齒輪淬火1

  概述：

 對(duì)于齒輪這類傳動(dòng)零件，表面要有高硬度及耐磨性，同時(shí)在交變荷載和沖擊荷載下要有足夠的疲勞強(qiáng)度 。但對(duì)于齒輪這樣表面具有凹凸結(jié)構(gòu)的工件而言，常規(guī)的單頻感應(yīng)淬火技術(shù)無(wú)法得到令人滿意的處理效果。常規(guī)單頻感應(yīng)淬火處理后的小齒輪往往齒部全部淬透，導(dǎo)致齒輪的疲勞強(qiáng)度下降，易發(fā)生疲勞斷裂影響使用性能。

圖1 齒輪單頻淬火圖

 針對(duì)類似于齒輪這樣的表面凹凸工件，如何得到均勻的硬化層，使得齒部表面硬化而心部仍保持一定韌性，雙頻感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。早期的雙頻感應(yīng)加熱技術(shù)為異步雙頻，即設(shè)備輸出的高頻和中頻不同步，先用中頻預(yù)熱，再用高頻將齒部加熱至淬火溫度的工藝方法。經(jīng)過不斷地發(fā)展完善，產(chǎn)生了更加先進(jìn)的同步雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)。

圖2 齒輪雙頻淬火圖

雙頻感應(yīng)加熱技術(shù)介紹

 由于趨膚效應(yīng)的存在，使得在工件熱處理中很難通過單一頻率對(duì)類似于齒輪這樣表面凹凸工件進(jìn)行均勻加熱。如果采用中頻進(jìn)行加熱，感應(yīng)電流透入深度會(huì)很大，齒輪上產(chǎn)生的感應(yīng)電流只通過齒底，不通過齒頂，齒底比齒頂升溫快，從而導(dǎo)致齒底硬化良好而齒頂硬化不足；而如果采用高頻加熱，由于感應(yīng)電流透入深度較小，只能對(duì)齒輪的齒頂進(jìn)行加熱，齒底比齒頂升溫慢，從而導(dǎo)致齒頂硬化良好而齒底硬化不足。

       單一頻率加熱齒輪受熱不均勻，易產(chǎn)生較大變形或裂紋，合格率低。

圖3 齒輪單一頻率加熱效果左（中頻）右（高頻）

 因此單一頻率加熱，無(wú)論采用高頻還是中頻都很難得到理想的加熱效果。如果可以將高頻和中頻結(jié)合起來(lái)對(duì)齒輪加熱，就可以很好地解決該問題，雙頻感應(yīng)加熱在這種情況下便具有了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。雙頻感應(yīng)加熱采用高頻加熱齒頂，中頻加熱齒根來(lái)達(dá)到對(duì)齒輪類工件表面均勻加熱的目的。使用雙頻加熱時(shí)齒輪加熱效果如圖4所示，這時(shí)齒頂和齒根都能得到有效硬化，得到較好的仿形淬硬層。

圖4 齒輪雙頻加熱效果

同步雙頻感應(yīng)加熱技術(shù)指在一個(gè)感應(yīng)線圈上同時(shí)輸出高頻和中頻兩種不同頻率，對(duì)一個(gè)工件進(jìn)行快速加熱。同步雙頻感應(yīng)加熱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種頻率強(qiáng)度的分別調(diào)整，從而調(diào)整兩種頻率分量的輸出比例，來(lái)使得齒面和齒根的淬硬深度滿足工藝要求，從而提高工件的性能指標(biāo)。

圖5 雙逆變器同步雙頻感應(yīng)加熱原理圖

如圖6所示，中頻波F1與高頻波F2進(jìn)行疊加并同步施加到感應(yīng)線圈中。

圖6 同步雙頻感應(yīng)加熱技術(shù)

 同步雙頻感應(yīng)發(fā)生器包括正常功率輸出的一個(gè)高頻和中頻轉(zhuǎn)換器，通過IGBT技術(shù)在中頻振蕩的基礎(chǔ)上疊加高頻振蕩。同步雙頻感應(yīng)加熱速度快，加熱時(shí)間一般小于0.5s，并且能夠獲得極小的奧氏體晶粒從而極大的提高了熱處理的質(zhì)量，獲得均勻的仿形淬硬層，提高了工件的生產(chǎn)率并且減小了工件淬火的變形量。

 在加熱不同模數(shù)齒輪時(shí)發(fā)現(xiàn)，齒輪模數(shù)對(duì)電流頻率的選擇有極大影響。對(duì)某一模數(shù)齒輪加熱時(shí)，有一個(gè)合適頻率，當(dāng)頻率高于合適值時(shí)，齒頂溫度高于齒根；反之，當(dāng)頻率低于合適值時(shí)，齒根溫度高于齒頂。

        因此，一些學(xué)者提出了齒輪最佳電流頻率選取公式，經(jīng)過幾次改正，形成了下式：                      f≈250/m2

        式中f——電流頻率，KHZ；

               m——齒輪的模數(shù)。

表1 不同模數(shù)齒輪加熱的最佳頻率

     加熱時(shí)間與齒輪模數(shù)也有密切關(guān)系，加熱時(shí)間應(yīng)盡可能接近下式。                       T≈m2/4

         式中T——加熱時(shí)間，s；

                m——齒的模數(shù)。

由此可見，單頻感應(yīng)加熱無(wú)法滿足齒輪模數(shù)的變化，加工不同模數(shù)齒輪時(shí)極不方便。而雙頻感應(yīng)加熱可以針對(duì)不同模數(shù)齒輪調(diào)整加熱頻率和功率，使用更加靈活方便。

 北辰億科研發(fā)中的雙頻感應(yīng)加熱設(shè)備，中頻輸出頻率為10KHZ，高頻輸出頻率為120~150KHZ，加熱不同模數(shù)齒輪時(shí)，通過調(diào)整中頻輸出功率和高頻輸出功率的占比大小，來(lái)匹配齒輪模數(shù)的大小，高頻輸出功率隨齒輪模數(shù)的增加而減小。基本滿足小模數(shù)齒輪的表面熱處理加工。

      同時(shí)，使用ANSYS軟件進(jìn)行熱仿，能夠精確地匹配輸出功率及頻率。

不同熱處理工藝比較

 比較滲碳淬火、單頻感應(yīng)淬火和同步雙頻感應(yīng)淬火三種常用的熱處理工藝。

 氣體滲碳法是將工件放入密閉的滲碳爐內(nèi)，使工件在920℃高溫的滲碳?xì)夥罩袧B碳，然后再進(jìn)行淬火處理。滲碳淬火熱處理時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，故其變形量相對(duì)較大，成本較高，且不適用于局部淬火，靈活性差。

圖7 滲碳爐

單頻感應(yīng)淬火即為普通感應(yīng)淬火，變形量小，加熱效率高，適合局部淬火，但對(duì)于表面凹凸的仿形工件，加熱不均勻，無(wú)法得到均勻的硬化層。

圖8 齒輪單頻淬火	圖9 齒輪雙頻加熱

  同步雙頻感應(yīng)淬火是在工件表面同時(shí)感應(yīng)雙頻渦流，加熱到淬火溫度，然后急速冷卻，獲得所需性能。同步雙頻適用范圍比單頻淬火更廣，變形量小，加熱時(shí)間極短，生產(chǎn)效率高，適合局部淬火和仿形淬火，適合批量化、流水化作業(yè)。

國(guó)外公司試驗(yàn)參數(shù)

 試驗(yàn)齒輪為圓柱齒輪m=2，Z=36，全齒高4.7mm，齒寬20mm。

表2 齒輪三種不同的試驗(yàn)工藝參數(shù)

 為了對(duì)沿齒廓淬火有一仿形概念，引入了仿形率這一術(shù)語(yǔ)。

    仿形率=（100-（Ds/h）*100）*%

 式中 Ds——齒頂處的硬化層深度（測(cè)至HV450）；

           h——齒高。

表3 三種熱處理工藝的參數(shù)測(cè)量結(jié)果

       由上表可以看出，雙頻淬火后，齒輪的殘余壓應(yīng)力達(dá)到極限，接近800MPa。該公司認(rèn)為，齒輪雙頻感應(yīng)淬火能得到比單頻淬火及滲碳淬火齒輪更高的強(qiáng)度，變形小更是其突出優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論

· 齒輪同步雙頻感應(yīng)淬火，可以取代某些齒輪的滲碳淬火工藝，很明顯的優(yōu)點(diǎn)是變形量小，生產(chǎn)效率高，同時(shí)低成本，節(jié)能，環(huán)境污染??；

· 齒輪同步雙頻感應(yīng)淬火設(shè)備操作簡(jiǎn)單方便，適合大批量、流水化生產(chǎn)；

· 結(jié)合先進(jìn)的仿真技術(shù)，可以精確的匹配頻率及功率；

· 搭配相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化或半自動(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)約人工成本。

公司簡(jiǎn)介

 北辰億科（POLARIS ETek），由西安交通大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)的常宏博士創(chuàng)立于2009年。致力發(fā)展嵌入式系統(tǒng)、自動(dòng)化及數(shù)控技術(shù)的集成應(yīng)用能力，為客戶提供全自動(dòng)一體化控制工程解決方案。

 公司現(xiàn)擁有研發(fā)人員15人，其中博士2人，碩士5人。核心技術(shù)為“全數(shù)字感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)”，并擁有專用設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)、及工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造能力，為客戶提供基于數(shù)字感應(yīng)加熱技術(shù)的全套解決方案，包括感應(yīng)加熱電源設(shè)計(jì)、感應(yīng)器仿真設(shè)計(jì)、全自動(dòng)專機(jī)及生產(chǎn)線、遠(yuǎn)程監(jiān)控及感應(yīng)加熱工業(yè)機(jī)器人等。應(yīng)用行業(yè)涉及航空航天、機(jī)械制造、醫(yī)療器械、五金機(jī)電、制冷暖通等各種行業(yè)與領(lǐng)域。

“科技創(chuàng)新”是我們企業(yè)的靈魂，“率真激情”是我們前進(jìn)的動(dòng)力。希望“北辰億科”的服務(wù)和產(chǎn)品，能為您的企業(yè)騰飛貢獻(xiàn)出一份力量。