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作者：金榮植 來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志 輪的整個(gè)輪廓需要淬火以獲得必須的抗麻點(diǎn)、耐磨以及疲勞強(qiáng)度、較小的畸變。而這樣的淬火輪廓很難通過(guò)常規(guī)感應(yīng)淬火方法獲得，對(duì)此可以采用雙頻感應(yīng)淬火、同步雙頻感應(yīng)淬火等，能夠得到沿齒廓均勻分布的淬硬層。同時(shí)，由于加熱速度快、時(shí)間短，因此節(jié)能效果顯著。 今天作者拋磚引玉，簡(jiǎn)單的聊聊比較先進(jìn)的齒輪感應(yīng)熱處理技術(shù)，不足之處大家可以補(bǔ)充。美國(guó)GM公司是最早應(yīng)用齒輪感應(yīng)淬火代替滲碳淬火的企業(yè)之一。齒輪感應(yīng)淬火取代滲碳淬火的主要優(yōu)點(diǎn)是周期短、能耗低、畸變小。
一、齒輪雙頻感應(yīng)淬火技術(shù) 常規(guī)（傳統(tǒng)）雙頻感應(yīng)淬火是兩種頻率的電源分別施加到兩個(gè)感應(yīng)器，齒輪需要從低頻感應(yīng)器預(yù)熱之后快速移到另一高頻感應(yīng)器加熱并進(jìn)行淬火，見(jiàn)圖1。雙頻感應(yīng)淬火是采用低頻加熱向里進(jìn)行熱能量的擴(kuò)散，最后高頻加熱向表層，即“低頻趨里，高頻趨表”的特征。
圖1 常規(guī)的齒輪雙頻淬火示意 雙頻感應(yīng)淬火是增加淬硬層深度并使硬度分布更為合理的感應(yīng)加熱淬火方法。即用中頻-高頻依次加熱方法可獲得沿齒廓分布的硬化層，而且齒輪熱處理畸變小。例如，模數(shù)為4mm的齒輪先用中頻電流加熱（2.5~3s）齒溝和接近齒根的齒側(cè)，然后再用250kHz高頻電流加熱（0.6~0.7s）齒頂和接近齒頂?shù)凝X側(cè)，然后淬火。東風(fēng)汽車集團(tuán)公司對(duì)材料為45鋼、模數(shù)為3的齒輪進(jìn)行雙頻感應(yīng)加熱淬火時(shí)，能夠得到沿齒輪廓均勻分布的淬硬層，淬硬層為0.8mm時(shí)，具有最佳彎曲疲勞性能，與SCM420（相當(dāng)于20CrMo鋼）滲碳齒輪疲勞性能基本相當(dāng)，疲勞極限可以達(dá)到1450MPa。日本電氣興業(yè)公司通過(guò)對(duì)齒輪雙頻淬火法進(jìn)行試驗(yàn)，可得到比齒輪單頻淬火法和滲碳淬火法小的畸變，漸開線圓柱齒輪（見(jiàn)圖2），模數(shù)2mm，全齒高4.7mm，齒數(shù)36，材料為S45C鋼（相當(dāng)于45鋼）。齒面經(jīng)剃齒精加工，預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)。
圖2 試驗(yàn)齒輪形狀 雙頻感應(yīng)淬火方法如圖6所示。首先把齒輪放在夾具上，然后隨中心軸高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由中頻電源送入f＝3000Hz的電流，進(jìn)入感應(yīng)器（A），對(duì)全齒形（齒頂、齒面、齒根）進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)齒輪達(dá)到最佳溫度時(shí)，中頻電源斷電，齒輪迅速降到淬火加熱的感應(yīng)器（B）中，同時(shí)高頻電源開始送電，頻率f＝140kHz，對(duì)齒輪的齒面和齒頂進(jìn)行快速的淬火加熱，待齒面達(dá)到淬火溫度時(shí)，切斷高頻電源，降低齒輪的旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)淬火用水套中噴出冷卻水，使齒面、齒頂、齒根迅速冷卻，獲得沿齒形分布的硬化層。
圖3 雙頻感應(yīng)淬火方法 1. 噴水孔2. 齒輪3. 預(yù)熱用感應(yīng)器（A） 4. 高頻加熱感應(yīng)器（B）＋淬火用水套5. 夾具 表1為齒輪（見(jiàn)圖2）三種熱處理工藝參數(shù)。表1 雙頻、單頻淬火及滲碳淬火的主要工藝參數(shù) 
三種工藝處理后的齒輪畸變、殘留壓應(yīng)力及沿齒廓仿形率的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)表2可知，雙頻淬火后的齒輪熱處理畸變最小，精度最高，殘留壓應(yīng)力最高。表2 滲碳淬火、單頻感應(yīng)淬火及雙頻感應(yīng)淬火后的熱畸變結(jié)果 
二、齒輪的同步雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)（SDF法） 現(xiàn)代化的雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)是在一個(gè)感應(yīng)圈上同時(shí)輸出高頻（如200~400kHz）和中頻（如10~15kHz）兩種不同頻率對(duì)一個(gè)工件進(jìn)行快速熱處理，即同步雙頻感應(yīng)淬火（見(jiàn)圖4）。
圖4 現(xiàn)代化齒輪同步雙頻淬火示意 如SDF發(fā)生器包括正常功率輸出的一個(gè)HF（高頻）和一個(gè)MF（中頻）采用IGBT技術(shù)，在中頻振蕩基礎(chǔ)上疊加高頻振蕩。HF和MF功率元件能夠從2%~100%進(jìn)行連續(xù)調(diào)整，采用集成PLC控制，具有多個(gè)程序時(shí)間和功率設(shè)定，特別適合處理類似齒輪等復(fù)雜表面的工件。如SDF同步雙頻感應(yīng)淬火可獲得沿齒廓分布的硬化層，可代替部分滲碳淬火工藝，如因錐齒輪齒頂形狀很復(fù)雜，在滲碳淬火后非常不容易進(jìn)行磨齒以校正其畸變，而采用SDF同步雙頻感應(yīng)淬火處理時(shí)間［加熱時(shí)間200ms，功率580kW（MF＋HF），10kHz和230kHz］與傳統(tǒng)滲碳淬火相比，僅為40%左右，加上感應(yīng)熱處理為表面局部加熱淬火，因此熱處理畸變很小，完全可以達(dá)到畸變公差要求，齒輪不需磨齒。目前，SDF同步雙頻感應(yīng)加熱設(shè)備功率達(dá)到3MW以上，完全可以滿足大中型齒輪的表面熱處理需求。圖5為同步雙頻感應(yīng)淬火的幾種齒輪仿形硬化層分布。
圖5 同步雙頻感應(yīng)淬火的幾種齒輪仿形硬化層分布 ①同步雙頻感應(yīng)加熱，沿齒廓加熱，可實(shí)現(xiàn)齒根和齒頂?shù)耐瑫r(shí)受熱，熱量可集中在工件的輪廓表面，從而獲得均勻的齒廓硬化層，硬化層深度根據(jù)需要快速調(diào)節(jié)。②具有快速、位置精確硬化、能耗節(jié)約50%、熱處理后畸變小、產(chǎn)能高及使用成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。③易于集成在現(xiàn)有機(jī)械加工生產(chǎn)線上。（3）齒輪感應(yīng)淬火加工的全自動(dòng)化德國(guó)eldec公司與德國(guó)EMA公司合作開發(fā)的拾取式的齒輪感應(yīng)淬火機(jī)床（拾取式，即工裝在固定的位置上，齒輪是移動(dòng)的，由機(jī)械手抓取并進(jìn)行淬火），最終實(shí)現(xiàn)了齒輪感應(yīng)淬火加工的全自動(dòng)化。由于能夠準(zhǔn)確地知道工件在加工過(guò)程中能量和畸變量的變化情況，能量控制的精度可達(dá)到±2%，并且有準(zhǔn)確的記錄，而這在滲碳爐中是做不到的。SDF感應(yīng)加熱設(shè)備與技術(shù)還可以用于錐齒輪、從動(dòng)行星輪、蝸桿、齒條等感應(yīng)淬火。
三、感應(yīng)加熱氣體滲碳技術(shù) 利用高頻感應(yīng)加熱直流放電進(jìn)行滲碳，可獲得0.35~0.45mm滲碳層，滲層表面碳含量0.9%~1.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。與常規(guī)氣體滲碳相比，高頻加熱氣體滲碳技術(shù)可縮短生產(chǎn)周期至原來(lái)的1/10~1/2，因此節(jié)能效果顯著。在如圖6所示的中頻感應(yīng)加熱裝置中，將工件（齒輪）以2000~8000Hz（50kW）中頻電流加熱到1050~1080℃，同時(shí)通入滲碳?xì)怏w（例如，天然氣與吸熱式氣氛的混合氣）。滲碳過(guò)程持續(xù)40~45min，可以得到0.8~1.2mm的滲碳層。
圖6 感應(yīng)加熱氣體滲碳裝置示意 1.油槽2.油缸3.感應(yīng)圈4.齒輪 在上述裝置中，每1.5~3min可推出一個(gè)滲碳后的齒輪，經(jīng)預(yù)冷至820~870℃，然后進(jìn)行淬火。常規(guī)氣體滲碳時(shí)，要獲得0.8~1.2mm滲碳層深度，需要滲碳時(shí)間5~6h。與常規(guī)氣體滲碳相比，采用感應(yīng)加熱氣體滲碳，可縮短滲碳周期80%以上，因此該工藝節(jié)能降耗效果十分顯著。
四、新的模壓式感應(yīng)淬火技術(shù) 目前，國(guó)外（如德國(guó)EMA感應(yīng)科技開發(fā)公司）開發(fā)了一種模壓式感應(yīng)淬火技術(shù)，其綜合了感應(yīng)淬火和壓床淬火工藝的優(yōu)點(diǎn)，其工藝路線是，齒輪感應(yīng)淬火后直接采用模具淬火，然后進(jìn)行原位感應(yīng)加熱回火。其主要裝備是具有模壓式淬火裝置以及感應(yīng)加熱系統(tǒng)的新型淬火機(jī)床。其適用于高精度圓環(huán)形工件的批量生產(chǎn)，如齒圈、錐齒輪和同步器齒套等的淬火。該工藝不僅適合于中碳鋼的直接壓床淬火，也適合于滲碳后的齒輪壓床淬火。例如，滲碳后變形的錐齒輪，材料為16MnCrS5鋼，要求淬火處理。（1）模壓式感應(yīng)淬火工藝參數(shù)16MnCrS5鋼錐齒輪模壓式感應(yīng)淬火工藝參數(shù)及檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。表3 錐齒輪模壓式感應(yīng)淬火工藝參數(shù)及檢驗(yàn)結(jié)果
（2）模壓式感應(yīng)淬火工藝過(guò)程圖7為錐齒輪模壓感應(yīng)淬火示意，首先將滲碳后的錐齒輪固定到非導(dǎo)磁性的定心和夾持裝置上（步驟1），通過(guò)電磁感應(yīng)（線圈）將齒輪加熱到約900℃（步驟2）。保溫一定時(shí)間后，齒輪達(dá)到一個(gè)相同或均勻的溫度，芯軸、壓模到位（步驟3），壓模施壓狀態(tài)下立即用淬火冷卻介質(zhì)噴淋齒輪（步驟4）。校正芯軸可以有效地防止齒輪收縮。在步驟4淬火結(jié)束后，不再需要壓模，直接進(jìn)入感應(yīng)回火階段。
圖7 錐齒輪模壓式感應(yīng)淬火示意
五、模壓式感應(yīng)淬回火生產(chǎn)線 模壓式感應(yīng)淬火+回火生產(chǎn)線如圖8所示，其只有轉(zhuǎn)底滲碳爐和感應(yīng)壓淬機(jī)床。感應(yīng)淬火采用水溶性淬火冷卻介質(zhì)，熱處理后的齒輪不需要清洗，同時(shí)可去掉專門配備的回火爐。
圖8 齒輪模壓式感應(yīng)淬火回火生產(chǎn)線 1. 上下料機(jī)構(gòu)2. 轉(zhuǎn)底式滲碳爐3. 轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu) 4. 感應(yīng)模壓淬火回火機(jī)床
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