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钢齿圈的感应淬火

钢齿圈的表面感应淬火后技术要求为:表面硬度55HRC~60HRC,淬硬层深为1.1mm~10.8mm(齿顶为10.8mm,齿根为1.1mm)。

齿圈感应加热参数的选择现有的加热方式是采用中频电源,沿齿廓整体旋转加热达到淬火温度后,喷冷却介质,要达到齿顶、齿根均匀的硬化层分布中频大轴淬火设备,使齿圈得到接近仿形淬火效果齿轮淬火设备,选择合适的加热功率、加热时间、预冷时间非常重要。根据齿圈同时加热淬火的面积、硬化层深度、比功率及加热时间之间的关系,确定齿圈的加热参数。

感应加热参数对齿圈淬火的影响齿圈感应加热的频率选择是比较复杂的,要选择的电流频率,使齿顶和齿根被均匀地加热有一定的困难,特别是模数m,齿数z及齿宽b等参数的变化都影响频率的选择。

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，但热处理周期长轴淬火设备，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 工频交流电压花键轴淬火设备，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。

提升齿轮硬度的方式：感应加热及淬火

齿轮旋转淬火（使用环形感应器）

旋转淬火是的感应齿轮硬化方法，并且它特别适用于中等大小的齿轮。在加热期间旋转齿轮以确保能量的均匀分布。可以使用环绕整个齿轮的感应器。当应用感应器时，有五个参数对硬度起主要作用：频率，功率，循环时间，感应器几何形状和淬火条件。通过加热时间，频率和功率的变化获得的感应淬火图案。通常，当仅需要硬化齿尖时，应结合较短的加热时间来施加较高的频率和较高的功率密度。为了硬化齿根，使用较低的频率。

感应淬火是一个两步过程：加热和淬火。两个阶段都很重要。在旋转淬火应用中有三种方法来淬火齿轮

1.将齿轮浸入淬火槽中。这种技术特别适用于大齿轮；

2.使用集成喷雾淬火“就地”淬火。中小型齿轮通常使用这种技术淬火；

3.使用位于感应器下方的单独的同心喷雾灭火块（淬火）。淬火-蒸气层，沸腾和对流热传递的三个阶段的经典冷却曲线不能直接应用于喷射淬火。由于喷射淬火的性质，两个阶段被大大抑制。同时，在对流阶段期间的冷却更严重。齿轮几何形状和转速是在齿轮淬火期间对淬火流动和冷却严重性具有显着影响的其它因素。同样重要的是避免感应器和淬火系统相对于齿轮和齿轮摆动的偏心。即使齿轮旋转，齿轮摆动将导致齿轮的特定部分在加热期间更热，因为不管旋转，它将总是更靠近线圈。除了不均匀加热以外，摆动还引起不均匀淬火，导致额外的硬度不均匀性和齿轮形状变形。已经报道，使用齿轮旋转硬化技术而不是“逐齿”或“间隙”方法在齿根内获得更有利的压缩应力。

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。