郑州领诚电子技术有限公司

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。考虑到生产实际齿轮表面淬火设备，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齿轮淬火设备。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，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）相比于氮化轴淬火设备，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。

（4）便于机械化和自动化花键轴淬火设备，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。

凸轮轴采用淬火设备进行淬火热处理，其感应器是怎么样的呢？

凸轮感应器有圆环形与仿形两种。发动机凸轮感应器大都采用圆环形有效圈。为防止相邻凸轮或轴颈受到磁场影响而回火，因此，需要在有效圈上跨上导磁体束，既提高感应器的效率，又防止磁力线散射。早期的凸轮感应器在有效圈两端装上导磁体板与短路环，同样具有屏蔽效果，但损耗较大，现在已经被淘汰。

凸轮感应器有时采用双孔串联，主要是为了利用变频电源的功率，一般凸轮轴的轴颈数量少（如3个），而加热表面积大，凸轮则数量多（如8个）而加热面积小。因此，当采用双工位凸轮轴淬火机时，双孔凸轮感应器与单孔轴颈感应器交替工作，能得到恰当的匹配。

凸轮轴轴颈感应器一般为一次加热带喷液结构，特殊尺寸的轴颈也有采用扫描淬火的。制动凸轮感应器，由于工件要求的淬硬部位为两个圆弧面，现代制动凸轮感应器大都设计成仿形结构。为避免凸轮尖部温度过高，有些感应器设计时，针对桃尖部装有针形阀结构，凸轮加热时，针阀小孔喷出微小的淬火冷却介质，进行温度调整。

凸轮轴采用淬火设备进行淬火热处理，其热处理工艺主要是通过感应器实施的。因此，了解凸轮轴的淬火感应器具有非常重要的现实意义。

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。

齿轮高频感应加热淬火温度

加热温度及加热速度是感应加热的基本的工艺参数， 它直接决定钢的相变过程和淬火后的组织，是提高和稳定高频表面淬火工艺质量的重要保证。

高频感应加热是由交变电磁感应产生涡流和磁滞加热零件。高频感应加热速度很快，在相变区内可达50-500摄氏度/秒，甚至更高。

高频感应快速加热中，在其他因素相同的条件下，完成相变的条件取决于相变 区内的加热速度，加热速度越快，完成相变的温度就越高。

获得淬火硬度的温度，就是完成相变的理想淬火温度,淬火组织为隐针状 或细针状马氏体。若低于该淬火温度下淬火，则淬火组织中出现屈氏体和少量铁素体；若高于该温度淬火，则得针状或粗针状马氏体。

淬火温度的选择，主要决定于零件的服役条件，如以提高表面耐磨性为主，不 受冲击的零件，可选择获得硬度的淬火温度。

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。

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。