EMA先進的齒輪感應(yīng)技術(shù)

1、作者：艾瑪感應(yīng)科技（北京）有限公司感應(yīng)熱處理技術(shù)是上世紀20-30 年代建立起來的，成立于二戰(zhàn)之后1946 年的德國EMA公司是較早開始研究與應(yīng)用感應(yīng)熱處理技術(shù)的專業(yè)公司之一。六十多年來，EMA 公司不斷拓展和推新感應(yīng)熱處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，使得EMA 公司不僅成為歐洲著名的感應(yīng)技術(shù)和設(shè)備供應(yīng)商，客戶包括奧迪、寶馬、博世等世界著名的汽車及另部件制造商以及丹麥等國家的風(fēng)電設(shè)備制造商，同時，也成為為全球感應(yīng)熱處理系統(tǒng)的領(lǐng)軍公司之一，在齒輪感應(yīng)淬火應(yīng)用，數(shù)字化感應(yīng)電源技術(shù)方面處于世界前列。 2000 年德國EMA 公司加入了愛協(xié)林集團，2005 年以愛協(xié)林熱處理系統(tǒng)（北京）有限公司為依托，成立了EM

2、A 北京事業(yè)部。這樣，在EMA 技術(shù)服務(wù)于中國市場的同時，為中國客戶提供了貼近快速服務(wù)。隨著業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，即將成立EMA 感應(yīng)科技（北京）有限公司，值此齒協(xié)成立20 年之際，恭賀20 年來齒輪行業(yè)取得的進步，并把EMA 先進的齒輪感應(yīng)熱處理技術(shù)推薦給大家，以期為我們的齒輪行業(yè)做出貢獻。 一 感應(yīng)淬火數(shù)字化晶體管中高頻電源 齒輪感應(yīng)淬火工藝技術(shù)的進步離不開感應(yīng)電源技術(shù)和控制技術(shù)的進步。 EMA 的齒輪感應(yīng)淬火的電源經(jīng)歷了以下幾個階段：機械發(fā)電機變頻電源（50 年代）-可控硅固態(tài)電源（70 年代）-IGBT 晶體管電源（90 年代）-TIV/TIC 串/并晶體管電源）- 數(shù)字化晶體管電源（200

3、0 年） ，這是世界上首臺數(shù)字化的IGBT晶體管電源，其主要特點： · 全數(shù)字逆變控制，所有的參數(shù)設(shè)置通過軟件，有完備的數(shù)字接口，因此，可以適合任意控制要求，聯(lián)網(wǎng)要求，以及遠程參數(shù)設(shè)置和維護要求；一套控制單元適合所有頻率； · 功率因數(shù)cos 始終接近1, 無論滿功率輸出或非滿功率輸出；效率高； · 覆蓋頻率范圍寬，從50Hz 到100KHz ； · 功率范圍大， 從20KW 到5000 KW； 可以看出，EMA 的感應(yīng)淬火電源始終走在世界前列，其卓越的性能為熱處理工藝實施提供了充分的支持，廣泛的選擇。 Fig 1 感應(yīng)淬火變頻電源的發(fā)展二齒輪整體加熱淬

4、火工藝 2.1 輪整體加熱淬火工藝現(xiàn)狀 對于汽拖中小模數(shù)齒輪的整體感應(yīng)淬火應(yīng)用由來已久。但是，隨著汽車工業(yè)的大批量，高品質(zhì)要求越來越高，對硬化層分布以及對變形的要求越來越高，因此常規(guī)的整體淬火工藝遠遠不適應(yīng)要求。 對于齒輪整體淬火來說，齒頂淬透和齒根淬不上火一直是感應(yīng)淬火應(yīng)用的限制因素之一。也是很多高品質(zhì)齒輪寧愿采用高成本滲碳淬火工藝的原因。解決此類問題的方法之一是采用低淬鋼，也叫限制淬透性鋼，但是由于受材料限制，在工業(yè)應(yīng)用中并不普及。另外一種途徑是尋求雙頻淬火（SDF）或者改變功率密度的沖擊式淬火（PPH 或SRIQ），這對電源和機床提出了特別要求，因此，僅在特定范圍起到作用。 電源功率是整

5、體淬火齒輪的規(guī)格受制約的另一原因。傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源要單機功率小，要達到較大功率，需采用雙機并機。這在控制和可靠性方面都存在問題。 目前EMA 的晶體管數(shù)字電源單機功率已經(jīng)達到數(shù)千千瓦。因此，適合模數(shù)的整體淬火直徑已經(jīng)達到一米以上。目前已經(jīng)有ø1200mm 直徑模數(shù)6mm 的齒圈整體淬火的應(yīng)用。值得說明的是當(dāng)電源功率滿足整體加熱要求后，淬火冷卻能力的保證，大流量特殊設(shè)計的噴淬系統(tǒng)必須一并考慮。 中小齒輪感應(yīng)淬火后大多直接使用，因此對感應(yīng)淬火后變形有較高要求。特別是一些薄壁零件，如汽車同步器齒圈，變速器齒圈等；或者截面不對稱零件，如傘齒輪等，變形因素是影響工藝質(zhì)量的另一因素。 2.2 壓

6、式感應(yīng)淬火工藝及應(yīng)用 針對以上現(xiàn)狀，EMA 在行業(yè)上成功推出滲碳+感應(yīng)加熱+壓淬的“模壓式感應(yīng)淬火工藝”以及保護氣氛下的感應(yīng)壓淬技術(shù)。它采用普通滲碳材料滲碳，然后采用感應(yīng)加熱，隨后采用水基淬火液可控壓淬淬火。如圖2 為模壓式感應(yīng)淬火工藝的原理圖。 Fig 2 模壓式感應(yīng)淬火工藝原理圖2.3 齒加熱淬火工藝 對于大模數(shù)齒輪（Mn >7mm ),單齒淬火是目前實用的感應(yīng)熱處理工藝。隨著數(shù)控技術(shù)和數(shù)字化電源的發(fā)展，淬火質(zhì)量和重現(xiàn)性得到了大幅度的提高。主要表現(xiàn)在： 1） 間隙控制技術(shù)：影響感應(yīng)淬火質(zhì)量的首要因素是溫度，而感應(yīng)器間隙的控制對溫度控制至關(guān)重要。由于零件加工精度和淬火吊裝在工作臺上后回

7、轉(zhuǎn)精度的差異，目前的數(shù)控淬火機床采用了精密探頭進行初始齒廓的精確定位。這樣避免了人為進行感應(yīng)器間隙對正的偏差。在淬火過程中，由于齒輪開始加熱淬火后的變形，依靠機床的幾何精度已經(jīng)意義不大，而必須采用隨動系統(tǒng)來適應(yīng)齒形的變化。這樣才能實時保證感應(yīng)器的間隙，從而獲得滿意的淬火層分布。 Fig 3 保護氣氛模壓式感應(yīng)淬火設(shè)備及齒輪Fig 4 單齒沿齒廓淬火硬化層分布2）能量沿齒長分布控制技術(shù)：要獲得沿齒長均勻的硬化層分布需要精確控制沿齒長的溫度分布。由于紅外測溫在應(yīng)用方面的限制，能量法是目前唯一可行的控制手段。 對于齒輪沿齒長方向掃描淬火工藝，由于入口和出口的棱角引起的端部效應(yīng)的客觀實際，入口和出口往

8、往引起欠熱或過熱，輕則引起硬化層分布的超差，重則引起局部過熱或開裂。因此，在早先國標(biāo)中對出入端口沿齒長方向10%部分不做要求。但是，隨著技術(shù)進步，對風(fēng)電齒輪和高速鐵路齒輪等高要求的產(chǎn)品中，已經(jīng)要求全齒長淬火層均勻。 常規(guī)能量法是計量在一個加熱周期中輸出到零件熱表面的累計能量。對于“一發(fā)法”淬火工藝，它和溫度有對應(yīng)關(guān)系，可以滿足質(zhì)量控制的要求。但對于掃描連續(xù)淬火來說，它不能反映諸如沿齒長方向溫度變化的現(xiàn)象，因此，EMA 開發(fā)了能量沿齒長分布控制技術(shù)。 該控制模式允許用戶將齒長方向分割相當(dāng)數(shù)量的微小等份，系統(tǒng)自動計量每一等份的能量（采樣間隔小于0.01s）值并顯示在操作屏上，并和設(shè)定的一個曲線區(qū)域

9、進行比較，落入?yún)^(qū)域則說明正常，超出區(qū)域系統(tǒng)會提示報警。 能量沿齒長方向的分布可以通過編程調(diào)整功率或速度來達到。 3）淬火冷卻控制技術(shù) 淬火冷卻對質(zhì)量的影響和加熱溫度同樣重要。要獲得理想的硬化層分布，淬火器的形狀和分布需要比較精確的設(shè)計，淬火介質(zhì)的溫度和流量必須精確控制。 目前感應(yīng)淬火普遍采用水溶性淬火介質(zhì)。這類介質(zhì)的工作溫度范圍比較窄。常規(guī)使用溫度為20°C 40°C. 當(dāng)超過40°C 時溶質(zhì)會脫溶形成絮狀沉淀。因此，淬火介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)一般要求有加熱和冷卻功能。同時要有好的過濾設(shè)施。介質(zhì)的溫度通過系統(tǒng)自動控制。 淬火冷卻的流量必須監(jiān)測和控制，目前已經(jīng)有各種數(shù)字流量檢

10、測儀器可以聯(lián)結(jié)到數(shù)控系統(tǒng)，對于齒輪單齒淬火，不僅是齒溝主淬火器的流量需要監(jiān)測，用于防止回火的旁冷器的流量也需要監(jiān)測。 Fig 5 硬化層沿齒長方向均勻分布2.4 雙頭單齒感應(yīng)加熱淬火技術(shù) 采用單齒感應(yīng)淬火技術(shù)可以解決使用較小功率的電源而淬火大規(guī)格齒輪的應(yīng)用問題。但是相比整體淬火來說，效率低的多。當(dāng)齒輪的規(guī)格很大，齒數(shù)很多時，整個齒輪淬火完成需要花費的時間周期很長。這樣第一個齒淬火完和最后一個齒淬火完中間間隔時間很長。如果齒輪全部淬火完成再去回火，則第一個齒的回火間隔時間很長，淬火開裂的傾向增加。 EMA 針對大規(guī)格齒輪的表面淬火開發(fā)了雙頭單齒感應(yīng)淬火技術(shù)。既是對同一個齒輪采用兩個感應(yīng)器同時單齒

11、掃描淬火。采用EMA 先進的一臺雙輸出電源，配合一個12 軸8-CNC數(shù)控機床，實現(xiàn)對同一個齒輪（直齒，斜齒，內(nèi)齒或外齒輪）的感應(yīng)淬火。效率提高一倍以上，更重要的是縮短了淬火周期時間，降低了開裂傾向。 圖6 是該機床的應(yīng)用現(xiàn)場。該機床在風(fēng)電行業(yè)得到了很好的應(yīng)用，目前在丹麥、羅馬尼亞、中國的風(fēng)電企業(yè)都有用戶，而且有的用戶應(yīng)用了不只一臺。 Fig 6 內(nèi)齒圈的雙頭感應(yīng)淬火2.5 保護氣氛感應(yīng)加熱淬火技術(shù) 齒輪感應(yīng)淬火具有效率高，變形小，易于實現(xiàn)自動化的特點。對于某些應(yīng)用場合，其性能完全能夠滿足應(yīng)用。但是，常規(guī)感應(yīng)淬火后表面的氧化使得后續(xù)噴丸或磨削成為必須。對重載齒輪，要求淬火后全齒裂紋檢查和硬度檢

12、查，由于常規(guī)淬火后表面的氧化，使得操作人員花費大量時間用砂布打光所有齒面，然后檢查。但是現(xiàn)在，借助EMA 的保護氣氛感應(yīng)淬火技術(shù)，這附加的后續(xù)工作可以取消。 保護氣氛采用氮氣。一個特殊的裝置附加在淬火單元上，淬火過程加熱區(qū)處于氮氣保護下，淬火后表面光亮，可以直接著色檢查裂紋或打硬度而不需任何處理。 三 齒輪感應(yīng)淬火技術(shù)的發(fā)展 相比于滲碳淬火磨齒工藝，感應(yīng)淬火工藝成本可以節(jié)約2/3。因此，齒輪感應(yīng)淬火技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。但是，制約齒輪感應(yīng)淬火技術(shù)應(yīng)用的核心是承載能力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還不完善，在齒輪的設(shè)計方面還缺少定量的硬化層水平-應(yīng)力水平-承載能力的依據(jù)。目前數(shù)值技術(shù)在規(guī)則零件的感應(yīng)加熱溫度場的模擬方面已經(jīng)有了一些進