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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传动轴淬火设备，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。

带偏心轮凸轮轴的感应加热淬火

凸轮轴是广泛应用于汽车、工程机械、拖拉机等发动机的重要零件,它与挺杆组成一对摩擦副,其主要作用是保证气阀定时开启和关闭。由于发动机的高速运转以及气门挺杆的冲击和磨损,在工作中除承受一定的弯曲和扭转载荷外,还要求具有良好的强度和表面耐磨性等。凸轮轴材料的选用主要取决于其在发动机中的工作条件、使用状况等。目前制造凸轮轴的材料、工艺种类较多,可分为钢和铸铁两大类。凸轮轴感应淬火机床必须对偏心轮表面淬硬。淬火机床具有两个工位，淬火变压器、感应器共两套,每个工位各一套。双工位可单独执行淬火程序,可对凸轮轴的各轴承档、凸轮档、偏心轮档单独进行加热、淬火。加热电源系统设备采用晶体管感应加热电源，输出功率范围可调。淬火机床控制部分该控制系统由西门子S840D数控系统构成,是该设备的核心部分，对淬火过程的凸轮轴运动、感应器移动、能量控制、冷却水和淬火介质的冷却、供给等进行控制,并具有自动监测和报警功能,能将故障编码和主要内容显示在主菜单上。可通过主菜单上的按钮进行操作,并对程序中各参数进行修改、保存,实现不同的淬火工艺。

低淬钢齿轮感应加热淬火

利用钢材的低淬透性 ,将感应加热透的齿轮用激烈的冷却水进行淬火 ,得到沿齿轮廓的淬硬层及略提高硬度的齿心部。低淬透性钢齿轮感应淬火样品这种工艺有如下优点 :( 1 )对感应加热电源要求不高 (常用 8kHz、1 0 0kW) ,即不需要特殊的频率及高的功率密度 ,设备投资费用少。( 2 )低淬透性钢成本低 ,其价格与中碳结构钢相似。( 3)轮齿表面有很高的残余压应力 ,齿心部由于热透 ,硬度略有提高 ,因此轮齿的抗弯性强度得到提高 ,综合力学性能好。

齿轮双频淬火

齿轮双频淬火机理齿轮双频淬火的机理是先用较低频率进行齿轮预热 。早期的齿轮双频淬火是在两个感应器中进行的 ,即先在中频感应器进行预热 ,然后在高频感应器中进行终加热。现代化的双频齿轮感应淬火现代化的双频齿轮加热已经改进在一个感应器内进行。

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。

齿轮双频感应加热过程及齿轮材质的选择

双频加热的原理是使用低高两种频率的热源。首先，以较低频率的热源加热(3—10kHz)，为齿轮预热提供所需能量。

随后，立即进行高频热源加热，频率范围100-250kHz之间。频率选择依齿轮尺寸及周节大小而定。高频热源将迅速使全部齿轮外表面加热至淬火温度，然后齿轮立即淬火，获得设计所规定的硬度。

在双频加热中，固定在心轴上旋转着的齿轮接受预热，随后一个快速“脉冲使之达到终适宜的淬火温度后，工件被送入水中淬火。全部过程共需30秒钟。

这一过程为计算机所控制。由于加热速度快，表面无氧化、脱碳现象，外观质量及心部材料的性能仍保持不变。

制造齿轮有多种材料，从工艺及经济的观点出发，钢得到广泛应用。

含碳量决定钢能达到的硬度。通常用于感应热处理的钢，视其表面的设计硬度要求，含碳量一般为0.40,0.50或0.60％为宜。

要使零件在局部加热之后淬火硬化，钢的含碳量必须达到设计硬度的要求。

双频感应淬火解决这一问题的办法是，严格控制热处理变形，使变形量限制在太多数齿轮的设计要求范围之内。

齿轮淬火处理有其特点，双频感应处理是各种方法中较理想的。在常规处理中，要同时满足一定的硬化层深度及变形要求是困难的，因为两者会相互影响，相互制约。而双频感应方法仅对齿轮的局部提供淬火所必须的能量(比常规生产减少2—3倍)，因此，变形范围及硬化深度均达到设计要求。

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。