小模數(shù)齒輪沿齒溝連續(xù)淬火感應(yīng)器的創(chuàng)新與制造

黃玉多，于梅

北方重工集團(tuán)有限公司 遼寧沈陽 110141

1 序言

齒輪感應(yīng)加熱表面淬火，主要有全齒淬火、包齒淬火、沿齒槽連續(xù)加熱表面淬火幾種方式。其中以沿齒槽連續(xù)加熱表面淬火方式的質(zhì)量為最佳，硬化區(qū)域和有效硬化層分布合理，齒槽底部和齒根處應(yīng)力分布狀態(tài)良好，齒面耐磨性及齒根彎曲疲勞強(qiáng)度均提高，許用彎曲應(yīng)力比調(diào)質(zhì)狀態(tài)提高30%～50%，可部分替代滲碳齒輪[1]。一般對(duì)模數(shù)＞12的齒輪均采用此方式淬火。而對(duì)模數(shù)較小（如模數(shù)8）的齒輪，因齒槽空間狹窄，感應(yīng)器設(shè)計(jì)制造難度很大，一般多采用包齒或全齒感應(yīng)加熱淬火[2]。以前對(duì)模數(shù)8的齒輪采用沿齒槽淬火時(shí)，多出現(xiàn)齒槽底部淬不硬，以及齒面硬度、層深不均等現(xiàn)象，因此小模數(shù)齒輪沿齒槽連續(xù)加熱表面淬火就成為迫在眉睫的技術(shù)難題，相應(yīng)地感應(yīng)器開發(fā)研制就成為技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。傳統(tǒng)中頻淬火感應(yīng)器中施感導(dǎo)體冷卻水路形式限制了施感導(dǎo)體頭部的橫向尺寸，因此對(duì)于齒槽空間較小的小模數(shù)齒輪無法實(shí)現(xiàn)沿齒槽連續(xù)中頻感應(yīng)加熱淬火。本文通過改變中頻感應(yīng)淬火感應(yīng)器中傳統(tǒng)施感導(dǎo)體冷卻水路形式的方法，從而有效縮小了施感導(dǎo)體頭部的橫向尺寸，克服了小模數(shù)齒輪齒槽空間狹窄的困難，研制出的感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了沿齒槽連續(xù)中頻感應(yīng)加熱淬火，從而解決了齒槽底部淬不硬，以及齒面硬度、層深不均等問題。

2 感應(yīng)器的設(shè)計(jì)制造

2.1 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式

感應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由施感導(dǎo)體、硅鋼片、匯流排、噴水器及把合、絕緣零件等組成。感應(yīng)器施感導(dǎo)體形狀如圖2所示，其上下表面與齒輪齒槽截面形狀相近，尺寸略小，在使用時(shí)施感導(dǎo)體與被加熱面之間留有合理間隙，一般為1～2mm[3]。匯流排均為銅管制成，導(dǎo)通施感導(dǎo)體與電源之間的電流，同時(shí)連通施感導(dǎo)體冷卻水路。施感導(dǎo)體內(nèi)側(cè)安裝硅鋼片，利用其驅(qū)流作用，使施感導(dǎo)體中豎直方向的電流趨向前部，增強(qiáng)齒槽底部的感應(yīng)電流和加熱效果。

圖1 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)

圖2 施感導(dǎo)體及連接部分示意

淬火時(shí)感應(yīng)器的安裝位置如圖3所示。工件水平放置于中頻感應(yīng)淬火機(jī)床工作臺(tái)上，施感導(dǎo)體上下平面與齒輪齒端面平行。淬火時(shí)感應(yīng)器由下向上沿齒槽方向移動(dòng)，連續(xù)加熱齒槽表面。施感導(dǎo)體下方配置噴水器，在施感導(dǎo)體連續(xù)加熱后噴射淬火冷卻介質(zhì)。為防止在淬火加熱過程中施感導(dǎo)體前端和導(dǎo)磁硅鋼片過熱燒熔，施感導(dǎo)體內(nèi)部設(shè)置冷卻系統(tǒng)，施感導(dǎo)體冷卻系統(tǒng)由上冷卻水路、豎直冷卻水路、下冷卻水路、導(dǎo)體冷卻進(jìn)出水管、匯流排及銅管內(nèi)腔等組成。

圖3 感應(yīng)器與齒槽相對(duì)位置示意

2.2 初始感應(yīng)器

（1）初次試驗(yàn) 按上述感應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式，參照以往大模數(shù)齒輪淬火感應(yīng)器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，制造了初次加熱試驗(yàn)使用的感應(yīng)器。在設(shè)計(jì)制作感應(yīng)器的同時(shí)，投制了淬火用試件，其模數(shù)為8，齒數(shù)為142，變位系數(shù)為-0.3606，試驗(yàn)件材質(zhì)為42CrMo鋼，經(jīng)鍛造成形，粗加工后進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后硬度240～275HBW。

用此感應(yīng)器在多功能中頻感應(yīng)淬火機(jī)床上對(duì)試件進(jìn)行加熱試驗(yàn)。試件與感應(yīng)器的裝夾方式與前述相同。感應(yīng)加熱淬火后，在試件齒寬方向垂直面上切取試片，磨光后用4%硝酸酒精溶液浸蝕檢測硬化層分布，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 首次感應(yīng)加熱試驗(yàn)結(jié)果

圖4 中浸蝕較深的部分為硬化層，可見只有齒根高部分齒面被淬硬，齒頂高部分齒面和齒槽底部沒有硬化效果，同時(shí)齒槽兩側(cè)面硬化深度不均，分析認(rèn)為這是由于齒頂部分齒面及齒槽底部與感應(yīng)器側(cè)面及前部間隙過大，且兩側(cè)齒面與感應(yīng)器間隙不一致所致。

（2）修正感應(yīng)器與齒槽各部分表面的間隙量 根據(jù)圖4所示試驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)感應(yīng)器與齒槽表面各處間隙。取齒槽底部間隙為1mm，齒根部間隙為1mm，逐步向齒頂過渡到2mm。同時(shí)，修正感應(yīng)器輪廓和硅鋼片安裝位置，使其兩側(cè)對(duì)稱。

用修正后的感應(yīng)器重新進(jìn)行上述試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。兩側(cè)齒面已有足夠的淬硬層深度。但是，仍然存在兩個(gè)問題：第一，齒根部分加熱溫度偏高，造成淬硬層過深；第二，齒槽底部淬硬效果不好，幾乎沒有淬硬層。

分析認(rèn)為：第一個(gè)問題產(chǎn)生的原因是齒根部施感導(dǎo)體寬度偏大，感應(yīng)器與該處齒面間隙過??；第二個(gè)問題產(chǎn)生的原因是驅(qū)流導(dǎo)磁體硅鋼片的位置和尺寸不合理，驅(qū)流效果不足。

圖5 修正間隙后的試驗(yàn)結(jié)果

2.3 感應(yīng)器重新設(shè)計(jì)

（1）導(dǎo)體冷卻水路的改進(jìn)和硅鋼片的重新設(shè)計(jì) 據(jù)前述分析，欲改善齒根部加熱狀態(tài)，必須減少施感導(dǎo)體前部寬度。但是，按傳統(tǒng)感應(yīng)器設(shè)計(jì)方式，施感導(dǎo)體的前冷卻水路（見圖6）為圓柱形直孔，圓孔截面占據(jù)了施感導(dǎo)體豎直部分的大部分面積，其側(cè)壁已經(jīng)很薄，沒有余地再減小齒根部施感導(dǎo)體的橫向尺寸。如果把前冷卻水路后移，將減弱對(duì)施感導(dǎo)體前部的冷卻效果，因此將前冷卻水路橫截面形狀由圓形改為狹長形狀，這樣在保證導(dǎo)體冷卻水流通面積的同時(shí)縮小了齒根部施感導(dǎo)體的橫向尺寸。

前已敘及，為加強(qiáng)齒槽底部加熱效果，在施感導(dǎo)體內(nèi)側(cè)安裝了導(dǎo)磁材料硅鋼片。為了防止因感生電流導(dǎo)致其過熱，采用經(jīng)過磷化絕緣處理的厚0.20mm的硅鋼片疊放至所需高度。

圖6 改進(jìn)后的施感導(dǎo)體冷卻水路

原設(shè)計(jì)硅鋼片形狀尺寸如圖7所示。試驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)存在兩個(gè)方面的不足，致使驅(qū)流效果不理想。首先，硅鋼片槽兩側(cè)長度不夠，不能完全包覆施感導(dǎo)體前部，應(yīng)將其加長，這樣就將感應(yīng)器中的交變電流產(chǎn)生的交變磁場向齒槽底部方向前移，可以有效地減少漏磁，加強(qiáng)齒槽底部的加熱效果。其次，硅鋼片后部寬度不夠，總面積小，吸附磁力線能力有限，因此增加了一個(gè)上底5mm、下底11mm、高5mm的梯形面積。為了防止齒頂部棱角處因尖角效應(yīng)產(chǎn)生過熱，將硅鋼片從接近齒頂處至尾部加工成倒角，形成梯形結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的硅鋼片設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖7 原設(shè)計(jì)硅鋼片

圖8 改進(jìn)后的硅鋼片

（2）重新淬火試驗(yàn) 使用再次改進(jìn)的感應(yīng)器重復(fù)前述感應(yīng)加熱淬火試驗(yàn)，浸蝕檢驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 改進(jìn)冷卻水路和硅鋼片后的試驗(yàn)效果

用再次改進(jìn)的感應(yīng)器對(duì)試件加熱淬火后，齒面淬硬層均勻，齒槽底部淬火效果良好，完全可以滿足模數(shù)8的齒輪沿齒槽連續(xù)中頻感應(yīng)加熱表面淬火的需求。

3 變位直齒輪的表面淬火

3.1 技術(shù)要求

試驗(yàn)采用某重要項(xiàng)目環(huán)型起重機(jī)變位直齒輪，模數(shù)為8，齒數(shù)為142，變位系數(shù)為-0.3606，齒頂圓直徑為1146.23mm，齒寬為80mm，材質(zhì)為42CrMo鋼。要求齒部中頻感應(yīng)加熱表面淬火，齒面硬度40～46HRC，節(jié)圓處有效硬化層深度≥1.5mm，齒槽底部淬硬，齒兩側(cè)硬度分布要均勻，同一個(gè)齒面硬度的偏差不允許超過4.5HRC，并且附帶同熔煉爐次材質(zhì)齒形試樣，解剖檢查齒形試樣有效硬化層深度。

3.2 淬火試驗(yàn)

使用前述試制成功的感應(yīng)器，在多功能中頻感應(yīng)淬火機(jī)床上對(duì)該齒輪進(jìn)行沿齒槽連續(xù)加熱表面淬火。工件和感應(yīng)器的裝夾與圖3方式相同。工藝參數(shù)見表1。采用德潤寶BW淬火冷卻介質(zhì)，濃度13%。

表1 表面淬火工藝參數(shù)

3.3 試生產(chǎn)結(jié)果

圖10 齒輪淬火后宏觀檢查硬化深度

齒輪淬火后在熱風(fēng)爐中380℃回火?；鼗鸷簖X面硬度45～46HRC。切片進(jìn)行淬硬層深檢測，宏觀浸蝕形貌如圖10所示。用顯微硬度計(jì)檢測硬度分布情況，結(jié)果見表2。按GB/T 5617—2005判斷節(jié)圓有效硬化層深度DS＝1.90mm，齒槽底部硬化效果良好，齒面硬度均勻，完全達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

表2 有效硬化層深檢測（設(shè)置功率33%）

4 結(jié)束語

1）應(yīng)用該感應(yīng)器對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的模數(shù)8齒輪進(jìn)行表面淬火，完全滿足了設(shè)計(jì)圖樣提出的技術(shù)指標(biāo)要求，說明該中頻感應(yīng)淬火感應(yīng)器設(shè)計(jì)合理，用于小模數(shù)齒輪沿齒槽連續(xù)感應(yīng)加熱表面淬火是可行的，而且應(yīng)用效果良好。

2）該感應(yīng)器的設(shè)計(jì)成功開創(chuàng)了小模數(shù)齒輪感應(yīng)器設(shè)計(jì)新思路，為大直徑小模數(shù)齒輪沿齒槽連續(xù)中頻感應(yīng)加熱淬火感應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。