對(duì)工件變形小、高效節(jié)能、環(huán)保、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的感應(yīng)淬火已成為一種常用的表面熱處理技術(shù)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)齒輪的承載能力和質(zhì)量提出了更高的要求。與現(xiàn)有的感應(yīng)淬火技術(shù)相比，齒輪的兩端面齒根未硬化，在服役期間容易產(chǎn)生彎曲疲勞裂紋。特別是對(duì)重載齒輪，當(dāng)負(fù)載偏大時(shí)，兩端未硬化的輪齒易產(chǎn)生開裂失效。所以，實(shí)現(xiàn)全齒寬范圍內(nèi)齒形硬化，可大大提高我國(guó)感應(yīng)淬火技術(shù)的水平，提高齒輪的承載能力和質(zhì)量，并產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。采用優(yōu)化的感應(yīng)淬火工藝，解決了齒輪端面齒根未硬化、齒面過熱燒熔問題，實(shí)現(xiàn)了全齒強(qiáng)化，并應(yīng)用于批量生產(chǎn)。

1.全齒寬強(qiáng)化技術(shù)要求。

誘導(dǎo)淬火全齒寬硬化層：有效硬化層分布于輪齒全齒寬范圍內(nèi)，兩個(gè)齒輪端面的層深、組織等指標(biāo)均要求同齒寬中寬(符合圖樣標(biāo)準(zhǔn)要求)。針對(duì)感應(yīng)加熱工藝的技術(shù)難點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全齒寬硬化要求并不明確，具體要求以客戶為準(zhǔn)。其中JB/T9171-1999《齒輪火焰及感應(yīng)淬火工藝及其質(zhì)量控制》規(guī)定：在150mm的齒寬范圍內(nèi)，有效硬化層的分布范圍為齒寬的80%，距齒寬的10%范圍內(nèi)不作任何判斷。ISO6336-5:2003：直齒式和斜齒承載能力的計(jì)算第5部分：材料強(qiáng)度和質(zhì)量》要求將其覆蓋到全齒寬范圍內(nèi)，但是對(duì)兩端層深度的具體要求沒有明確的闡述。其它如AGMA和DIN標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全齒寬強(qiáng)化等要求較為寬松。在距端面至一倍模數(shù)或1/8齒寬范圍內(nèi)，層深不作判斷。

2.過程現(xiàn)狀分析。

其中存在的主要問題有：渦流尖角處的集中加熱溫度高，而內(nèi)圓角不易加熱等。由此，齒輪在感應(yīng)加熱過程中容易發(fā)生端部齒面尖角過熱燒熔，而內(nèi)圓角處未硬化或硬化層深不足，如圖1所示。目前國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)端面硬化層深要求比較寬松，因此通常應(yīng)采取降低熱功、防止端面燒熔等明顯的外觀質(zhì)量缺陷，而忽略齒根硬化層深偏淺或未硬化等質(zhì)量隱患。齒輪的承載能力和質(zhì)量下降，存在早期失效的風(fēng)險(xiǎn)。為解決這一問題，本文通過設(shè)計(jì)新型傳感器結(jié)構(gòu)和調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化了感應(yīng)淬火工藝。

3.優(yōu)化流程。

(1)傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化了現(xiàn)有的沿齒廓掃描仿形結(jié)構(gòu)的傳感器，在加熱過程中對(duì)齒面和齒根的位置進(jìn)行加熱。由于受感應(yīng)加熱效應(yīng)的影響，齒輪兩端面的齒根位置受熱不足，導(dǎo)致未硬化或硬化層深度不足，而端面節(jié)圓點(diǎn)溫度過高則會(huì)發(fā)生過熱燒熔。為此，對(duì)其技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，通過優(yōu)化傳感器上下導(dǎo)板和硅鋼片結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有傳感器結(jié)構(gòu)中齒形同時(shí)加熱的缺點(diǎn)；優(yōu)化后的傳感器上、下導(dǎo)板為去圓弧斜上/下三角結(jié)構(gòu)，增加導(dǎo)體部分提高了齒根加熱效果。而且這種特殊的斜上/下三角結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了齒根和齒面的非同步加熱，從而使感應(yīng)器的端面只在齒根上加熱，避免了端部的齒面溫度過高，如圖2所示。提高端面齒根和硬化層深度，避免端面齒節(jié)圓位置過熱燒融。

(2)工藝參數(shù)對(duì)感應(yīng)淬火全齒寬硬化工藝的主要影響因素有：耦合間隙、加熱功率、加熱時(shí)間和加熱位置。選擇影響因素，重點(diǎn)分析影響因素，如預(yù)熱功率、預(yù)熱時(shí)間、加熱功率、加熱位置等因素，獲得最佳的參數(shù)組合。將Mn14風(fēng)力內(nèi)齒圈用新型結(jié)構(gòu)傳感器(Mn14風(fēng)力內(nèi)齒圈)，通過優(yōu)化感應(yīng)淬火端面工藝參數(shù)，解決了齒根未硬化和端面過熱燒熔問題。通過四個(gè)因素對(duì)預(yù)熱功率X1、預(yù)熱時(shí)間X2、加熱功率X3、加熱位置X4四個(gè)影響因素進(jìn)行了DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)，輸出變量為端面齒根小硬化層深Y1及齒面節(jié)圓位置的晶粒度Y2。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，擬合得到了齒根硬化層深Y1、節(jié)圓晶粒度Y2、預(yù)熱功率X2、加熱功率X3、加熱位置X4之間的關(guān)系。再利用響應(yīng)優(yōu)化器進(jìn)行參數(shù)預(yù)測(cè)，得到了以4號(hào)為中心的最佳工藝參數(shù)為中心點(diǎn)。牙根硬化層深度明顯提高，齒面晶粒度符合要求，無過熱燒熔現(xiàn)象。用DOE試驗(yàn)優(yōu)化中心點(diǎn)參數(shù)的重復(fù)性驗(yàn)證，重復(fù)性良好，如表2所示。

4.促進(jìn)應(yīng)用。

采用新型結(jié)構(gòu)傳感器和優(yōu)化感應(yīng)淬火工藝參數(shù)DOE試驗(yàn)，解決了齒根、齒面非同步加熱問題，解決了齒輪端面齒根未硬化、齒面過熱燒熔等問題。達(dá)到全齒寬硬化，提高齒輪承載能力和齒輪質(zhì)量。這一工藝已經(jīng)在Mn14~Mn20型大模數(shù)內(nèi)齒圈的批量生產(chǎn)，覆蓋1.5~4MW風(fēng)電齒輪箱，并全面推廣和批量供貨給GE等國(guó)內(nèi)外客戶。