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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汽车半轴淬火设备。感应加热淬火是热处理重要工艺之一齿轮淬火设备,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,感应淬火工艺曾发挥了重要作用。

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。在美国轴淬火设备,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。

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花键轴淬火设备,都具有巨大的市场。

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。

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。

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。

轴类零件在感应加热淬火后的回火温度

感应淬火的钢轴类零件的回火温度为150至205摄氏度。在该温度的回火条件下，40钢的轴具有的扭转强度和较好的塑性（扭曲度），并具有的性能和抗过载性能。

此项结果是通过对40钢（热轧圆钢）的轴类零件在进行多次感应淬火和回火试验得出的结果。试验在同一环境及同一感应加热设备下进行。在试验中进行了150摄氏度、175摄氏度、205摄氏度、260摄氏度、315摄氏度等一系列的回火试验并通过数据比对得出的结论。从40钢轴的扭转试验结果看，在150摄氏度至205摄氏度回火温度下可以获得的性能。疲劳试验表示温度超过205摄氏度后，回火的结果并不理想。对于温度超过150摄氏度的回火而言，扭转强度极限下降了，而断裂前的扭转度在205摄氏度回火时达到了峰值。

采用同时双频法，频率较低和较高同时馈入感应器。硬化通过加热来实现。正确淬火对于的旋转硬化结果至关重要，应该在加热后尽快进行。时间间隙加热和淬火可以通过使用快速CNC轴定位来化喷头，或通过将猝熄电路集成到感应器中。在此期间淬火阶段齿轮的转速降低到50rpm以下避免在与旋转方向相反的侧面上的“阴影效应”。

许多其他因素影响自旋硬化结果。材料要硬化和其初始结构，例如，具有决定性的影响。由于短奥氏体化时间，初始钢结构必须是密实的（ASTM7及以上）。非均匀的珠光体 - 铁素体初始结构是不合适的。初始结构和碳含量的重要性随模块尺寸而增加减少。如果稍微增加的淬火畸变是可接受的，则是感应的预淬火和回火在轮廓淬火之前可以大大提高齿轮的淬透性。

模块尺寸是旋转硬化的另一个关键因素。自旋硬化是一种通用且可靠的工艺，可以硬化齿轮，螺旋齿轮和内齿轮与表面不规则的距离。利用独特的感应器解决方案可用来限制这种效果通过增强功率分布。