齒類零件感應熱處理

艾瑪應泰感應科技（北京）有限公司總經(jīng)理 劉 平

感應熱處理主要應用在表面淬火、模壓淬火、保護氣氛淬火、退火、回火中。

感應模壓淬火-回火工藝

隨著汽拖制造技術(shù)越來越成熟，對零部件的加工要求越來越高，對淬硬層的分布和變形要求更加嚴格，批量要求變大。零件一般加熱到900～950℃時進行淬火，淬火時存在很多的問題：加熱膨脹導致變形，淬硬層分布不均勻?qū)е伦冃危訜釙r相變引起的體積增加導致變形，工件結(jié)構(gòu)不對稱引起的變形，還有就是上述結(jié)果的累積導致變形。淬火之前工件機加工時內(nèi)部會產(chǎn)生應力，淬火時這些應力將釋放出來，特別是薄壁類零件，這些問題更加普遍，都將導致變形。

淬火后，為了減少變形，將在精加工工序中花費大量的時間進行矯直、磨削等，對淬火表面進行精加工。為在根本上解決這些問題，EMA開發(fā)了一系列的模壓淬火機床，綜合了感應熱處理和傳統(tǒng)的模壓式壓淬的一整套工藝，適用于圓形、圓盤形零件。比如滑套的模壓淬火，如圖1所示，先把變形的橢圓零件固定在非導磁定心和夾持裝置上（工步1），開始對零件加熱（工步2），900℃時零件會達到均勻的溫度，這時矯正芯模就位（工步3），即可進行淬火噴淋（工步4），這里矯正芯模的作用就是防止和限制零件變形。之后感應器下移到零件位置開始加熱，受熱后零件就會膨脹，與矯正芯模之間會產(chǎn)生很小的間隙，芯模會自由脫落，最后把零件冷卻下來。

圖1

滑套模壓淬火過程參數(shù)：功率100kW，頻率20kHz；淬火+回火工藝中，節(jié)拍60s，表面硬度為650～720HV1，淬層深度0.3～0.6mm，心部硬度320～420HV1；變形檢查結(jié)果，圓度<0.05mm，平面度<0.06mm，錐度<0.05mm，熱處理能力指數(shù)Cpk>1.67。

錐齒輪感應模壓淬火如圖2所示，在工步3和工步4中多了一個上下壓模（綠色部分），作用是牢固地夾持工件進行淬火。錐齒輪模壓淬火過程參數(shù)：功率250kW，頻率10kHz；淬火+回火工藝中，節(jié)拍4min，表面硬度680～780HV30，淬層深度0.8～1.2mm，心部硬度350～480HV30；變形檢查結(jié)果，齒部圓度<0.03mm，法蘭部圓度<0.03mm，內(nèi)徑錐度<0.03mm，法蘭部平面度<0.05mm。

感應模壓淬火工藝的優(yōu)勢：加熱后，立即進行模壓淬火，變形小；4路單獨控制的淬火冷卻裝置，均勻、高效；芯模幾乎沒有磨損；加熱時間短，能源消耗少；工件尺寸更精確；淬火參數(shù)可重復性好。相比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)底爐滲碳或加熱壓淬系統(tǒng)設備，感應模壓淬火系統(tǒng)設備能夠直接與生產(chǎn)線集成，淬火、回火共用一套加熱電源，不需要回火爐，不需要清洗機，工件傳輸系統(tǒng)少，還可以進行保護氣氛下淬回火，可以二次加熱進行模壓淬火，不改變硬化層輪廓（深度和分布/全部表面），運行條件更便利，占地面積小。適合感應模壓淬火的零件有同步器滑套、同步器齒圈、錐齒輪、離合器片、軸承等高精度工件。

大齒輪、齒條感應淬火

圖2

圖3

圖4

圖5

利用單齒“齒廓”淬火方法（見圖3），我們進行了風電齒輪單齒淬火（見圖4a）、礦山機械單齒淬火（見圖4b）、模數(shù)為63的大的齒板齒條單齒淬火（見圖4c）等，單齒切片如圖5所示。全齒長的淬硬層均勻分布，決定因素有溫度、溫度的分布控制、冷卻，間隙控制技術(shù)，加熱溫度對產(chǎn)品的最終質(zhì)量起到至關重要的作用，感應器的間隙控制對于溫度的控制是很關鍵的，EMA的淬火機床都會安裝一個高精密的感應探頭，對齒廓進行初始的精確定位，避免了人工調(diào)整感應器間隙帶來的誤差，齒輪在加熱淬火時會產(chǎn)生變形，我們采用一套隨動系統(tǒng)來適應齒輪的變形，從而保證感應器的間隙是合適的，保證淬硬層的分布是均勻的。沿齒長方向的能量均勻分布控制，連續(xù)淬火中，出口和入口處的棱角會產(chǎn)生端面效應，造成局部過熱或欠熱，輕則導致淬硬層分布不均勻，重則導致開裂，因此需要對整個溫度進行均勻控制，由于紅外測溫法的局限性，能量法是唯一可行的控制方式，EMA開發(fā)了一套沿齒長方向的溫度控制系統(tǒng)，把齒長方向分成若干了微小等分，系統(tǒng)自動計量每個等分的能量，小于0.01s后把其顯示在操作屏上，如果采集的數(shù)據(jù)落在曲線區(qū)域之內(nèi)就正常，如果落在區(qū)域之外系統(tǒng)就會報警，之后通過調(diào)整功率和速率來控制溫度。

EMA的單頭淬火機床，集成帶有旋轉(zhuǎn)分度臺專用工裝就可以對大的零件進行淬火，目前能加工直徑4m的零部件。這種機床如果加上保護氣氛罩，就可以避免工件氧化層的形成，免掉了拋丸、磨削等工序。特別是對于重載齒輪，在感應熱處理后都需要對整個齒進行硬度檢查和裂紋檢查，需要工人花大量的時間把齒輪打磨的很干凈后進行著色檢查，如果整個工件在保護氣氛下淬火，這種情況就不會再發(fā)生了。這種機床解決了小功率電源對大規(guī)格齒輪的淬火，但是相對于整體淬火效率較低，尤其是規(guī)格較大、齒數(shù)較多的齒輪，加工時間很長，放到回火爐回火時第一個齒有開裂的傾向。為此，EMA開發(fā)了雙加熱頭淬火機床，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了齒輪的開裂傾向，還可以應用到齒條的感應淬火。典型案例就是三峽大壩升船機超大模數(shù)齒條的感應淬火工藝，升船機的提升機構(gòu)包括4套大齒輪以及4個垂直的總長113m的齒條，升船機重量將達到34000t。

另外，齒面淬火方法如圖6所示，用以加工的切片試樣如圖7所示，可見淬硬層分布比較均勻。

圖6

圖7