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齿轮感应淬火的应用前景

感应淬火是热处理行业所追求的清洁生产工艺,感应淬火所具有的一系列优点是其他热处理工艺难以比拟和取代的。感应加热淬火是热处理重要工艺之一,尤其以它具有生产、节约能源、环境污染小,以及易于实现自动化等优点而倍受欢迎。在齿轮的强化方法中,与调质、渗碳和渗氮一起构成四大基础工艺,在齿轮从软齿面向硬齿面技术发展的过程中大直径齿轮单齿淬火设备,感应淬火工艺曾发挥了重要作用齿轮淬火设备。

国外感应加热淬火的应用还是比较广泛的。在日本,铁路机车齿轮,包括高速机车齿轮以感应淬火为主。在美国,感应淬火齿轮的典型应用包括:(1)大型挖掘机齿轮。(2)重载起重机驱动齿轮。(3)轧糖机的大扭矩传动齿轮。(4)轧钢机的主驱动齿轮,剪切机齿轮以及卷曲机械齿轮。(5)水泥磨驱动齿轮轴淬火设备。

我国的感应加热电源及淬火设备针对齿轮产品的工艺技术需要,开发成套装备和相应的工艺,如前景看好的双频、多频,同时加热大功率电源、脉冲加热电源、CNC齿轮淬火机床及配套的辅助设施和工艺软件等方面,都具有巨大的市场。

车轴感应淬火设备

感应器研制车轴是一个变直径的圆柱体,要实现全长表面淬火在很大程度上取决于感应器的结构设计与制造。加热用感应器的设计应主要考虑①使被加热零件的表面温度均匀;②感应器损耗小花键轴淬火设备,电;③感应器冷却良好;④制造简单,有足够的机械强度,操作使用方便。车轴加热感应器用矩形紫铜管制造成圆形感应器,并通水冷却,零件加热后由用附带喷水圈进行喷射冷却。为了保证在感应加热中尽可能地减少漏磁,提高加热效率,感应器与零件之间的间距尽可能小,但要有足够的间隙,保证使感应器能与车轴的相对运动顺利进行。因此,选择圆环形感应器内侧与车轴轮座表面之间的距离为5～6ｍｍ较为合适。

加热设备频率的选择感应加热的电流透入深度与电流的频率成反比,必须正确选择中频发生器设备的中频电流频率,以实现一定加热深度的感应加热。正确选择加热电流频率可实现技术要求,提高热处理质量,充分发挥设备的效能,提高生产率,节省电能。感应器的电频率选择与零件的直径大小有关,大直径零件可采用较低的频率,所以对于直径很大的车轴,选择下限频率中频电源作为车轴感应加热的中频加热设备。

冷却器的研制车轴中频感应表面淬火,冷却是关键。因为车轴钢的含碳量低,临界冷却速度高。选择适当的冷却方法和冷却介质,才能使淬火区获得马氏体组织。因此,冷却器的合理设计就显得致关重要。所以 ,喷水圈喷水孔采用多排交叉分布,为防止靠近感应器处喷水孔喷射水柱飞溅影响加热效果。

淬火机床的研制为尽可能减少车轴淬火后的变形,淬火机床采用竖立式,车轴垂直放置，自身旋转,以使车轴圆周表面的加热均匀。淬火机床上的中频变压器连接加热用感应器一起可沿车轴纵向上下移动 ,移动速度采用变频连续可调。

汽车半轴感应加热电源电流频率及加热时间的选择

汽车半轴局部感应加热时频率的选择基于以下两个因素:

(1) 感应器的电效率,使其力求接近于极限值,这就要求有足够高的电流频率,因为电效率随频率而提高。

(2) 加热时间的情况下,保证工艺需要的心表温差,即要求适度降低电流频率。高的电效率短的加热时间,使局部加热必然会产生的局部热向毛坯非加热部位的热传导会更少。因此,局部感应加热的效率,基本上取决于电流频率的正确选择。电流频率可依据半轴坯料的的直径来选择电流的频率。

坯料以给定的心表温度差由起始温度(这里取600 ℃)加热到锻压温度所需要的时间,称为加热时间。在给定心表温度差(如100 ℃温差规范)的前提下,加热时间只取决于电流的频率(它决定电流透入深度)、坯料的物理性质(导热性)以及坯料的直径(坯料的直径减去电流透入深度决定了平均热传导的距离)。

加热时间的确定非常重要,坯料在感应器内实际的加热时间小于确定的加热时间, 从感应器内出来的坯料的心表温差将大于100 ℃,而达不到锻压需要的温度要求;如果大于确定的时间,将会造成能耗的增加,工作节拍延长,生产效率降低,加热段向非加热段热传导增加,甚至造成加热段过烧、坯料报废的严重后果。坯料直径按直径来进行加热时间的计算。

提升齿轮硬度的方式：感应加热及淬火

齿轮旋转淬火（使用环形感应器）

旋转淬火是的感应齿轮硬化方法，并且它特别适用于中等大小的齿轮。在加热期间旋转齿轮以确保能量的均匀分布。可以使用环绕整个齿轮的感应器。当应用感应器时，有五个参数对硬度起主要作用：频率，功率，循环时间，感应器几何形状和淬火条件。通过加热时间，频率和功率的变化获得的感应淬火图案。通常，当仅需要硬化齿尖时，应结合较短的加热时间来施加较高的频率和较高的功率密度。为了硬化齿根，使用较低的频率。

感应淬火是一个两步过程：加热和淬火。两个阶段都很重要。在旋转淬火应用中有三种方法来淬火齿轮

1.将齿轮浸入淬火槽中。这种技术特别适用于大齿轮；

2.使用集成喷雾淬火“就地”淬火。中小型齿轮通常使用这种技术淬火；

3.使用位于感应器下方的单独的同心喷雾灭火块（淬火）。淬火-蒸气层，沸腾和对流热传递的三个阶段的经典冷却曲线不能直接应用于喷射淬火。由于喷射淬火的性质，两个阶段被大大抑制。同时，在对流阶段期间的冷却更严重。齿轮几何形状和转速是在齿轮淬火期间对淬火流动和冷却严重性具有显着影响的其它因素。同样重要的是避免感应器和淬火系统相对于齿轮和齿轮摆动的偏心。即使齿轮旋转，齿轮摆动将导致齿轮的特定部分在加热期间更热，因为不管旋转，它将总是更靠近线圈。除了不均匀加热以外，摆动还引起不均匀淬火，导致额外的硬度不均匀性和齿轮形状变形。已经报道，使用齿轮旋转硬化技术而不是“逐齿”或“间隙”方法在齿根内获得更有利的压缩应力。

汽车轮毂轴分段感应淬火与整体感应淬火的工艺的区别

分段感应淬火和整体感应淬火在汽车轮毂轴上应用的进行对比。

1.分段感应淬火工艺

目前生产厂家大部分都设计采用复杂台阶的轮毂轴管结构，由于轮毂轴管特殊结构，目前感应淬火强化多采用分段多次进行。淬火强化区域包括两段外圆柱面及三个过度圆角，淬火区域比较复杂。分段感应淬火技术有以下缺点：

（1）轮毂轴管有两段不连续的淬火区，分两道工序淬火，所需感应器品种多；

（2）淬火变形超差造成废品率较高，且分段淬火生产节拍慢、成本高、工人劳动强度大；

（3）分段感应淬火形成的中间淬火软带降低了轮毂轴管的强度，由于淬火硬化区和软带硬度相差大，进入磨削工序软带部位粗糙度偏低，影响磨削质量；

（4）分段感应淬火技术中圆角靠圆角的热传导带起来，台阶尖角部位存在明显的过热问题；

（5）分段感应淬火使零件储热少，自回火开裂风险增大。对于以上分段感应淬火技术所带来的缺点，其中淬火变形问题可以采取加大磨削余量的办法解决，但会增加部分磨削加工的成本；其他缺点在使用分段淬火技术时是无法解决办法的，如需这些问题，需进一步优化感应热处理工艺。

生产应用及推广

（1）轮毂轴管整体感应淬火的结果分析将整体感应淬火的轮毂轴管样品切样分析，结果淬火区域连续，圆柱面和圆角淬硬层比较均匀。同时在零件的淬火区域内用洛氏硬度计在不同部位上进行硬度检查， 其硬度比较均匀，硬度值为50~55HRC，能满足产品设计的技术要求。用以上的检验结果与分段工艺淬火结果进行对比分析，其硬度和淬硬层深优于多次分段淬火工艺，调试完成的工艺淬火层连续均匀，且采用了自回火技术，提高了产品的质量，降低了生产成本。因此，整体一次感应淬火完全可以替代于分段感应淬火技术；

（2）轮毂轴管整体一次感应淬火的小批量生产试制经过多方论证及试验对比分析，已经按计划分阶段完成了该零件的工艺试验，小批量试制以及大批量的生产，经过使用表明整体一次应淬火代替分段感应淬火这一工艺改进确实可行，零件生产的各项技术指标及经济指标均已达到和满足设计要求，从很大程度上已经显示出整体一次应淬火这一工艺的优越性和先进性.