齒類零件感應(yīng)熱處理

艾瑪應(yīng)泰感應(yīng)科技（北京）有限公司總經(jīng)理 劉 平

感應(yīng)熱處理主要應(yīng)用在表面淬火、模壓淬火、保護(hù)氣氛淬火、退火、回火中。

感應(yīng)模壓淬火-回火工藝

隨著汽拖制造技術(shù)越來(lái)越成熟，對(duì)零部件的加工要求越來(lái)越高，對(duì)淬硬層的分布和變形要求更加嚴(yán)格，批量要求變大。零件一般加熱到900～950℃時(shí)進(jìn)行淬火，淬火時(shí)存在很多的問(wèn)題：加熱膨脹導(dǎo)致變形，淬硬層分布不均勻?qū)е伦冃?，加熱時(shí)相變引起的體積增加導(dǎo)致變形，工件結(jié)構(gòu)不對(duì)稱引起的變形，還有就是上述結(jié)果的累積導(dǎo)致變形。淬火之前工件機(jī)加工時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，淬火時(shí)這些應(yīng)力將釋放出來(lái)，特別是薄壁類零件，這些問(wèn)題更加普遍，都將導(dǎo)致變形。

淬火后，為了減少變形，將在精加工工序中花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行矯直、磨削等，對(duì)淬火表面進(jìn)行精加工。為在根本上解決這些問(wèn)題，EMA開(kāi)發(fā)了一系列的模壓淬火機(jī)床，綜合了感應(yīng)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(pán)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(dǎo)磁定心和夾持裝置上（工步1），開(kāi)始對(duì)零件加熱（工步2），900℃時(shí)零件會(huì)達(dá)到均勻的溫度，這時(shí)矯正芯模就位（工步3），即可進(jìn)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(yīng)器下移到零件位置開(kāi)始加熱，受熱后零件就會(huì)膨脹，與矯正芯模之間會(huì)產(chǎn)生很小的間隙，芯模會(huì)自由脫落，最后把零件冷卻下來(lái)。

圖1

滑套模壓淬火過(guò)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(yīng)模壓淬火如圖2所示，在工步3和工步4中多了一個(gè)上下壓模（綠色部分），作用是牢固地夾持工件進(jìn)行淬火。錐齒輪模壓淬火過(guò)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(yīng)模壓淬火工藝的優(yōu)勢(shì)：加熱后，立即進(jìn)行模壓淬火，變形?。?路單獨(dú)控制的淬火冷卻裝置，均勻、高效；芯模幾乎沒(méi)有磨損；加熱時(shí)間短，能源消耗少；工件尺寸更精確；淬火參數(shù)可重復(fù)性好。相比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)底爐滲碳或加熱壓淬系統(tǒng)設(shè)備，感應(yīng)模壓淬火系統(tǒng)設(shè)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(jī)，工件傳輸系統(tǒng)少，還可以進(jìn)行保護(hù)氣氛下淬回火，可以二次加熱進(jìn)行模壓淬火，不改變硬化層輪廓（深度和分布/全部表面），運(yùn)行條件更便利，占地面積小。適合感應(yīng)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(yīng)淬火

圖2

圖3

圖4

圖5

利用單齒“齒廓”淬火方法（見(jiàn)圖3），我們進(jìn)行了風(fēng)電齒輪單齒淬火（見(jiàn)圖4a）、礦山機(jī)械單齒淬火（見(jiàn)圖4b）、模數(shù)為63的大的齒板齒條單齒淬火（見(jiàn)圖4c）等，單齒切片如圖5所示。全齒長(zhǎng)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(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，感應(yīng)器的間隙控制對(duì)于溫度的控制是很關(guān)鍵的，EMA的淬火機(jī)床都會(huì)安裝一個(gè)高精密的感應(yīng)探頭，對(duì)齒廓進(jìn)行初始的精確定位，避免了人工調(diào)整感應(yīng)器間隙帶來(lái)的誤差，齒輪在加熱淬火時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，我們采用一套隨動(dòng)系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)齒輪的變形，從而保證感應(yīng)器的間隙是合適的，保證淬硬層的分布是均勻的。沿齒長(zhǎng)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(huì)產(chǎn)生端面效應(yīng)，造成局部過(guò)熱或欠熱，輕則導(dǎo)致淬硬層分布不均勻，重則導(dǎo)致開(kāi)裂，因此需要對(duì)整個(gè)溫度進(jìn)行均勻控制，由于紅外測(cè)溫法的局限性，能量法是唯一可行的控制方式，EMA開(kāi)發(fā)了一套沿齒長(zhǎng)方向的溫度控制系統(tǒng)，把齒長(zhǎng)方向分成若干了微小等分，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)量每個(gè)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(huì)報(bào)警，之后通過(guò)調(diào)整功率和速率來(lái)控制溫度。

EMA的單頭淬火機(jī)床，集成帶有旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)專用工裝就可以對(duì)大的零件進(jìn)行淬火，目前能加工直徑4m的零部件。這種機(jī)床如果加上保護(hù)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(duì)于重載齒輪，在感應(yīng)熱處理后都需要對(duì)整個(gè)齒進(jìn)行硬度檢查和裂紋檢查，需要工人花大量的時(shí)間把齒輪打磨的很干凈后進(jìn)行著色檢查，如果整個(gè)工件在保護(hù)氣氛下淬火，這種情況就不會(huì)再發(fā)生了。這種機(jī)床解決了小功率電源對(duì)大規(guī)格齒輪的淬火，但是相對(duì)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(shí)間很長(zhǎng)，放到回火爐回火時(shí)第一個(gè)齒有開(kāi)裂的傾向。為此，EMA開(kāi)發(fā)了雙加熱頭淬火機(jī)床，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了齒輪的開(kāi)裂傾向，還可以應(yīng)用到齒條的感應(yīng)淬火。典型案例就是三峽大壩升船機(jī)超大模數(shù)齒條的感應(yīng)淬火工藝，升船機(jī)的提升機(jī)構(gòu)包括4套大齒輪以及4個(gè)垂直的總長(zhǎng)113m的齒條，升船機(jī)重量將達(dá)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(jiàn)淬硬層分布比較均勻。

圖6

圖7