感应淬火全齿宽硬化工艺研究及改善

对工件变形小、高效节能、环保、容易实现自动化的感应淬火已成为一种常用的表面热处理技术。随著工业技术的发展，对齿轮的承载能力和质量提出了更高的要求。与现有的感应淬火技术相比，齿轮的两端面齿根未硬化，在服役期间容易产生弯曲疲劳裂纹。特别是对重载齿轮，当负载偏大时，两端未硬化的轮齿易产生开裂失效。所以，实现全齿宽范围内齿形硬化，可大大提高我国感应淬火技术的水平，提高齿轮的承载能力和质量，并产生显著的经济效益。采用优化的感应淬火工艺，解决了齿轮端面齿根未硬化、齿面过热烧熔问题，实现了全齿强化，并应用于批量生产。

1.全齿宽强化技术要求。

诱导淬火全齿宽硬化层：有效硬化层分布于轮齿全齿宽范围内，两个齿轮端面的层深、组织等指标均要求同齿宽中宽(符合图样标准要求)。针对感应加热工艺的技术难点，目前国内外的标准对全齿宽硬化要求并不明确，具体要求以客户为准。其中JB/T9171-1999《齿轮火焰及感应淬火工艺及其质量控制》规定：在150mm的齿宽范围内，有效硬化层的分布范围为齿宽的80%，距齿宽的10%范围内不作任何判断。ISO6336-5:2003：直齿式和斜齿承载能力的计算第5部分：材料强度和质量》要求将其覆盖到全齿宽范围内，但是对两端层深度的具体要求没有明确的阐述。其它如AGMA和DIN标准对全齿宽强化等要求较为宽松。在距端面至一倍模数或1/8齿宽范围内，层深不作判断。

2.过程现状分析。

其中存在的主要问题有：涡流尖角处的集中加热温度高，而内圆角不易加热等。由此，齿轮在感应加热过程中容易发生端部齿面尖角过热烧熔，而内圆角处未硬化或硬化层深不足，如图1所示。目前国内外的标准对端面硬化层深要求比较宽松，因此通常应采取降低热功、防止端面烧熔等明显的外观质量缺陷，而忽略齿根硬化层深偏浅或未硬化等质量隐患。齿轮的承载能力和质量下降，存在早期失效的风险。为解决这一问题，本文通过设计新型传感器结构和调整工艺参数，优化了感应淬火工艺。

3.优化流程。

(1)传感器结构优化了现有的沿齿廓扫描仿形结构的传感器，在加热过程中对齿面和齿根的位置进行加热。由于受感应加热效应的影响，齿轮两端面的齿根位置受热不足，导致未硬化或硬化层深度不足，而端面节圆点温度过高则会发生过热烧熔。为此，对其技术难点进行了深入分析，通过优化传感器上下导板和硅钢片结构，解决了现有传感器结构中齿形同时加热的缺点；优化后的传感器上、下导板为去圆弧斜上/下三角结构，增加导体部分提高了齿根加热效果。而且这种特殊的斜上/下三角结构实现了齿根和齿面的非同步加热，从而使感应器的端面只在齿根上加热，避免了端部的齿面温度过高，如图2所示。提高端面齿根和硬化层深度，避免端面齿节圆位置过热烧融。

(2)工艺参数对感应淬火全齿宽硬化工艺的主要影响因素有：耦合间隙、加热功率、加热时间和加热位置。选择影响因素，重点分析影响因素，如预热功率、预热时间、加热功率、加热位置等因素，获得最佳的参数组合。将Mn14风力内齿圈用新型结构传感器(Mn14风力内齿圈)，通过优化感应淬火端面工艺参数，解决了齿根未硬化和端面过热烧熔问题。通过四个因素对预热功率X1、预热时间X2、加热功率X3、加热位置X4四个影响因素进行了DOE试验设计，输出变量为端面齿根小硬化层深Y1及齿面节圆位置的晶粒度Y2。

通过实验数据的对比分析，拟合得到了齿根硬化层深Y1、节圆晶粒度Y2、预热功率X2、加热功率X3、加热位置X4之间的关系。再利用响应优化器进行参数预测，得到了以4号为中心的最佳工艺参数为中心点。牙根硬化层深度明显提高，齿面晶粒度符合要求，无过热烧熔现象。用DOE试验优化中心点参数的重复性验证，重复性良好，如表2所示。

4.促进应用。

采用新型结构传感器和优化感应淬火工艺参数DOE试验，解决了齿根、齿面非同步加热问题，解决了齿轮端面齿根未硬化、齿面过热烧熔等问题。达到全齿宽硬化，提高齿轮承载能力和齿轮质量。这一工艺已经在Mn14~Mn20型大模数内齿圈的批量生产，覆盖1.5~4MW风电齿轮箱，并全面推广和批量供货给GE等国内外客户。