摘要：目前国内对铲刀连接座采用的热处理方法有：整体和局部淬火。整体淬火法导致凹球面以外无需硬化的部位淬火后硬度过高，而火焰对其局部加热淬火法因受人为因素影响较大，其淬火质量难以控制，很难100%满足实际的使用要求。为解决上述不足，项目通过对铲刀连接座凹球面的中频感应淬火装置、中频感应淬火感应器及中频感应淬火工艺方法等成套关键技术的研究，使其淬硬层深度及淬火硬度满足使用要求，继而进一步确保了淬火质量的控制。所研究的淬火工艺具有科学性、前瞻性、适用性、实用性和稳定性。研制成功的沿球面扫描淬火装置、工艺装备和工艺方法可推广适用于各类凸凹球面和各类回转支承内、外球型滚道表面和内外表面的扫描感应淬火硬化。
关键词：铲刀连接座；凹球面；中频淬火；感应器；操作方法
铲刀连接座（以T80铲刀连接座为例，如图1所示）是大型工程机械上的关键零件，铲刀等主功能部件主要靠此零件实现万向转动，并承受较大的负荷，且工作条件恶劣。要求连接座的凹球面具有较高耐磨性和工件整体有足够的强度。通常采用两种方式对凹球面实现强化：即对工件进行整体淬火和对工件凹球面进行局部淬火。
整体淬火因工件形状特异，凹球面不易淬火硬化，而其他无需硬化部位硬度又过高，难以满足工件使用要求。数十年来一直沿用普通热处理工艺流程，生产周期长，成本高，大量浪费各种资源，不利于公司现在高速发展的需要，急需更新工艺，降低能耗，实现新技术跨越。
球面局部淬火能够科学地满足工件使用要求，具有节能高效等特点，符合低碳经济要求。但因凹球面形状复杂，对其进行感应淬火有较大的工艺难度。
为解决这一难题，即对一种铲刀连接座沿凹球面扫描中频感应淬火的工艺进行了研究，取得了沿凹球面约3mm硬化层深度的淬火结果，并研制成功采用数控技术整套淬火装置。T80铲刀连接座实施感应淬火表面硬化工艺后，不但表面硬度能够达到工作要求，并且使得零件心部硬度保持原来状态，具有较好的韧性，在使用过程中恶劣的振动环境也不易发生脆性断裂而失效，能够延长铲刀连接座的使用寿命，同时可节约生产成本约62%。
铲刀连接座所用材料为：ZG270-500；球面Sφ110mm处感应淬火（见图2），硬度52～57HRC；层深1～3mm；未注圆角R3～R5mm。
所用的设备型号为Z P250（250kW、3000～6000Hz中频电源）。
图1 T80铲刀连接座零件
1. 感应器及工装夹具
考虑此研究项目能推广应用于大型和特大型工程机械铲刀连接座等零件在凹球面获得更深的淬火硬化层，以满足大载荷工程机械产品的要求，特别设计和制造完成了可用于中频（4000～8000Hz）电源的专用感应器，如图3所示。同时也为各类回转支承内外滚道，内外表面淬火做好了充分的技术储备工作。
导磁体对于减少磁力线的逸散和提高感应器的效率是十分有效的，它是内孔与平面感应加热中不可缺少的工具。
如图4所示，当高频电流的载流导体上卡上Π形导磁体后，高频电流总是集中在开口部位流动。Π形导磁体驱流的原理是凹槽内部的电感比外层开口部分的大，迫使高频电流集中在开口部分，这就形成了驱流作用。
Π形导磁体是提高内孔与平面感应器效率不可缺少的工具。它们卡上Π形导磁体后，利用其驱流作用，可以改变高频电流与感应涡流的相对位置，使圆环效应与邻近效应相一致。例如内孔感应器由于圆环效应，高频电流在感应器内表面流过，在卡上Π形导磁体后将高频电流驱至外表面，使感应器与零件之间的有效间隙大为减小，效率大为增加。除此之外，感应器卡上导磁体后，磁力线将完全经过导磁体而形成闭合回路，从而在很大程度上减少磁力线的逸散。与此同时，由于导磁体具有较高的导磁系数，还可使磁通增加，所有这些因素，可以将内孔感应器的效率提高到接近外圆表面感应器的水平。
外圆表面感应器卡上导磁体后，限制了零件被加热的宽度，减少磁力线的逸散，也可略微提高这类感应器的效率。
导磁体是具有较大导磁系数μ的材料制作的，为了避免额外的功率消耗，所用导磁体材料的厚度必须小于其高频电流透入深度。
为了能够在淬火机床上实现铲刀连接座零件的中频感应淬火，设计制造了与淬火机床配套使用的工装夹具。经过调试及工艺验证，该套工装能够满足铲刀连接座淬火的要求，如图5所示。
2. 工艺方案
感应热处理工艺调整是在淬火机床、工艺装备完成后进行的，根据淬火零件的技术条件，其工艺调整包括电规范调整和热处理规范调整。
电规范调整主要是调出淬火所需功率，并使高中频电源设备不过载，处在良好的工作状态下。热处理规范调整主要包括：零件移动速度、加热温度、淬火温度或加热、预冷时间、淬火冷却介质选取及其浓度、温度、流量或压力、零件与感应器相对位置的调整等。
根据T80铲刀连接座典型零件的实际工作状况，通过调研和参考山推工程机械股份有限公司、徐州工程机械集团和其他同行业同类产品的应用现况，本项目研究组通过该产品设计部门和生产单位协商确认。此类零件应采用感应淬火工艺，使凹球面（关键工作面）获得硬度为≥52HRC深度为2～3mm的表面硬化层，以满足设计和使用要求。
图2 铲刀连接座Sφ110mm处感应淬火位置示意
图3 铲刀连接座零件中频感应淬火用的感应器
图4 Π形导磁体的驱流作用
1. 感应器 2. 高频电流3. 导磁体
下面通过中频感应淬火方式对该项目进行了研究。即采用中频（4～8kHz）电流沿凹球面扫描感应加热淬火，硬化层深度3～5mm，适用于其他大载荷工程机械产品。
（1）频率的选择 为实现规定深度高质量的感应加热，必须正确选择设备的频率。按设备频率选择的经验公式：
式中 Xk——要求的淬硬层深度，取Xk= 3～4mm，因此
（Hz），经工艺优化试验后：f取5000 Hz。
（2）加热功率
式中 P0——单位面积功率；kW/cm2；
S——加热面积；cm2；
ηn——感应器效率；
yT——变压器效率。
按照理论设计，根据感应器特殊结构、有效加热面积和实际经验得出如下经验数据。
ηn= 0.5（视感应器结构和加热方式而定）
（3）凹球面扫描线速度v（零件移动速度） 零件移动速度v是指零件通过感应器的距离与通过该距离使零件达到淬火温度所用的时间之比。具体为：
式中 h——感应器高度，本感应器高度为20 mm；
t ——加热时间，按经验数值取4s。
零件的移动速度v与数控机床编程时F值（与零件移动速度、感应器间隙大小、加热功率等有关）关系如下：
在数控机床编程时F取400～600，为获得更深的深度，可降低移动速度。经工艺优化试验后：在数控机床编程时铲刀连接座凹球面部位、凹槽部位F分别取500、400。
（4）加热温度 确定加热温度时，金属及合金的相变临界点、再结晶温度等是基本的理论依据，但还不能就此来确定各种不同热处理工艺的加热温度，而应当根据具体工件热处理目的来决定，况且工件的原材料及尺寸，加工过程与拟采用的工艺方法都对加热温度的选定有影响。而感应加热的目的，主要是使零件表面达到合适的淬火温度，并使零件达到一定的淬硬层深度。可以用以下两个公式来概括淬火规范的调整，即
（5）变压比 根据感应器结构及实践实验, 经工艺优化试验后取12∶1。
（6）电参数 电源电压：480～500V；电流：76～84A；电容：依据试验情况中功率因数值酌情增减，经工艺优化试验后：电容C设置在设备的1、2、3、5档（左起）。功率因数：最佳为cosφ=1，详见表1。
图5 铲刀连接座中频工装夹具
1. 主轴 2. M8螺钉 3. M10螺钉 4. M10螺母 5. 垫片 6. 后调整架7、11. 调整螺栓 8. 前调整架 9. 心轴 10. 定位盘 12. 底板
机床控制采用西门子802C伺服数控系统，淬火程序可键盘输入、存储和修改，用户可随时调用，淬火程序自动控制。采用的西门子802C双轴伺服数控系统，能够实现零件升降移动和变压器进退移动，零件旋转速度采用变频器控制，实现零件转速无级调节。
机床设置有三个电源功率输出控制通道，可与电源多功率输出通道接口连接，实现淬火过程中电源变功率的功能。
电气控制部分由数控系统、变频调速器、中间继电器等组成，数控系统采用西门子802C双轴伺服数控系统，伺服电动机驱动。系统可存储50种零件的淬火工艺，工艺程序可通过键盘进行编程、存储和修改。机床设置有失电保护、越位保护等功能，具有较高的安全可靠性。主轴旋转由变频器调节转速，控制转速可在数控面板上直接调节，在程序中直接设定转速，电动机就会按照给定转速旋转，自动执行程序。
（7）淬火方式 中频感应淬火设备采用GCLY1660型立式数控淬火机床。采用零件扫描移动并旋转的感应淬火处理方式。采用双轴伺服数控系统实现零件升降移动和变压器进退移动；机床主轴为双轴双速输出，一种输出用于零件快速旋转，实现常用的零件连续扫描淬火、同时淬火、分段连续扫描淬火等功能；一种用于慢速旋转，实现球面滚道类零件连续旋转淬火。零件旋转采用变频调速控制，旋转速度可无级调节。零件夹持长度可电动调整，以适应淬火零件长度的变化，调整方便。铲刀连接座零件调试方法如下：
表1 T80铲刀连接座中频感应淬火工艺参数
变压比电压/V电流/A有效功率/kW功率因数cosφ淬火水冷却压力/MPa 12∶1 480～500 76～84 38～42 1 0.4
其一，将机床置于手动模式，按数控面板反向旋转按键，旋转主轴反向旋转直至碰撞行程开关8SQ停止，此为加热起点位置，调整夹具或行程开关到位置合适。
其二，按数控面板正向旋转按键，旋转主轴正向旋转直至碰撞行程开关10SQ停止，此为喷液停止位置，调整行程开关撞块到位置合适，使喷液位置合适。
其三，行程开关9SQ为加热停止开关，需调整撞块到合适位置。
（8）铲刀连接座零件淬火工艺编程（程序名：WZTS1MPF瓦座工艺调试）
（1）无损检测 淬火后的零件经磁粉检测，未发现缺陷磁痕显示。
（2）金相检测 表面硬度为52.5H R C、53.5H R C、52.0HRC、53.5HRC，淬火硬化层深度3～4mm；硬化层组织结构：淬火马氏体5～6级（见图6）；硬化层基本沿球面均匀分布，纵向剖面宏观分布如图7所示；横向剖面宏观分布情况如图8所示。
（3）检验结果及稳定性验证 通过对工艺试验15件样品的检测，结果见表2。其试验用淬火装置、工艺装备和淬火工艺具有稳定的可靠性和重现性。工艺完善后，小批次试验检验15件，经100%无损检测，其结果具有可靠的稳定性。
图6 淬火后金相组织
图7 硬化层纵向宏观轮廓
图8 硬化层横向宏观轮廓
表2 硬度检测结果
序号硬度HRC 152.053.052.054.053.5 252.052.553.054.552.0 353.053.052.053.054.5 453.552.052.553.052.0 551.553.053.051.853.0 653.553.652.754.452.8 752.553.052.054.052.0 851.652.853.053.552.4 952.053.052.052.554.0 1053.052.553.752.651.9 1152.551.852.654.353.6 1251.452.052.553.054.0 1352.552.053.054.653.2 1452.452.653.553.054.5 1553.552.851.654.053.4
（1）从生产的75件铲刀连接座零件的感应淬火件中随机抽检15件，测得其淬火硬度值为52～54HRC；硬化层深度为3～6mm，符合产品图样对零件的热处理要求。
（2）所研究成功的淬火工艺、工装和成套淬火装置，可推广应用于各类凹凸球面回转支承内外滚道和内外表面的扫描淬火，且编程、操作方便实用，淬火过程简单可靠，一旦工艺确定，整个淬火过程具有可靠的重现性，可确保淬火结果和淬火质量的稳定性，同时对感应设备的拓展应用也获得了进一步的提升。
（3）该研究成果可归属于感应淬火领域内一项具有突破性进展的试验工作。在热处理生产过程中，数控机床越来越得到广泛的应用，能够使我们在更加高效和精确的质量控制下，生产出符合环境保护要求、安全的高质量零件。利用数控机床技术来改进铲刀连接座等零件原有落后的热处理技术，每年可节约生产成本7.5万元左右（计算数据见表3），加上各种物流、人力、设备、能源、工装等节约的成本将更可观。
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表3 铲刀连接座合件热处理工艺改进前后产值、单价、节约利润
项目产品型号T80T90T120T140每套重量/kg18.6183630.5淬火每件价格/（1.6元·kg-1）29.7628.857.648.8退火每件价格/（1.1·kg-1）20.4619.839.633.55喷砂每件价格/（0.5·kg-1）9.391815.25现行热处理各工序总价格/（元·kg-1）1.6+1.1+0.5=3.2各机型产量/（件/a）120480120120各机型连接座数量/（件/a）240960240240各机型连接座热处理总产值/元14284.8552962764823424所有机型热处理产值合计/元14284.8+55296+27648+23424=120652改进后感应淬火单件价值/（1.2·kg-1）22.3221.643.236.6改进后单件节约生产成本价值/元37.2367261改进后每公斤节约（%）（3.2-1.2）÷3.2=62.5改进后每年按现产量共可节约成本即利润额/元120652×62.5%=75408
20170406
作者简介：孔春花，第一拖拉机股份有限公司工艺材料研究所，教授级高级工程师，主要进行热处理工艺研究和失效废品分析。联系电话：13653877821；0379-64968834；E-mail：lbnkch@163.com。李瑞卿、张沈洁、刘进营，中国一拖集团有限公司工艺材料研究所。
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