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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，感应淬火与调质、渗碳、渗氮一起构成四大基础工艺。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轴淬火设备。根据ISO6336标准齿轮淬火设备，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，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）相比于渗碳淬火轴淬火设备，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。

（4）便于机械化和自动化，设备紧凑花键轴淬火设备，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。

花键轴感应淬火的研究

目前，花键轴中频感应淬火工艺已逐步代替原渗氮工艺。

(1)淬火感应器与花键轴键槽同一截面各部位不等间距齿顶部位加热速度快,增大间距,减弱磁感应强度;齿面部位加热速度较快,增大间距,适当减弱磁感应强度;齿根部位加热速度慢,增大间距,增强磁感应强度。

(2)加装导磁体减少感应器鼻部宽度,利用镶装磁阻小的导磁体材料(硅钢片)。感应加热磁场邻近效应及导磁体的驱流效应,使感应磁场进一步被挤向感应器鼻部边缘,相当于再缩小感应器与齿根间距,提高齿根加热速度,达到接近齿面加热速度,这样达到减少花键轴同一横截面淬火加热温度不均匀性的目的。

大模数齿轮淬火用感应加热电源控制系统

与感应加热表面淬火相比，渗碳淬火虽可以使齿面达到很高的接触疲劳强度、高的抗弯曲强度及良好的耐磨性，但热处理周期长，淬火变形大，因此世界上工业化国家在生产大模数重载齿轮轴逐渐开始采用感应加热电源淬火，其特点是加热速度快、几乎没有保温时间 (加热到温后立即淬火)。目前以数字信号处理器(DSP) 和复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 为核心的感应加热电源，已经科技取代进口设备。

基于 DSP 的感应加热电源主要包括主电路与控制电路两部分，主电路包括整流和逆变两部分。主电路整流部分输入为380V/50 Hz 工频交流电压，经三相不控桥式整流后，转变为直流电压，轮流导通和关断逆变桥器件，在逆变器的输出端获得交变的方波电压，经高频逆变变压器耦合输出到谐振电容和感应线圈，通过串联谐振产生电流，在线圈中形成交变磁场，对工件进行感应加热。

由于感应加热用IGBT器件工作频率在20至100kHz，可以满足大多数感应加热的工作需求。由DSP产生PWM脉冲信号。控制过程中融入恒流PID和数字锁相环运算、PWM 波形输出频率实时性和高分辨率移相 PWM 及死区时间控制，计算时间短，计算量大，要求系统有较高的运算速度和精度；需要同时对多个电流、电压值进行采样分析，要求系统有较强的并行处理能力，能完成系统要求的数据存储、传输、显示等功能。

锥齿轮感应淬火工艺

新工艺针对锥齿轮的淬火工艺开发，但不受零件的限制。所有的工件都得到平直的、连续的表面，这样淬火后工件才能得到足够的尺寸精度。

原则上，新装置的工作方式和一般模式相同。附加的是，新装置具有坚固的底部固定和上部固定装置，可以很好地夹持加热后的工件，实现淬火工艺。

采取新一代感应淬火设备和淬火工艺后，实现如下的优点：

（1）工艺过程能够在生产线实现。

（2）单件流动。

（3）工艺随时开始，不需要炉子那样长的加热过程。

（4）由于加热时间短，因此节能。

（5）由于控制优良，可实现的重复性生产。

（6）工件终尺寸精度。

（7）工件变形小，废品率低。

（8）后续工序少。

淬火设备的核心装置是一种新的感应淬火机床，配置完整的感应器系统和冷却系统。

齿轮联轴器感应加热淬火的工艺研究

鼓形齿轮联轴器在高速、重载机械上得到广泛应用，具有无轴向窜动、传动平衡、冲击振动和噪声小的特点，但加工工艺过程比较复杂，原热处理花键采用渗氮处理。

为了提高生产效率，降低生产成本，在保证产品质量的前提，对齿轮联轴器进行了感应淬火处理的测试。测试采用数控感应淬火机床，淬火感应器与工件之间间隙均匀，采用扫描淬火的方式进行.淬火后工件的内花键，外鼓形齿硬度均符合技术要求，对内花键、外鼓形齿进行了裂纹检测，未发现裂纹。对感应淬火后齿轮联轴器内花键、外鼓形齿进行变形检测，变形较小，符合技术要求。有效硬化层深度，均满足技术要求。金相组织检验属于细马氏体，组织级别符合标准要求。相对于渗碳工艺相比，可以缩短生产周期，并且可以提升生产效率，并降低生产成本。

整体感应淬火工艺技术针对现有分段感应淬火工艺技术存在的问题进行研究，开发出整体感应淬火技术，整体感应淬火工艺技术是将原来的两次感应淬火工艺合二为一，解决了分段感应淬火过程中存在的问题，并使淬火区域连接在一起，实现淬硬层连续，提升产品质量，提高生产率，降低生产成本。整体感应淬火技术的开发主要包括感应淬火技术感应器的设计及试制、轮毂轴管零件的工艺调试及结果分析；通过多轮的试验及工艺调试试制出感应淬火感应器，开发出感应淬火工艺，并试制出合格的轮毂轴管零件。整体感应淬火技术由于淬火区域大，零件储热高，为自回火技术的实施创造了条件，因此在开发整体感应淬火工艺过程中通过严格控制喷水压力、持续时间、淬火液浓度等参数，使零件淬火后余温达到大约200℃，实现了自回火，节省了回火费用。