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感应淬火技术在风电增速齿轮箱内齿圈上的应用

在齿轮的强化方法中大直径齿轮单齿淬火设备，感应淬火与调质、渗碳、渗氮一起构成四大基础工艺齿轮淬火设备。考虑到生产实际，在风电增速箱内齿圈的批量生产中采用渗氮或感应淬火工艺可以获得比较高的生产效率及较低的生产成本。具体采用何种工艺主要由客户要求、自身工艺控制水平及生产效率成本等因素而定。根据ISO6336标准，对于模数大于16的齿轮件就不再推荐使用氮化工艺提高表面硬度，故对模数大于16的内齿圈推荐采用感应淬火工艺进行加工。

1.感应淬火工艺

风电增速箱内齿圈一般采用逐/隔齿沿齿沟扫描技术进行感应淬火。采用设计制造合理的感应器，配合的工艺参数控制，可以生产质量优良、稳定的感应淬火齿圈。

2.感应淬火的优缺点

将感应淬火技术应用于风电增速箱内齿圈上轴淬火设备，不仅具有生产、节约能源、环境污染小以及易于实现自动化等感应淬火共有优点，还具有以下特点：

（1）相比于氮化，其对基体硬度和组织要求可以适当放宽。

（2）相比于渗碳淬火，工件不是整体加热，变形较小，故相应磨量较小，设计放模量可减少，且后续生产加工成本较低。

（3）批量生产时交货期短，满足一些客户需求花键轴淬火设备。

（4）便于机械化和自动化，设备紧凑，使用方便，劳动条件好。

但使用感应淬火技术对内齿圈进行加工，尚有以下困难及缺点待克服：新齿形产品工艺试验周期较长，感应器设计/相关工艺参数选择需要慎之又慎；不能实现全齿宽淬硬。目前可满足设计上80%齿宽高符合工艺要求，这一点也是未来需要改进和克服的地方；批量生产时，发生批量事故风险较大，需要严格的质量控制体系和较高的质量控制水平来进行控制。

边轮支承轴的中频感应淬火

轮边支承轴是一种大型重载外圆变截面感应淬火零件,其材料从欧洲进口 (零件材料按欧洲标准 ) ,成分接近于国内的 35Ｇ钢 ,热处理要求十分严格。硬化层深度要求较深 ,且在不同截面处的硬化层深度要求不一 ,台阶处要求连续过渡。淬火加热及冷却系统在完成一个工作程序后 ,回到起始工作位置时 ,其重复定位精度误差不能超过 0.05ｍｍ ,系统的移动速度应均匀平稳 ,能在规定的不同位置停留 ,在不同区域以不同的规定速度工作 ,这样才能保证工件不同截面及尺寸过渡区的硬化层深度达到工艺要求 ,产品质量连续、稳定、可靠。

感应淬火设备是保证质量的前提 ,在正常生产过程中应尽可能减少人为因素对产品质量造成的影响 ,即自动化程度要高 ,不同工件的成熟工艺及参数等都应能存储 ,随时调用。感应器截面是斜面状 ,使用安装时感应器底部尽可能贴近工件的环形面 ,感应器内径也比常规尺寸偏大 ,使其稍离圆柱区。适当停留感应器 ,由于热传导和微弱感应双重影响 ,使环形区与圆柱区之间的过渡区 得以加热 ;之后 ,感应器沿圆柱区向花键区方向移动 ,并根据硬化层深度要求不同 ,设定不同的移动速度和加热功率 ,并冷却 ,可以获得预期的硬化层。

花键轴零件感应淬火

花键轴类汽车零件在使用中承受扭转应力和滑动摩擦,所以需要具有较高的表面硬度和抗扭转强度。感应淬火是提高其使用性能的方法之一。在汽车或机械制造领域中,花键轴类零件往往是承受交变的扭转、交变的弯曲和滑动摩擦等载荷。商用车常见花键轴类零件主要包括驱动半轴、贯通轴、传动轴、花键轴、花键轴叉、轴间差速器壳、行星轮架轴、制动凸轮轴等。在生产实践中为提高这些零件的使用性能,除个别零件采用调质工艺外,绝大部分零件采用感应热处理强化工艺,其抗弯曲强度和抗扭转疲劳强度等性能得到极大提高。

整体一次加热淬火方法感应器结构为矩形铜管加导磁体的纵向分布形式,即由铜管绕制成矩形回线结构, 加热时,工件上的感生涡流纵向环流,在工件旋转同时整个圆周面迅速被加热。感应器铜导线上装置的导磁体起到控制磁力线分布的作用。感应器的附近装置喷液冷却器,在加热工件达到设定温度(或时间)时自动喷液冷却。目前,国内汽车厂家多采用整体一次加热淬火方法来处理半轴这类零件,零件的质量和生产效率均达到比较好的状态。

移动(扫描、连续)加热淬火方法感应器一般为圆环形回线结构,环形导线内部通有足够压力和流量的循环冷却水。感应加热时,工件上有周向感生电流流动,工件一边加热一边与感应器相对移动,感应器上装有喷液器,以实现一边移动(扫描、连续)加热一边喷射冷却液冷却,终实现淬火强化的目的。

汽车半轴坯料中频感应加热质量的控制

为便于实现机械化和自动化，提高生产效率，中频感应加热金属在国内一些企业也逐渐得到广泛运用。

感应加热的基本原理是当施感导体（感应器）中通入交变电流以后，在它的周围产生一个交变的磁场，把金属毛坯置于交变的磁场内，在其内部便产生一个交变电势，在电动势作用下金属内部产生交变涡流。由于金属毛坯电阻上的涡流发热和磁性转变点以下的磁滞损失发热，把金属毛坯加热到所需要的温度。由趋负效应可知，电流仅在被加热的金属表面层流过，表面层中的金属主要靠电流流过而加热，内层（中心金属）则靠外层热量向内层传导而加热。一般来说，当毛坯表面加热到锻造温度时，表面和中心温度差不得超过100℃。对于大直径的毛坯，为了缩短内层金属的加热时间、提高加热速度，建议选用较低的电流频率以增大电流透入深度，否则选用的频率太高，电流透入深度将减少，不但延长了热量由外层向内层的传递时间，增加了热量损失，热效率低，甚至会造成表面过热。小直径毛坯感应加热时，由于截面尺寸小，可以采用较高频率，以提高电效率。

中频感应加热设备是目前主流的电磁感应加热技术，有很多优点：升温快，氧化和脱碳少，劳动条件好，便于实现机械化和自动化。

汽车半轴局部感应加热感应器的类型

等直径变匝距感应器 当变截面圆柱体毛坯加热时,例如带台阶的变径毛坯,在同一加热时间内,必须保证在各个区段上析出不同的能量,能量也就是单位长度上的功率与直径区段相对应。这一点靠各区段上磁场强度的相应分布便可做到,为此感应器应做成变匝距的。直径的区段上的匝距而磁场强度。为此要确定各个区段上的单位功率, 平均单位功率和平均单位匝数,感应器的分段长度。

以上这种变截面圆柱体毛坯加热,感应器设计为变匝距,优点是感应器可做成等直径,不必仿型。

缺点是感应器设计制作较复杂,对于相对较细的直径来说感应加热的效率偏低。而且设备调试也较复杂。

因此目前在半轴二火补温加热时更多得采用仿型感应器。感应器设计为等匝距。

等匝距仿型感应器 仿型感应器加热的基本原理是根据感应加热的电效率与感应器线圈内径与坯料外径之比有一定的函数关系来考虑的。

1.仿型的矩形感应器形式

矩形感应器又可称为椭圆截面感应器,与这种仿型的矩形感应器配套的机械装置常见的推料方式有3种情况:利用气缸或液压缸移动坯料;链式或板式输送带移动坯料;自动旋转装置移动坯料。

仿型的矩形感应器存在以下问题:由于坯料形状的特殊性,向感应器进料和出料时,坯料在感应器内移动困难等问题。虽然感应器制作工艺较简单,但机械动作较复杂,这种方式较少采用。

2.仿型的U型感应器形式

仿型的U型感应器是坯料端部感应加热又一种常用的加热方法。仿型的U型感应器常见的坯料移动方式,也有3种形式:利用气缸推动坯料;利用链(板)式移动坯料;自动旋转装置移动坯料。

这种仿形的U型感应器的机械动作虽然比较矩形感应器简单一些,但感应器的制作太复杂,人们也较少采用,另外,U型感应器的效率也相对。

齿轮感应淬火的作用与目的

近年来 ,随着齿轮生产商对技术认识的不断提高，带来了多方面的改进，如低噪音、轻量化、低成本和高承载能力等，使得齿轮副在高速和大扭矩作用下产生少的热量。并不是所有的齿轮都适应感应淬火 ,外螺旋直齿轮、蜗杆齿轮、内齿轮、齿条和链齿属于典型的感应淬火齿轮零件。相反，锥齿轮、双曲面齿轮和非圆形齿轮几乎不使用感应热处理。

与渗碳和渗氮相比，感应淬火不要求齿轮整体加热。通过感应淬火，可将热量地施加于特定的区域，使该区域产生所期望的相变 (例如齿廓、齿根和齿顶有选择的硬化) ，且对其余区域的影响很小。根据应用情况，齿部硬度范围一般是 42～60 HRC。

齿轮感应淬火的一个目的是在齿轮的特殊部位得到细晶的全马氏体层 ,以提高硬度和耐磨性。 但不会使其余部分受热处理的影响。 硬度的增强也提高了接触疲劳强度 ,由于同时增强了硬度、耐磨性并可获得细晶粒的马氏体层 ,所以可以使用廉价的中高碳钢或低合金钢去替代较贵的高合金钢。

并非总是能够得到全马氏体层 ,根据钢的品种不同 ,硬化层不可避免存在残余奥氏体 (除非使用低温处理) 。 对于含碳量高的钢和铸铁 ,尤其如此。

齿轮感应淬火的另外一个目的是增加齿轮表面压应力。这是很重要的，因为它有助于抑制裂纹的产生，也阻止了拉应力引起的弯曲疲劳性能的下降。这种钢铁的使用 ，使它原先的显微组织和齿轮工况 (包括载荷情况和操作环境) 决定了所需要的表面硬度、芯部硬度、硬度断面、齿轮强度和残余应力分布。