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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，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，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支重轮拖轮淬火设备，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齿轮淬火设备。

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，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，变形较小轴淬火设备，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，设备紧凑，使用方便花键轴淬火设备，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。

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。

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。

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。

汽车花键轴感应加热淬火与回火

不少花键轴类零件采用感应加热表面淬火，取代传统调质热处理，可以减少能源消耗。但是，现在大多数花键轴感应加热后仍然采用在炉子中进行低温回火的工艺。实际上,花键轴感应加热中有热量传入其心部,利用这一部分热量对表面淬火层进行自身回火,取消炉子低温回火是完全可能的。

淬火喷水冷却过程停止后，零件表面经过一定时间才达到温度。我们一般所指的自身回火温度就是指这个温度。自身回火过程不是在恒定的温度，而是在某一温度范围内，可持续几分钟。多数花键轴要求硬度范围在HRC48至58之间，传统常采用炉中回火的工艺。

花键轴感应加热淬火层的残余应力分布与一般轴类零件不同。由于在花键部位 有拉伸残余应力存在，特别是花键接近根部处达到值，往往造成花键开裂。 为了减少花键部有害的拉伸残余应力，提高自身回火温度是有好处的。考虑到花键部要求耐磨，应该保持相当高的硬度，当回火温度在250至300摄氏度之间时，由于马氏体析出高度弥散的碳化物，马氏体比容减少。因此，我们选定花键轴自身回火温度为250至270摄氏度，花键部位的残余应力接近于零，可 以有效地防止花键开裂。花键轴由炉中回火改为回火，质量稳定，没有出现过花键开裂的质量问题，且减少了设备负荷，节省了电能。

依据汽车行业工件的特点，感应研制了针对汽车轴类、齿轮齿圈类、等速万向节钟型壳类、轮毂轴承类、等速万向节三柱槽壳类零件的感应淬火及回火。点击了解更多汽车行业零件热处理的解决方案。