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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。感应加热淬火是热处理重要工艺之一内齿圈淬火设备,尤其以它具有生产、节约能源、环境污染小齿轮淬火设备,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,感应淬火齿轮的典型应用包括:(1)大型挖掘机齿轮轴淬火设备。(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,都具有巨大的市场花键轴淬火设备。

在轴类零件中的应用轴类感应淬火

一般是对轴表面进行局部淬火,材料为45钢或40Cr,淬火的硬度可根据材料直径大小设定感应电流和加热时间。淬火的硬度层深度,取决于感应设备的频率和加热时间,频率越高或加热时间越短,硬度层深度越低。在实际生产过程中,经常对轴的中心部有硬度要求,一般需要到专业的热处理生产厂家进行热处理,这样就带来了加工周期长、成本高等不足。如果用感应淬火使轴的中心部达到规定的硬度要求,那就要求感应设备加热深度必须达到轴的中心部,而且中心部的温度要达到临界温度以上。现以直径20mm的电机转子为例进行说明，电机转子端面中心部有一个滑长槽,滑长槽的作用是负责传递电机输出的动力,如果没有硬度或者硬度达不到规定的要求:37HRC~45HRC,装配好的产品很快就因滑长槽失效而失去动力,因此滑长槽的硬度直接影响整机产品质量。感应电流高、加热时间短,轴伸表面硬度偏高而心部硬度偏低;感应电流低、加热时间长,轴伸表面和心部硬度都偏高。如果要使转子轴心部淬火硬度达到规定要求,必须要按淬火工艺进行感应回火。回火就是将淬火后的工件重新加热到临界以下回火温度后,保温一定时间,然后取出冷却到室温的热处理工艺。常用的回火方法:低温回火(回火温度为150~250℃)、中温回火(回火温度为350~500℃)、高温回火(回火温度为500~680℃)。

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。

汽车半轴感应加热电源电流频率及加热时间的选择

汽车半轴局部感应加热时频率的选择基于以下两个因素:

(1) 感应器的电效率,使其力求接近于极限值,这就要求有足够高的电流频率,因为电效率随频率而提高。

(2) 加热时间的情况下,保证工艺需要的心表温差,即要求适度降低电流频率。高的电效率短的加热时间,使局部加热必然会产生的局部热向毛坯非加热部位的热传导会更少。因此,局部感应加热的效率,基本上取决于电流频率的正确选择。电流频率可依据半轴坯料的的直径来选择电流的频率。

坯料以给定的心表温度差由起始温度(这里取600 ℃)加热到锻压温度所需要的时间,称为加热时间。在给定心表温度差(如100 ℃温差规范)的前提下,加热时间只取决于电流的频率(它决定电流透入深度)、坯料的物理性质(导热性)以及坯料的直径(坯料的直径减去电流透入深度决定了平均热传导的距离)。

加热时间的确定非常重要,坯料在感应器内实际的加热时间小于确定的加热时间, 从感应器内出来的坯料的心表温差将大于100 ℃,而达不到锻压需要的温度要求;如果大于确定的时间,将会造成能耗的增加,工作节拍延长,生产效率降低,加热段向非加热段热传导增加,甚至造成加热段过烧、坯料报废的严重后果。坯料直径按直径来进行加热时间的计算。

从动齿圈中频感应加热预淬火

从动齿圈是联合收割机差速器总成中的关键零件。技术要求感应淬火后齿顶和齿根部硬度为50～60HRC。

从动齿圈采用整体预热后高频加热淬火方式,可使齿部与心部的温差减小,降低齿顶和齿根传热条件不同而引起的温度差异,获得沿齿廓分布的淬硬层。另外,考虑到操作方便,直接采用中频进行齿部预热后二次加热淬火。零件淬火后留自回火温度200～250 ℃,同时规定淬火和回火时间间隔不得超过2小时,有效防止淬火裂纹的产生。

1. 从动齿圈采用齿部预热后中频加热淬火方式,可以显著降低由于齿顶和齿根传热条件不同而导致的温度差异,从而获得沿齿廓分布的淬硬层。

2. 在对齿宽较宽的盘状类齿轮整体加热的感应器设计时,感应器的高度应比齿圈的齿宽小1～2 mm,以减小加热时的尖角效应。

3. 随着数控淬火机床的发展,如果采用数控机床,可以实现两次加热采用不同的工艺参数,则能够取得更好的效果。

齿轮的双频感应加热淬火方式

1双频感应加热原理

由于可控硅变频器研制成功，能更方便地得到所要求的频率，因此就为从单频率感应加热转向两个以上频率组合加热的方法提供了可能性。

1.1原理

为了均匀加热表面凹凸不平的制件，曾设想用两种不同的频率进行感应加热。根据被加热制件的形状和涡流穿入深度 ，利用频率的低频提高制件凹处的温度 ，高频提高制件凸起部分的温度 ，从而使制件获得均匀的温 度 。

这种原始的双频感应加热 和单频加热相比，虽可获得较高的淬火质量。但作为使齿面 加热更均匀的关键参数—— 频率转换时间的控制是很难掌握的 。实际上往往要经过数次试验方能确定，故效率很低 。并且要使用两台高频变压器，频率转换计时失准时很难调整 。此外，还受齿轮模数和轮廓尺寸的限制 。

1.2 新的双频感应加热方法

新的双频感应加热方法可取代传统的单频和原始的双频感应加热的新的双频感应加热装置，尤其适台对齿轮进行，高生产率的热处理 。这种双频感应加热只用一个感应线圈，可轮流用连续的或断续的不同频率的电流，使工件均匀加热 。虽以极短的时间间隔轮流通以不同频率的电流 ，但和用两个不同频率重合在一起 加热时的效果一样，可以随意调节齿底 、齿面温度 。与传统方法相比，生产率和控制性能都得到明显改善 。