感應(yīng)淬火技術(shù)在風(fēng)電增速齒輪箱內(nèi)齒圈上的應(yīng)用

在齒輪的強化方法中，感應(yīng)淬火與調(diào)質(zhì)、滲碳、滲氮一起構(gòu)成四大基礎(chǔ)工藝。車軸加熱感應(yīng)器用矩形紫銅管制造成圓形感應(yīng)器,并通水冷卻,零件加熱后由用附帶噴水圈進(jìn)行噴射冷卻?？紤]到生產(chǎn)實際，在風(fēng)電增速箱內(nèi)齒圈的批量生產(chǎn)中采用滲氮或感應(yīng)淬火工藝可以獲得比較高的生產(chǎn)效率及較低的生產(chǎn)成本。具體采用何種工藝主要由客戶要求、自身工藝控制水平及生產(chǎn)效率成本等因素而定。根據(jù)ISO6336標(biāo)準(zhǔn)，對于模數(shù)大于16的齒輪件就不再推薦使用氮化工藝提高表面硬度，故對模數(shù)大于16的內(nèi)齒圈推薦采用感應(yīng)淬火工藝進(jìn)行加工。

1.感應(yīng)淬火工藝

風(fēng)電增速箱內(nèi)齒圈一般采用逐/隔齒沿齒溝掃描技術(shù)進(jìn)行感應(yīng)淬火。采用設(shè)計制造合理的感應(yīng)器，配合的工藝參數(shù)控制，可以生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)良、穩(wěn)定的感應(yīng)淬火齒圈。

2.感應(yīng)淬火的優(yōu)缺點

將感應(yīng)淬火技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電增速箱內(nèi)齒圈上，不僅具有生產(chǎn)、節(jié)約能源、環(huán)境污染小以及易于實現(xiàn)自動化等感應(yīng)淬火共有優(yōu)點，還具有以下特點：

（1）相比于氮化，其對基體硬度和組織要求可以適當(dāng)放寬。

（2）相比于滲碳淬火，工件不是整體加熱，變形較小，故相應(yīng)磨量較小，設(shè)計放模量可減少，且后續(xù)生產(chǎn)加工成本較低。

（3）批量生產(chǎn)時交貨期短，滿足一些客戶需求。

（4）便于機(jī)械化和自動化，設(shè)備緊湊，使用方便，勞動條件好。

但使用感應(yīng)淬火技術(shù)對內(nèi)齒圈進(jìn)行加工，尚有以下困難及缺點待克服：新齒形產(chǎn)品工藝試驗周期較長，感應(yīng)器設(shè)計/相關(guān)工藝參數(shù)選擇需要慎之又慎；不能實現(xiàn)全齒寬淬硬。一是由于感應(yīng)加熱的方式，縮短了加熱時間，在加熱的過程中缺乏奧氏體晶粒產(chǎn)生的條件，因此導(dǎo)致了齒輪表面硬度提高了。目前可滿足設(shè)計上80%齒寬高符合工藝要求，這一點也是未來需要改進(jìn)和克服的地方；批量生產(chǎn)時，發(fā)生批量事故風(fēng)險較大，需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系和較高的質(zhì)量控制水平來進(jìn)行控制。

凸輪軸采用淬火設(shè)備進(jìn)行淬火熱處理，其感應(yīng)器是怎么樣的呢？

凸輪感應(yīng)器有圓環(huán)形與仿形兩種。發(fā)動機(jī)凸輪感應(yīng)器大都采用圓環(huán)形有效圈。為防止相鄰?fù)馆喕蜉S頸受到磁場影響而回火，因此，需要在有效圈上跨上導(dǎo)磁體束，既提高感應(yīng)器的效率，又防止磁力線散射。早期的凸輪感應(yīng)器在有效圈兩端裝上導(dǎo)磁體板與短路環(huán)，同樣具有屏蔽效果，但損耗較大，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰。具體采用何種工藝主要由客戶要求、自身工藝控制水平及生產(chǎn)效率成本等因素而定。

凸輪感應(yīng)器有時采用雙孔串聯(lián)，主要是為了利用變頻電源的功率，一般凸輪軸的軸頸數(shù)量少（如3個），而加熱表面積大，凸輪則數(shù)量多（如8個）而加熱面積小。因此，當(dāng)采用雙工位凸輪軸淬火機(jī)時，雙孔凸輪感應(yīng)器與單孔軸頸感應(yīng)器交替工作，能得到恰當(dāng)?shù)钠ヅ洹?

凸輪軸軸頸感應(yīng)器一般為一次加熱帶噴液結(jié)構(gòu)，特殊尺寸的軸頸也有采用掃描淬火的。制動凸輪感應(yīng)器，由于工件要求的淬硬部位為兩個圓弧面，現(xiàn)代制動凸輪感應(yīng)器大都設(shè)計成仿形結(jié)構(gòu)。為避免凸輪尖部溫度過高，有些感應(yīng)器設(shè)計時，針對桃尖部裝有針形閥結(jié)構(gòu)，凸輪加熱時，針閥小孔噴出微小的淬火冷卻介質(zhì)，進(jìn)行溫度調(diào)整。目前可滿足設(shè)計上80%齒寬高符合工藝要求，這一點也是未來需要改進(jìn)和克服的地方。

凸輪軸采用淬火設(shè)備進(jìn)行淬火熱處理，其熱處理工藝主要是通過感應(yīng)器實施的。因此，了解凸輪軸的淬火感應(yīng)器具有非常重要的現(xiàn)實意義。

花鍵軸零件感應(yīng)淬火

花鍵軸類汽車零件在使用中承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和滑動摩擦,所以需要具有較高的表面硬度和抗扭轉(zhuǎn)強度。感應(yīng)淬火是提高其使用性能的方法之一。在汽車或機(jī)械制造領(lǐng)域中,花鍵軸類零件往往是承受交變的扭轉(zhuǎn)、交變的彎曲和滑動摩擦等載荷。商用車常見花鍵軸類零件主要包括驅(qū)動半軸、貫通軸、傳動軸、花鍵軸、花鍵軸叉、軸間差速器殼、行星輪架軸、制動凸輪軸等。在生產(chǎn)實踐中為提高這些零件的使用性能,除個別零件采用調(diào)質(zhì)工藝外,絕大部分零件采用感應(yīng)熱處理強化工藝,其抗彎曲強度和抗扭轉(zhuǎn)疲勞強度等性能得到極大提高。單齒一次加熱或掃描淬火單齒一次加熱淬火中頻8～10kHz常用于m=8mm以上的大模數(shù)齒輪。

整體一次加熱淬火方法感應(yīng)器結(jié)構(gòu)為矩形銅管加導(dǎo)磁體的縱向分布形式,即由銅管繞制成矩形回線結(jié)構(gòu), 加熱時,工件上的感生渦流縱向環(huán)流,在工件旋轉(zhuǎn)同時整個圓周面迅速被加熱。感應(yīng)器銅導(dǎo)線上裝置的導(dǎo)磁體起到控制磁力線分布的作用。感應(yīng)器的附近裝置噴液冷卻器,在加熱工件達(dá)到設(shè)定溫度(或時間)時自動噴液冷卻。目前,國內(nèi)汽車廠家多采用整體一次加熱淬火方法來處理半軸這類零件,零件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率均達(dá)到比較好的狀態(tài)。齒輪淬火的必要性有些零件（包括齒輪在內(nèi)）在工件時在受扭轉(zhuǎn)和彎曲等交變負(fù)荷、沖擊負(fù)荷的作用下，它的表面層承受著比心部更高的應(yīng)力。

移動(掃描、連續(xù))加熱淬火方法感應(yīng)器一般為圓環(huán)形回線結(jié)構(gòu),環(huán)形導(dǎo)線內(nèi)部通有足夠壓力和流量的循環(huán)冷卻水。感應(yīng)加熱時,工件上有周向感生電流流動,工件一邊加熱一邊與感應(yīng)器相對移動,感應(yīng)器上裝有噴液器,以實現(xiàn)一邊移動(掃描、連續(xù))加熱一邊噴射冷卻液冷卻,終實現(xiàn)淬火強化的目的。(1)淬火感應(yīng)器與花鍵軸鍵槽同一截面各部位不等間距齒頂部位加熱速度快,增大間距,減弱磁感應(yīng)強度。

采用同時雙頻法，頻率較低和較高同時饋入感應(yīng)器。硬化通過加熱來實現(xiàn)。正確淬火對于的旋轉(zhuǎn)硬化結(jié)果至關(guān)重要，應(yīng)該在加熱后盡快進(jìn)行。時間間隙加熱和淬火可以通過使用快速CNC軸定位來化噴頭，或通過將猝熄電路集成到感應(yīng)器中。在此期間淬火階段齒輪的轉(zhuǎn)速降低到50rpm以下避免在與旋轉(zhuǎn)方向相反的側(cè)面上的“陰影效應(yīng)”。之后,感應(yīng)器沿圓柱區(qū)向花鍵區(qū)方向移動,并根據(jù)硬化層深度要求不同,設(shè)定不同的移動速度和加熱功率,并冷卻,可以獲得預(yù)期的硬化層。

許多其他因素影響自旋硬化結(jié)果。材料要硬化和其初始結(jié)構(gòu)，例如，具有決定性的影響。由于短奧氏體化時間，初始鋼結(jié)構(gòu)必須是密實的（ASTM7及以上）。非均勻的珠光體 - 鐵素體初始結(jié)構(gòu)是不合適的。初始結(jié)構(gòu)和碳含量的重要性隨模塊尺寸而增加減少?；ㄦI軸淬火設(shè)備，可提高花鍵軸的抗彎曲強度和抗扭轉(zhuǎn)疲勞強度等性能。如果稍微增加的淬火畸變是可接受的，則是感應(yīng)的預(yù)淬火和回火在輪廓淬火之前可以大大提高齒輪的淬透性。

模塊尺寸是旋轉(zhuǎn)硬化的另一個關(guān)鍵因素。自旋硬化是一種通用且可靠的工藝，可以硬化齒輪，螺旋齒輪和內(nèi)齒輪與表面不規(guī)則的距離。利用獨特的感應(yīng)器解決方案可用來限制這種效果通過增強功率分布。