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作者：金荣植
来源：《金属加工（热加工）》杂志
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轮的整个轮廓需要淬火以获得必须的抗麻点、耐磨以及疲劳强度、较小的畸变。而这样的淬火轮廓很难通过常规感应淬火方法获得，对此可以采用双频感应淬火、同步双频感应淬火等，能够得到沿齿廓均匀分布的淬硬层。同时，由于加热速度快、时间短，因此节能效果显著。齿轮感应淬火取代渗碳淬火的主要优点是周期短、能耗低、畸变小。
一、齿轮双频感应淬火技术
（1）双频感应加热原理常规（传统）双频感应淬火是两种频率的电源分别施加到两个感应器，齿轮需要从低频感应器预热之后快速移到另一高频感应器加热并进行淬火，见图1。双频感应淬火是采用低频加热向里进行热能量的扩散，最后高频加热向表层，即“低频趋里，高频趋表”的特征。图1常规的齿轮双频淬火示意
双频感应淬火是增加淬硬层深度并使硬度分布更为合理的感应加热淬火方法。即用中频-高频依次加热方法可获得沿齿廓分布的硬化层，而且齿轮热处理畸变小。例如，模数为4mm的齿轮先用中频电流加热（2.5~3s）齿沟和接近齿根的齿侧，然后再用kHz高频电流加热（0.6~0.7s）齿顶和接近齿顶的齿侧，然后淬火。东风汽车集团公司对材料为45钢、模数为3的齿轮进行双频感应加热淬火时，能够得到沿齿轮廓均匀分布的淬硬层，淬硬层为0.8mm时，具有最佳弯曲疲劳性能，与SCM（相当于20CrMo钢）渗碳齿轮疲劳性能基本相当，疲劳极限可以达到MPa。（2）双频感应加热工艺及效果日本电气兴业公司通过对齿轮双频淬火法进行试验，可得到比齿轮单频淬火法和渗碳淬火法小的畸变，渐开线圆柱齿轮（见图2），模数2mm，全齿高4.7mm，齿数36，材料为S45C钢（相当于45钢）。齿面经剃齿精加工，预备热处理为调质。图2试验齿轮形状
双频感应淬火方法如图6所示。首先把齿轮放在夹具上，然后随中心轴高速旋转，同时由中频电源送入f＝Hz的电流，进入感应器（A），对全齿形（齿顶、齿面、齿根）进行预热。当齿轮达到最佳温度时，中频电源断电，齿轮迅速降到淬火加热的感应器（B）中，同时高频电源开始送电，频率f＝kHz，对齿轮的齿面和齿顶进行快速的淬火加热，待齿面达到淬火温度时，切断高频电源，降低齿轮的旋转速度，同时淬火用水套中喷出冷却水，使齿面、齿顶、齿根迅速冷却，获得沿齿形分布的硬化层。图3双频感应淬火方法
1.喷水孔2.齿轮3.预热用感应器（A）
4.高频加热感应器（B）＋淬火用水套5.夹具
表1为齿轮（见图2）三种热处理工艺参数。表1双频、单频淬火及渗碳淬火的主要工艺参数
三种工艺处理后的齿轮畸变、残留压应力及沿齿廓仿形率的检测结果见表2。通过表2可知，双频淬火后的齿轮热处理畸变最小，精度最高，残留压应力最高。表2渗碳淬火、单频感应淬火及双频感应淬火后的热畸变结果
二、齿轮的同步双频感应淬火技术（SDF法）
（1）同步双频感应淬火技术现代化的双频感应淬火技术是在一个感应圈上同时输出高频（如~kHz）和中频（如10~15kHz）两种不同频率对一个工件进行快速热处理，即同步双频感应淬火（见图4）。图4现代化齿轮同步双频淬火示意
如SDF发生器包括正常功率输出的一个HF（高频）和一个MF（中频）采用IGBT技术，在中频振荡基础上叠加高频振荡。HF和MF功率元件能够从2%~%进行连续调整，采用集成PLC控制，具有多个程序时间和功率设定，特别适合处理类似齿轮等复杂表面的工件。如SDF同步双频感应淬火可获得沿齿廓分布的硬化层，可代替部分渗碳淬火工艺，如因锥齿轮齿顶形状很复杂，在渗碳淬火后非常不容易进行磨齿以校正其畸变，而采用SDF同步双频感应淬火处理时间［加热时间ms，功率kW（MF＋HF），10kHz和kHz］与传统渗碳淬火相比，仅为40%左右，加上感应热处理为表面局部加热淬火，因此热处理畸变很小，完全可以达到畸变公差要求，齿轮不需磨齿。目前，SDF同步双频感应加热设备功率达到3MW以上，完全可以满足大中型齿轮的表面热处理需求。图5为同步双频感应淬火的几种齿轮仿形硬化层分布。图5同步双频感应淬火的几种齿轮仿形硬化层分布
（2）SDF法优点①同步双频感应加热，沿齿廓加热，可实现齿根和齿顶的同时受热，热量可集中在工件的轮廓表面，从而获得均匀的齿廓硬化层，硬化层深度根据需要快速调节。②具有快速、位置精确硬化、能耗节约50%、热处理后畸变小、产能高及使用成本低等一系列优点。③易于集成在现有机械加工生产线上。④环境污染非常小。⑤设备占地空间少2/3。（3）齿轮感应淬火加工的全自动化德国eldec公司与德国EMA公司合作开发的拾取式的齿轮感应淬火机床（拾取式，即工装在固定的位置上，齿轮是移动的，由机械手抓取并进行淬火），最终实现了齿轮感应淬火加工的全自动化。由于能够准确地知道工件在加工过程中能量和畸变量的变化情况，能量控制的精度可达到±2%，并且有准确的记录，而这在渗碳炉中是做不到的。（4）应用SDF感应加热设备与技术还可以用于锥齿轮、从动行星轮、蜗杆、齿条等感应淬火。三、感应加热气体渗碳技术
（1）高频加热气体渗碳及节能效果利用高频感应加热直流放电进行渗碳，可获得0.35~0.45mm渗碳层，渗层表面碳含量0.9%~1.05%（质量分数）。与常规气体渗碳相比，高频加热气体渗碳技术可缩短生产周期至原来的1/10~1/2，因此节能效果显著。（2）中频加热气体渗碳及节能效果在如图6所示的中频感应加热装置中，将工件（齿轮）以0~Hz（50kW）中频电流加热到~℃，同时通入渗碳气体（例如，天然气与吸热式气氛的混合气）。渗碳过程持续40~45min，可以得到0.8~1.2mm的渗碳层。图6感应加热气体渗碳装置示意
1.油槽2.油缸3.感应圈4.齿轮
在上述装置中，每1.5~3min可推出一个渗碳后的齿轮，经预冷至~℃，然后进行淬火。（3）节能效果常规气体渗碳时，要获得0.8~1.2mm渗碳层深度，需要渗碳时间5~6h。与常规气体渗碳相比，采用感应加热气体渗碳，可缩短渗碳周期80%以上，因此该工艺节能降耗效果十分显著。四、新的模压式感应淬火技术
目前，国外（如德国EMA感应科技开发公司）开发了一种模压式感应淬火技术，其综合了感应淬火和压床淬火工艺的优点，其工艺路线是，齿轮感应淬火后直接采用模具淬火，然后进行原位感应加热回火。其主要装备是具有模压式淬火装置以及感应加热系统的新型淬火机床。其适用于高精度圆环形工件的批量生产，如齿圈、锥齿轮和同步器齿套等的淬火。该工艺不仅适合于中碳钢的直接压床淬火，也适合于渗碳后的齿轮压床淬火。例如，渗碳后变形的锥齿轮，材料为16MnCrS5钢，要求淬火处理。（1）模压式感应淬火工艺参数16MnCrS5钢锥齿轮模压式感应淬火工艺参数及检验结果如表3所示。表3锥齿轮模压式感应淬火工艺参数及检验结果
（2）模压式感应淬火工艺过程图7为锥齿轮模压感应淬火示意，首先将渗碳后的锥齿轮固定到非导磁性的定心和夹持装置上（步骤1），通过电磁感应（线圈）将齿轮加热到约℃（步骤2）。保温一定时间后，齿轮达到一个相同或均匀的温度，芯轴、压模到位（步骤3），压模施压状态下立即用淬火冷却介质喷淋齿轮（步骤4）。校正芯轴可以有效地防止齿轮收缩。在步骤4淬火结束后，不再需要压模，直接进入感应回火阶段。图7锥齿轮模压式感应淬火示意
五、模压式感应淬回火生产线
模压式感应淬火+回火生产线如图8所示，其只有转底渗碳炉和感应压淬机床。感应淬火采用水溶性淬火冷却介质，热处理后的齿轮不需要清洗，同时可去掉专门配备的回火炉。图8齿轮模压式感应淬火回火生产线
1.上下料机构2.转底式渗碳炉3.转移机构
4.感应模压淬火回火机床
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