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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。車軸加熱感應器用矩形紫銅管制造成圓形感應器,并通水冷卻,零件加熱后由用附帶噴水圈進行噴射冷卻。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。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。一是由于感應加熱的方式，縮短了加熱時間，在加熱的過程中缺乏奧氏體晶粒產生的條件，因此導致了齒輪表面硬度提高了。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。

凸輪軸采用淬火設備進行淬火熱處理，其感應器是怎么樣的呢？

凸輪感應器有圓環形與仿形兩種。發動機凸輪感應器大都采用圓環形有效圈。為防止相鄰凸輪或軸頸受到磁場影響而回火，因此，需要在有效圈上跨上導磁體束，既提高感應器的效率，又防止磁力線散射。早期的凸輪感應器在有效圈兩端裝上導磁體板與短路環，同樣具有屏蔽效果，但損耗較大，現在已經被淘汰。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效率成本等因素而定。

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。因此，當采用雙工位凸輪軸淬火機時，雙孔凸輪感應器與單孔軸頸感應器交替工作，能得到恰當的匹配。

凸輪軸軸頸感應器一般為一次加熱帶噴液結構，特殊尺寸的軸頸也有采用掃描淬火的。制動凸輪感應器，由于工件要求的淬硬部位為兩個圓弧面，現代制動凸輪感應器大都設計成仿形結構。為避免凸輪尖部溫度過高，有些感應器設計時，針對桃尖部裝有針形閥結構，凸輪加熱時，針閥小孔噴出微小的淬火冷卻介質，進行溫度調整。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。

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

花鍵軸零件感應淬火

花鍵軸類汽車零件在使用中承受扭轉應力和滑動摩擦,所以需要具有較高的表面硬度和抗扭轉強度。感應淬火是提高其使用性能的方法之一。在汽車或機械制造領域中,花鍵軸類零件往往是承受交變的扭轉、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。在生產實踐中為提高這些零件的使用性能,除個別零件采用調質工藝外,絕大部分零件采用感應熱處理強化工藝,其抗彎曲強度和抗扭轉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以上的大模數齒輪。

整體一次加熱淬火方法感應器結構為矩形銅管加導磁體的縱向分布形式,即由銅管繞制成矩形回線結構, 加熱時,工件上的感生渦流縱向環流,在工件旋轉同時整個圓周面迅速被加熱。感應器銅導線上裝置的導磁體起到控制磁力線分布的作用。感應器的附近裝置噴液冷卻器,在加熱工件達到設定溫度(或時間)時自動噴液冷卻。目前,國內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,零件的質量和生產效率均達到比較好的狀態。齒輪淬火的必要性有些零件（包括齒輪在內）在工件時在受扭轉和彎曲等交變負荷、沖擊負荷的作用下，它的表面層承受著比心部更高的應力。

移動(掃描、連續)加熱淬火方法感應器一般為圓環形回線結構,環形導線內部通有足夠壓力和流量的循環冷卻水。感應加熱時,工件上有周向感生電流流動,工件一邊加熱一邊與感應器相對移動,感應器上裝有噴液器,以實現一邊移動(掃描、連續)加熱一邊噴射冷卻液冷卻,終實現淬火強化的目的。(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。

采用同時雙頻法，頻率較低和較高同時饋入感應器。硬化通過加熱來實現。正確淬火對于的旋轉硬化結果至關重要，應該在加熱后盡快進行。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器中。在此期間淬火階段齒輪的轉速降低到50rpm以下避免在與旋轉方向相反的側面上的“陰影效應”。之后,感應器沿圓柱區向花鍵區方向移動,并根據硬化層深度要求不同,設定不同的移動速度和加熱功率,并冷卻,可以獲得預期的硬化層。

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

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