感應(yīng)淬火全齒寬硬化工藝你了解多少

感應(yīng)淬火具有工件變形小，高效節(jié)能環(huán)保，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，成為一種常用的表面熱處理技術(shù)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)齒輪的承載能力及品質(zhì)等方面提出了更高的要求。而現(xiàn)有感應(yīng)淬火技術(shù)中，存在齒輪兩端面齒根未硬化問題，在服役過程中易產(chǎn)生彎曲疲勞裂紋。尤其對(duì)于重載齒輪，在出現(xiàn)偏載的情況下，兩端未硬化的輪齒容易發(fā)生開裂失效。因此，實(shí)現(xiàn)齒輪全齒寬范圍內(nèi)硬化，可大幅提高我國(guó)感應(yīng)淬火技術(shù)水平，提升齒輪的承載能力及品質(zhì)，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益。本文通過優(yōu)化感應(yīng)淬火工藝，解決了齒輪端面齒根未硬化而齒面過熱燒熔問題，實(shí)現(xiàn)全齒寬硬化，并應(yīng)用于批量生產(chǎn)。一、全齒寬硬化技術(shù)要求感應(yīng)淬火全齒寬硬化：即有效硬化層在輪齒全齒寬范圍內(nèi)分布，齒輪兩端面的層深、組織等指標(biāo)要求同齒寬中部接近（符合圖樣標(biāo)準(zhǔn)要求）。考慮到感應(yīng)加熱工藝的技術(shù)難點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全齒寬硬化要求不明確且比較寬松，具體要求以客戶為準(zhǔn)。其中JB/T9171-1999《齒輪火焰及感應(yīng)淬火工藝及其質(zhì)量控制》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在150mm齒寬范圍內(nèi)，有效硬化層分布范圍為齒寬的80%，距兩端各10%齒寬范圍內(nèi)不作評(píng)判。ISO6336-5：2003《直齒輪和斜齒輪承重能力的計(jì)算第5部分：材料強(qiáng)度和質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)要求硬化層深在全齒寬范圍內(nèi)覆蓋，但對(duì)兩端層深的具體要求無明確闡述。其他如AGMA及DIN標(biāo)準(zhǔn)等對(duì)全齒寬硬化要求比較寬松。從距端面至一倍模數(shù)或1/8齒寬范圍內(nèi)，層深不作評(píng)判要求。二、工藝現(xiàn)狀分析感應(yīng)淬火工藝的問題點(diǎn)包括：尖角處渦流集中加熱溫度高，而內(nèi)圓角不易加熱等。因此，齒輪在感應(yīng)加熱過程中易出現(xiàn)端部齒面尖角過熱燒熔，而內(nèi)圓角位置的齒根未硬化或硬化層深不足問題，如圖1所示。由于國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)端面的硬化層深要求比較寬松，通常采取降低加熱功率方法，防止齒輪出現(xiàn)端面燒熔這一明顯的外觀質(zhì)量缺陷，而忽略了端面齒根硬化層深嚴(yán)重偏淺或未硬化的質(zhì)量隱患。降低了齒輪的承載能力及品質(zhì)，存在早期失效風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)該問題，本文通過設(shè)計(jì)新型感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及調(diào)整工藝參數(shù)，對(duì)感應(yīng)淬火工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1

端面齒面燒熔及齒根硬化層深分布三、工藝優(yōu)化（1）感應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)有的沿齒廓掃描仿形結(jié)構(gòu)感應(yīng)器，在加熱過程中同時(shí)加熱齒面及齒根位置。在感應(yīng)加熱效應(yīng)的影響下，使得齒輪兩端面齒根位置加熱不足導(dǎo)致未硬化或硬化層深不足，而端面的齒面節(jié)圓位置溫度過高發(fā)生過熱燒熔。因此，深入分析其技術(shù)難點(diǎn)，通過優(yōu)化感應(yīng)器上下導(dǎo)板及硅鋼片結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有感應(yīng)器結(jié)構(gòu)存在的齒廓同時(shí)加熱的弊端；結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的感應(yīng)器的上導(dǎo)板與下導(dǎo)板為去圓弧斜向上/下三角結(jié)構(gòu)，增加的導(dǎo)體部分增強(qiáng)了齒根加熱效果。同時(shí)，該特殊的斜向上/下的三角結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了齒根與齒面的不同步加熱，這樣，可使得感應(yīng)器在端面只對(duì)齒根進(jìn)行加熱，避免端面處的齒面溫度過高，如圖2所示。在提升端面齒根硬化層深的同時(shí)，避免端面的齒面節(jié)圓位置的過熱燒融問題。圖2

感應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意（2）工藝參數(shù)優(yōu)化感應(yīng)淬火全齒寬硬化的工藝主要影響因素包括：耦合間隙、加熱功率、時(shí)間和加熱位置等。通過篩選影響因子、重點(diǎn)分析預(yù)熱功率、預(yù)熱時(shí)間、加熱功率及加熱位置等影響因子，以得到最優(yōu)參數(shù)因子組合。在采用上述新型結(jié)構(gòu)感應(yīng)器（用于Mn14風(fēng)電內(nèi)齒圈）的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化感應(yīng)淬火端面工藝參數(shù)解決端面齒根未硬化而端面過熱燒熔問題。對(duì)預(yù)熱功率X1、預(yù)熱時(shí)間X2、加熱功率X3、加熱位置X4四個(gè)影響因素進(jìn)行部分因子DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)，輸出變量為端面齒根最小硬化層深Y1及齒面節(jié)圓位置的晶粒度Y2，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表1所示。表1DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析，擬合得到齒根硬化層深Y1及節(jié)圓晶粒度Y2與預(yù)熱功率X1、預(yù)熱時(shí)間X2、加熱功率X3、加熱位置X4的關(guān)系。并通過響應(yīng)優(yōu)化器對(duì)最佳參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)為中心點(diǎn)，即編號(hào)為4的參數(shù)。齒根硬化層深明顯提升，齒面晶粒度符合要求，未出現(xiàn)過熱燒熔情況。對(duì)采用DOE試驗(yàn)優(yōu)化的中心點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證，重復(fù)性很好，如表2所示。表2

最優(yōu)參數(shù)重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果四、推廣應(yīng)用通過設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)感應(yīng)器及優(yōu)化感應(yīng)淬火工藝參數(shù)DOE試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)齒根及齒面的不同步加熱，解決了齒輪端面齒根未硬化而齒面過熱燒熔問題