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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汽车半轴淬火设备，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。

齿轮感应淬火的发展

齿轮的硬齿面热处理工艺主要有 :渗碳 (和碳氮共渗 )、渗氮 (和软氮化 )及感应淬火。齿轮感应淬火和渗碳、渗氮相比 ,具有节能、节约合金元素、生产周期短、劳动环境好以及可在线生产等优点。因此 ,随着齿轮感应淬火工艺的不断改进 ,它在机床、汽车、拖拉机、机车以及回转支承等制造工业等应用领域得到了越来越广泛的应用。

常规 (单频 )齿轮感应淬火

机床传动齿轮使用感应淬火早 ,但受当时感应淬火电源频率的限制 ,大部分仍采用高频200kHz或中频 25～8kHz电应淬火。此种工艺常得到全齿淬硬或半齿淬硬的齿轮。

单齿一次加热或扫描淬火

单齿一次加热淬火中频 8～10kHz常用于m =8mm以上的大模数齿轮。沿齿沟扫描淬火　沿齿沟扫描淬火主要用于m =6mm以上的直齿轮及斜齿轮 ,此种方法应用极广 ,并且已有极成熟的工艺与装备。

钢齿圈的感应淬火

钢齿圈的表面感应淬火后技术要求为:表面硬度55HRC~60HRC,淬硬层深为1.1mm~10.8mm(齿顶为10.8mm,齿根为1.1mm)。

齿圈感应加热参数的选择现有的加热方式是采用中频电源,沿齿廓整体旋转加热达到淬火温度后,喷冷却介质,要达到齿顶、齿根均匀的硬化层分布,使齿圈得到接近仿形淬火效果,选择合适的加热功率、加热时间、预冷时间非常重要。根据齿圈同时加热淬火的面积、硬化层深度、比功率及加热时间之间的关系,确定齿圈的加热参数。

感应加热参数对齿圈淬火的影响齿圈感应加热的频率选择是比较复杂的,要选择的电流频率,使齿顶和齿根被均匀地加热有一定的困难,特别是模数m,齿数z及齿宽b等参数的变化都影响频率的选择。

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,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。

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。