圈的间隙，则尖角处表面硬度不足；如减少零件与仿形感应圈的间隙，则尖角效应明显，硬化层太深。
因此，一次整体加热方式虽然生产效率高，制造成本相对低，但该加工方法不适合本零件。
②连续扫描加热方式
当我们固定零件与仿形感应圈的间隙后，通过以下方法来避免尖角效应：
a）调节扫描预加热起止点：为避免凸轮上下边缘尖角效应，从凸轮轴向上下各留出1～2㎜，在凸轮轴向中部约85%区域进行扫描感应预热和加热；
b）调整感应器与凸轮的相对移动速度来控制加热：对于凸轮的上下边缘附近，感应加热移动速度较快，这样弱化上下边缘尖角效应；对于凸轮的中部，感应加热移动速度稍慢，中部可以充分加热。
c）第三，为避免零件产生应力集中，连续扫描加热方式可设定预热2～3次，使零件表面加热均匀。
该方法优点：连续加热方式适合于凸轮轴向较宽，加热平面较大，使零件受热均匀，减少热应力。
3.3感应器设计
感应器的设计采用经验公式和试验法相结合，我们重点关注凸轮沟槽和凸轮尖角，感应器的材料选用紫铜板，感应器的外形采取仿形。
根据感生电流（涡流）功率公式【2】可知，电流频率确定后，增加或减少导磁材料，能有效改变局部感应电流热效率，因此在尖角端部减少导磁材料可以减轻尖角效应。因此我们在感应器沟槽处镶嵌磁通集中器（0.1㎜硅钢片），在感应器尖角处增加充填绝缘树脂板。
另外，在感应器的形状做一些调整：上部1/3厚度做成圆锥状，下部2/3厚度为直筒状，这样上下间隙差使加热零件在移动过程中有一个预加热过程，以防止凸轮过热变形开裂。
3.4凸轮与感应器间隙的确定：
一旦感应器制作完成，适宜的感应器与零件间隙，它能直接影响到感应器效率和高频淬火表面质量。感生电流密度（在距表面X处的电流密度）
当零件与感应圈间隙越小，感应效率越高，零件的感应功率的效率就增加，加热速度就越快，加热层（淬硬层）也就较浅；反之，加热速度较慢，加热层也较厚.
根据试验，间隙选择1.8～2.4毫米之间，感应器的效率约为0.8。对于凸轮的尖角部位，间隙取上公差，有利于减轻尖角效应，同时又确保尖角处表面硬度和硬化层深度。
3.5、凸轮 机加工改善细节
凸轮加工流程：下料→锻造→调质处理→机加工（粗车、精车）→表面淬火、低温回火
从上述工艺过程看，影响尖角效应的环节有：
A）凸轮厚度方向的上下边缘的棱角；
B）尖角处的粗糙度；
C）尖角处的尺寸公差带等。
①上下边缘的棱角R
为避免“坯料端部效应”，对于感应加热淬火的凸轮，上下表面的棱角R，在不影响使用的情况下，增加R2～5，如客户允许，R角适当再增大一些。
②尖角处粗糙度对比：
粗糙度大对感应淬火面来说，将会引起表面温度不均匀，同时淬火介质易附着在表面，形成气膜，造成冷却强度不一，变形量大，容易开裂，表面硬度也会不均匀。常见的表面刀痕或较深伤痕在感应淬火时易开裂。尖角处粗糙度会加重尖角效应，造成凸轮淬火时易开裂
我们通过试验，表面粗糙度选用Rz 25～63比较经济合理。
③尖角处尺寸：
控制好凸轮尺寸，并合理利用尖角处尺寸公差带，适当增大曲率半径。
4、感应淬火程序及试验结果
①高频设备（UM1500）程序：
N10 DEF REAL START_POS，END_POS，ANZAHL_1，ANZAHL_2，ANZAHL_3，ZAEHLER
N20 DEF INT KKK
N30 R4=1000
N40 FOR KKK=1 TO R4
……
N150 G64 G01 G90 Y=‐30 F5000
N160 F500 Y=START_POS
预热循环过程
N170 H0=84
N180 M86
N190ANF1：
……
N260 WHEN ZAEHLER==4 DO HO=86
N270 ZAEHLER=0
加热循环过程
N280 ANF2：
N290 IF（ANZAHL_2<=0）OR（ZAEHLER>=ANZAHL_2）GOTOF END2
……
N340 END2：
N350 ZAEHLER=0
喷水过程
N360 G90 G0 Y=‐10
……
N450 ENDFOR
N460 M30
②试验结果：
从横剖面上可以看出：高频处理后硬化层深度较均匀。我们利用4XB－TV型金相显微镜未发现金相组织粗大；利用430SVD型维氏硬度计对①、②、③检测，检测结果如下：
5、结束语
本文对凸轮类零件的生产具有指导意义，为避免尖角效应，除使用常规弱化尖角效应的方法外，还要考虑各种可能改善尖角效应的环节，才会达到理想结果；同时，在生产实际中还应考虑以下方面：
1）新产品试制时，初步确定一个参数或方案，需要几次试样才能确认下来一种最佳方案；
2）对于同一产品的不同批次，首件最好走完全流程。这是因为不同批次间细微差别也会影响最终产品质量。比如：凸轮R角尺寸，如果一个批次是上公差，而另一批次是下公差，公差带宽为0.2㎜，这两个批次的产品将影响凸轮R角与感应圈的间隙，对于高频后的产品质量有明显影响。
3）淬火介质的种类、浓度、温度，感应圈的磨损以及感应圈中磁通集中器（0.1㎜硅钢片）磁场强度等细节问题，在使用一段时间或次数后应进行一次再确认，以防有明显变化影响我们制定的工艺参数和流程。
4）在取样检测高频产品时，注意取样部位是否具有代表性，取样时是否造成组织变化、甚至引起内应力释放产生裂纹等影响。
参考文献
【1】《实用热处理手册》上海科学技术出版社，薄鑫涛、郭海祥、袁凤松主编，2009，P288
【2】论文《电磁感应加热理论研究和强力感应加热器设计》，胡旭东，2004，P4
[关键词]感应淬火电磁效应尖角效应
中图分类号：TM924.5 文献标识码：TM 文章编号：1009―914X（2013）31―0554―02
1、前言
在Siemens高压输配电控制部件中，经常用到各种凸轮零件，并且此类凸轮通常需要承受6KN～28KN瞬间冲击，因此凸轮表面硬化层深度和表面硬度的要求特别严格。
由于受凸轮结构的限制，在淬火过程中，对于不能对易产生尖角效应的凸轮棱边进行屏蔽保护，通常弱化尖角效应方法是：
a) 适当增大感应器与零件尖角或突起部分的间隙，以减少该处磁通量和电流密度分布；
b) 将零件尖角处的感应器做成圆弧状，在零件突起处适当增大曲率半径，以保持整个加热表面温度的均匀性。
上述方法优点是能弱化尖角效应的影响，即裂纹、过热等缺陷改善明显，缺点是常常造成尖角部位硬化层深度浅和表面硬度低等新缺陷。
因此，还需我们从许多细节着手，采取一些新措施。
2、零件的技术要求和特点
a）零件技术要求
我公司的凸轮采用42CrMo材料，零件感应淬火前已调质处理，感应淬火区域为图示─┄ ─区域，感应淬火后要求达到：
①热处理要求：─┄ ─区域进行感应淬火处理，处理后表面硬度达到HRC56～60
②硬化层深度：Rht525=2～4mm，
b）零件特点：
轴向较厚、R角小、硬化层深度均匀性要求高。
3、工艺参数的确定
3.1感应淬火频率的选择
A）频率的高低直接影响电流热态透热深度、零件的加热方式、感应器的设计和零件淬火质量，根据《实用热处理手册》查得透热深度简化计算公式：透热深度 【1】
为了获得较好的淬火质量，通常采用透入式加热，是硬化层深度小于透入深度，我们选用中上差来计算所需电流频率，△=3.5㎜。
电流频率 = 5002×△2 =20.4 kHz（通常20 kHz划为高频）
B）在满足工艺要求（表面硬度和层深）的情况下，由于感生电流（涡流）功率与电流频率平方成正比，因此尽量降低加热功率，这样可降低加热速度、延迟加热时间，使零件在受热过程中起一定均温作用，避免高功率、短时加热，产生尖角效应。其理论依据如下：
感生电流（涡流）功率（P）：
【2】
3.2加热方式选择
①一次整体加热方式
凸轮的棱边和拐角处易发生尖角效应，造成淬裂和表面硬度不均，且尖角处硬化层深是其它部位硬化层深的2倍以上，下图是上海一热处理厂为我公司进行感应淬火的该凸轮零件。
我们通过实验发现：一次整体感应淬火磁场在感应圈制成后，调整尖角处磁通密度手段效果不理想：增加零件与仿形感应圈的间隙，则尖角处表面硬度不足；如减少零件与仿形感应圈的间隙，则尖角效应明显，硬化层太深。
因此，一次整体加热方式虽然生产效率高，制造成本相对低，但该加工方法不适合本零件。
②连续扫描加热方式
当我们固定零件与仿形感应圈的间隙后，通过以下方法来避免尖角效应：
a）调节扫描预加热起止点：为避免凸轮上下边缘尖角效应，从凸轮轴向上下各留出1～2㎜，在凸轮轴向中部约85%区域进行扫描感应预热和加热；
b）调整感应器与凸轮的相对移动速度来控制加热：对于凸轮的上下边缘附近，感应加热移动速度较快，这样弱化上下边缘尖角效应；对于凸轮的中部，感应加热移动速度稍慢，中部可以充分加热。
c）第三，为避免零件产生应力集中，连续扫描加热方式可设定预热2～3次，使零件表面加热均匀。
该方法优点：连续加热方式适合于凸轮轴向较宽，加热平面较大，使零件受热均匀，减少热应力。
3.3感应器设计
感应器的设计采用经验公式和试验法相结合，我们重点关注凸轮沟槽和凸轮尖角，感应器的材料选用紫铜板，感应器的外形采取仿形。
根据感生电流（涡流）功率公式【2】可知，电流频率确定后，增加或减少导磁材料，能有效改变局部感应电流热效率，因此在尖角端部减少导磁材料可以减轻尖角效应。因此我们在感应器沟槽处镶嵌磁通集中器（0.1㎜硅钢片），在感应器尖角处增加充填绝缘树脂板。
另外，在感应器的形状做一些调整：上部1/3厚度做成圆锥状，下部2/3厚度为直筒状，这样上下间隙差使加热零件在移动过程中有一个预加热过程，以防止凸轮过热变形开裂。
3.4凸轮与感应器间隙的确定：
一旦感应器制作完成，适宜的感应器与零件间隙，它能直接影响到感应器效率和高频淬火表面质量。感生电流密度（在距表面X处的电流密度）
当零件与感应圈间隙越小，感应效率越高，零件的感应功率的效率就增加，加热速度就越快，加热层（淬硬层）也就较浅；反之，加热速度较慢，加热层也较厚.
根据试验，间隙选择1.8～2.4毫米之间，感应器的效率约为0.8。对于凸轮的尖角部位，间隙取上公差，有利于减轻尖角效应，同时又确保尖角处表面硬度和硬化层深度。
3.5、凸轮 机加工改善细节
凸轮加工流程：下料→锻造→调质处理→机加工（粗车、精车）→表面淬火、低温回火
从上述工艺过程看，影响尖角效应的环节有：
A）凸轮厚度方向的上下边缘的棱角；
B）尖角处的粗糙度；
C）尖角处的尺寸公差带等。
①上下边缘的棱角R
为避免“坯料端部效应”，对于感应加热淬火的凸轮，上下表面的棱角R，在不影响使用的情况下，增加R2～5，如客户允许，R角适当再增大一些。
②尖角处粗糙度对比：
粗糙度大对感应淬火面来说，将会引起表面温度不均匀，同时淬火介质易附着在表面，形成气膜，造成冷却强度不一，变形量大，容易开裂，表面硬度也会不均匀。常见的表面刀痕或较深伤痕在感应淬火时易开裂。尖角处粗糙度会加重尖角效应，造成凸轮淬火时易开裂
我们通过试验，表面粗糙度选用Rz 25～63比较经济合理。
③尖角处尺寸：
控制好凸轮尺寸，并合理利用尖角处尺寸公差带，适当增大曲率半径。
4、感应淬火程序及试验结果
①高频设备（UM1500）程序：
N10 DEF REAL START_POS，END_POS，ANZAHL_1，ANZAHL_2，ANZAHL_3，ZAEHLER
N20 DEF INT KKK
N30 R4=1000
N40 FOR KKK=1 TO R4
……
N150 G64 G01 G90 Y=‐30 F5000
N160 F500 Y=START_POS
预热循环过程
N170 H0=84
N180 M86
N190ANF1：
……
N260 WHEN ZAEHLER==4 DO HO=86
N270 ZAEHLER=0
加热循环过程
N280 ANF2：
N290 IF（ANZAHL_2<=0）OR（ZAEHLER>=ANZAHL_2）GOTOF END2
……
N340 END2：
N350 ZAEHLER=0
喷水过程
N360 G90 G0 Y=‐10
……
N450 ENDFOR
N460 M30
②试验结果：
从横剖面上可以看出：高频处理后硬化层深度较均匀。我们利用4XB－TV型金相显微镜未发现金相组织粗大；利用430SVD型维氏硬度计对①、②、③检测，检测结果如下：
5、结束语
本文对凸轮类零件的生产具有指导意义，为避免尖角效应，除使用常规弱化尖角效应的方法外，还要考虑各种可能改善尖角效应的环节，才会达到理想结果；同时，在生产实际中还应考虑以下方面：
1）新产品试制时，初步确定一个参数或方案，需要几次试样才能确认下来一种最佳方案；
2）对于同一产品的不同批次，首件最好走完全流程。这是因为不同批次间细微差别也会影响最终产品质量。比如：凸轮R角尺寸，如果一个批次是上公差，而另一批次是下公差，公差带宽为0.2㎜，这两个批次的产品将影响凸轮R角与感应圈的间隙，对于高频后的产品质量有明显影响。
3）淬火介质的种类、浓度、温度，感应圈的磨损以及感应圈中磁通集中器（0.1㎜硅钢片）磁场强度等细节问题，在使用一段时间或次数后应进行一次再确认，以防有明显变化影响我们制定的工艺参数和流程。
4）在取样检测高频产品时，注意取样部位是否具有代表性，取样时是否造成组织变化、甚至引起内应力释放产生裂纹等影响。
参考文献
【1】《实用热处理手册》上海科学技术出版社，薄鑫涛、郭海祥、袁凤松主编，2009，P288
【2】论文《电磁感应加热理论研究和强力感应加热器设计》，胡旭东，2004，P4