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齿圈高频淬火过程中常见问题与对策

感应加热淬火工艺简单、、节能等特点受到了大家的欢迎，尤其现在对环保抓的比较严的当下，在大环境下可以说感应淬火是一种趋势，齿圈高频淬火设备就是应用的感应淬火原理。齿圈(包括外齿圈和内齿圈)作为常用的机械传动零件，特别是大直径齿圈通过感应加热淬火工艺进行表面强化，达到实际应用中所需要的硬度。

齿圈感应加热淬火有四种双链轮淬火设备，沿齿沟感应淬火、逐齿感应淬火、回转感应淬火、双频感应淬火齿轮淬火设备。

1、沿齿沟感应淬火：使齿面和齿根得到硬化，齿顶中部无淬硬层。此法热处理变形小，但生产效率低。

2、逐齿感应淬火：齿面硬化，齿根无硬化层，提高齿面的耐磨性，但因热影响区的存在，会降低齿的强度。

3、回转感应淬火：单圈扫描淬火或多匝同时加热淬火，齿部基本淬透轴淬火设备，齿根硬化层浅。适于中小齿轮，不适于高速、重载齿轮。

4、双频感应淬火：中频预热齿槽，高频加热齿顶，得到基本沿齿廓分布的硬化层。

齿圈高频淬火过程中常见问题与对策（这里主要以沿齿沟感应淬火方法为例）

齿轮感应淬火的应用前景

感应淬火是热处理行业所追求的清洁生产工艺,感应淬火所具有的一系列优点是其他热处理工艺难以比拟和取代的花键轴淬火设备。感应加热淬火是热处理重要工艺之一,尤其以它具有生产、节约能源、环境污染小,以及易于实现自动化等优点而倍受欢迎。在齿轮的强化方法中,与调质、渗碳和渗氮一起构成四大基础工艺,在齿轮从软齿面向硬齿面技术发展的过程中,感应淬火工艺曾发挥了重要作用。

国外感应加热淬火的应用还是比较广泛的。在日本,铁路机车齿轮,包括高速机车齿轮以感应淬火为主。在美国,感应淬火齿轮的典型应用包括:(1)大型挖掘机齿轮。(2)重载起重机驱动齿轮。(3)轧糖机的大扭矩传动齿轮。(4)轧钢机的主驱动齿轮,剪切机齿轮以及卷曲机械齿轮。(5)水泥磨驱动齿轮。

我国的感应加热电源及淬火设备针对齿轮产品的工艺技术需要,开发成套装备和相应的工艺,如前景看好的双频、多频,同时加热大功率电源、脉冲加热电源、CNC齿轮淬火机床及配套的辅助设施和工艺软件等方面,都具有巨大的市场。

在轴类零件中的应用轴类感应淬火

一般是对轴表面进行局部淬火,材料为45钢或40Cr,淬火的硬度可根据材料直径大小设定感应电流和加热时间。淬火的硬度层深度,取决于感应设备的频率和加热时间,频率越高或加热时间越短,硬度层深度越低。在实际生产过程中,经常对轴的中心部有硬度要求,一般需要到专业的热处理生产厂家进行热处理,这样就带来了加工周期长、成本高等不足。如果用感应淬火使轴的中心部达到规定的硬度要求,那就要求感应设备加热深度必须达到轴的中心部,而且中心部的温度要达到临界温度以上。现以直径20mm的电机转子为例进行说明，电机转子端面中心部有一个滑长槽,滑长槽的作用是负责传递电机输出的动力,如果没有硬度或者硬度达不到规定的要求:37HRC~45HRC,装配好的产品很快就因滑长槽失效而失去动力,因此滑长槽的硬度直接影响整机产品质量。感应电流高、加热时间短,轴伸表面硬度偏高而心部硬度偏低;感应电流低、加热时间长,轴伸表面和心部硬度都偏高。如果要使转子轴心部淬火硬度达到规定要求,必须要按淬火工艺进行感应回火。回火就是将淬火后的工件重新加热到临界以下回火温度后,保温一定时间,然后取出冷却到室温的热处理工艺。常用的回火方法:低温回火(回火温度为150~250℃)、中温回火(回火温度为350~500℃)、高温回火(回火温度为500~680℃)。

砂轮主轴的感应加热淬火

砂轮主轴是磨床的主要零件之一,它的质量直接影响整台磨床的精度和寿命。随着磨床的,强力磨削、高速磨削,及其自动化程度的不断发展,对主轴的热处理质量提出更高的要求。

表面感应淬硬是在卧式中频淬火机床上进行,该机床感应器走刀速度是无级调速。当砂轮主轴直径大,加热面积较大时,设备输出功率不能满足时,可将轴先进行预热,再进行加热淬火。使用淬火冷却时，注意以下几点:

(1)由于砂轮主轴选用材料是高碳合金钢,所以水压要低,水量要少以免冷却过激而使轴开裂,特别是冬天,水温低冷却能力大。

(2)轴感应淬火时,轴本身在转动,如水压过大,易将水甩出,甩出的水溅到加热带,易造成软点,所以应低些。

(3)小直径的主轴,由于走刀速度较快,冷却不够,应对已淬硬段喷水,防止返热现象。

感应加热时,淬火火温度不能太高,否则会引起组织过热,导致轴开裂,所以感应加热功率与走刀速度应相互配合。

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，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，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。