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感應淬火技術在風電增速齒輪箱內齒圈上的應用

在齒輪的強化方法中，感應淬火與調質、滲碳、滲氮一起構成四大基礎工藝。考慮到生產實際，在風電增速箱內齒圈的批量生產中采用滲氮或感應淬火工藝可以獲得比較高的生產效率及較低的生產成本。在受摩擦的場合，表面層還不斷地被磨損，因此對一些零件表面層提出高強度、高硬度、高耐磨性和高疲勞極限等要求，只有表面強化才能滿足上述要求。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效率成本等因素而定。根據ISO6336標準，對于模數大于16的齒輪件就不再推薦使用氮化工藝提高表面硬度，故對模數大于16的內齒圈推薦采用感應淬火工藝進行加工。

1.感應淬火工藝

風電增速箱內齒圈一般采用逐/隔齒沿齒溝掃描技術進行感應淬火。采用設計制造合理的感應器，配合的工藝參數控制，可以生產質量優良、穩定的感應淬火齒圈。

2.感應淬火的優缺點

將感應淬火技術應用于風電增速箱內齒圈上，不僅具有生產、節約能源、環境污染小以及易于實現自動化等感應淬火共有優點，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，故相應磨量較小，設計放模量可減少，且后續生產加工成本較低。

（3）批量生產時交貨期短，滿足一些客戶需求。

（4）便于機械化和自動化，設備緊湊，使用方便，勞動條件好。

但使用感應淬火技術對內齒圈進行加工，尚有以下困難及缺點待克服：新齒形產品工藝試驗周期較長，感應器設計/相關工藝參數選擇需要慎之又慎；不能實現全齒寬淬硬。目前可滿足設計上80%齒寬高符合工藝要求，這一點也是未來需要改進和克服的地方；批量生產時，發生批量事故風險較大，需要嚴格的質量控制體系和較高的質量控制水平來進行控制。加熱設備頻率的選擇感應加熱的電流透入深度與電流的頻率成反比,必須正確選擇中頻發生器設備的中頻電流頻率,以實現一定加熱深度的感應加熱。

鋼齒圈的感應淬火

鋼齒圈的表面感應淬火后技術要求為:表面硬度55HRC~60HRC,淬硬層深為1.1mm~10.8mm(齒頂為10.8mm,齒根為1.1mm)。

齒圈感應加熱參數的選擇現有的加熱方式是采用中頻電源,沿齒廓整體旋轉加熱達到淬火溫度后,噴冷卻介質,要達到齒頂、齒根均勻的硬化層分布,使齒圈得到接近仿形淬火效果,選擇合適的加熱功率、加熱時間、預冷時間非常重要。凸輪感應器有時采用雙孔串聯，主要是為了利用變頻電源的功率，一般凸輪軸的軸頸數量少（如3個），而加熱表面積大，凸輪則數量多（如8個）而加熱面積小。根據齒圈同時加熱淬火的面積、硬化層深度、比功率及加熱時間之間的關系,確定齒圈的加熱參數。

感應加熱參數對齒圈淬火的影響齒圈感應加熱的頻率選擇是比較復雜的,要選擇的電流頻率,使齒頂和齒根被均勻地加熱有一定的困難,特別是模數m,齒數z及齒寬b等參數的變化都影響頻率的選擇。

軸類零件在感應加熱淬火后的回火溫度

感應淬火的鋼軸類零件的回火溫度為150至205攝氏度。在該溫度的回火條件下，40鋼的軸具有的扭轉強度和較好的塑性（扭曲度），并具有的性能和抗過載性能。

此項結果是通過對40鋼（熱軋圓鋼）的軸類零件在進行多次感應淬火和回火試驗得出的結果。試驗在同一環境及同一感應加熱設備下進行。車軸的感應淬火40鋼車軸表面感應淬火強化工藝研究是我國高速鐵路的發展需要,填補國內在這項領域的技術空白。在試驗中進行了150攝氏度、175攝氏度、205攝氏度、260攝氏度、315攝氏度等一系列的回火試驗并通過數據比對得出的結論。從40鋼軸的扭轉試驗結果看，在150攝氏度至205攝氏度回火溫度下可以獲得的性能。疲勞試驗表示溫度超過205攝氏度后，回火的結果并不理想。對于溫度超過150攝氏度的回火而言，扭轉強度極限下降了，而斷裂前的扭轉度在205攝氏度回火時達到了峰值。

提升齒輪硬度的方式：感應加熱及淬火

齒輪旋轉淬火（使用環形感應器）

旋轉淬火是的感應齒輪硬化方法，并且它特別適用于中等大小的齒輪。在加熱期間旋轉齒輪以確保能量的均勻分布。可以使用環繞整個齒輪的感應器。簡單的說就是銷軸淬火設備熱處理效果好，詳細的就要從多方面來比較了。當應用感應器時，有五個參數對硬度起主要作用：頻率，功率，循環時間，感應器幾何形狀和淬火條件。通過加熱時間，頻率和功率的變化獲得的感應淬火圖案。通常，當僅需要硬化齒尖時，應結合較短的加熱時間來施加較高的頻率和較高的功率密度。為了硬化齒根，使用較低的頻率。

感應淬火是一個兩步過程：加熱和淬火。兩個階段都很重要。在旋轉淬火應用中有三種方法來淬火齒輪

1.將齒輪浸入淬火槽中。這種技術特別適用于大齒輪；

2.使用集成噴霧淬火“就地”淬火。中小型齒輪通常使用這種技術淬火；

3.使用位于感應器下方的單獨的同心噴霧滅火塊（淬火）。淬火-蒸氣層，沸騰和對流熱傳遞的三個階段的經典冷卻曲線不能直接應用于噴射淬火。由于噴射淬火的性質，兩個階段被大大抑制。(1)淬火感應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,減弱磁感應強度。同時，在對流階段期間的冷卻更嚴重。齒輪幾何形狀和轉速是在齒輪淬火期間對淬火流動和冷卻嚴重性具有顯著影響的其它因素。同樣重要的是避免感應器和淬火系統相對于齒輪和齒輪擺動的偏心。即使齒輪旋轉，齒輪擺動將導致齒輪的特定部分在加熱期間更熱，因為不管旋轉，它將總是更靠近線圈。除了不均勻加熱以外，擺動還引起不均勻淬火，導致額外的硬度不均勻性和齒輪形狀變形。已經報道，使用齒輪旋轉硬化技術而不是“逐齒”或“間隙”方法在齒根內獲得更有利的壓縮應力。