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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，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传动轴淬火设备。

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齿轮淬火设备。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，故相应磨量较小轴淬火设备，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，劳动条件好花键轴淬火设备。

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。

车轴的感应淬火

40钢车轴表面感应淬火强化工艺研究是我国高速铁路的发展需要,填补国内在这项领域的技术空白。

车轴表面强化工艺的选择对于绝大部分轴类零件,通常采用高频或中频表面淬火来提高其使用寿命。动车轴、机车轴是一种即传递动力而又起支撑作用的心轴,而车辆轴是一种不传递动力而只起支撑作用的心轴,主要承受弯曲或弯曲疲劳负荷。统计表明大多数的各类轴均因疲劳断裂和微动磨蚀磨损而失效。为了避免发生脆性断裂,满足强度与韧性的要求,目前车轴常采用调质或正火工艺,但往往因疲劳与微动磨蚀磨损性能欠佳,而没有达到应有的使用寿命。实践表明,在调质或正火的基础上再施加表面感应淬火强化处理,可使服役寿命成倍地延长。因此,这是提高车轴使用寿命的一种重要工艺方法。车轴表面强化一般主要分喷涂 +滚压强化和感应淬火强化两种,滚压强化因其强化深度较浅,硬度较低,提高服役寿命有限。中频感应淬火加热适中,适合车轴表面加热深度。日本、法国均采用中频感应淬火强化。表面感应强化对提高车轴的弯曲或扭转疲劳强度、减少对缺口的敏感性和应力集中十分有效。表面感应淬火后,由于心部高的有效韧性和塑性,允许其硬化层有较高的硬度,以保持高的耐磨性、强度和残余压应力,充分发挥材料的潜力。国外对车轴中频感应淬火从过去的局部淬火、分段淬火,发展到现在的表面全长淬火。

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。

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。