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EMA先进的齿轮感应技术 |
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作者：艾玛感应科技（北京）有限公司 |
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感应热处理技术是上世纪20-30 年代建立起来的，成立于二战之后1946 年的德国EMA公司是较早开始研究与应用感应热处理技术的专业公司之一。六十多年来，EMA 公司不断拓展和推新感应热处理技术的应用和发展，使得EMA 公司不仅成为欧洲著名的感应技术和设备供应商，客户包括奥迪、宝马、博世等世界著名的汽车及另部件制造商以及丹麦等国家的风电设备制造商，同时，也成为为全球感应热处理系统的领军公司之一，在齿轮感应淬火应用，数字化感应电源技术方面处于世界前列。
2000 年德国EMA 公司加入了爱协林集团，2005 年以爱协林热处理系统（北京）有限公司为依托，成立了EMA 北京事业部。这样，在EMA 技术服务于中国市场的同时，为中国客户提供了贴近快速服务。随着业务的快速发展，即将成立EMA 感应科技（北京）有限公司，值此齿协成立20 年之际，恭贺20 年来齿轮行业取得的进步，并把EMA 先进的齿轮感应热处理技术推荐给大家，以期为我们的齿轮行业做出贡献。
一 感应淬火数字化晶体管中高频电源
齿轮感应淬火工艺技术的进步离不开感应电源技术和控制技术的进步。
EMA 的齿轮感应淬火的电源经历了以下几个阶段：机械发电机变频电源（50 年代）--可控硅固态电源（70 年代）---IGBT 晶体管电源（90 年代）--TIV/TIC 串/并晶体管电源）--- 数字化晶体管电源（2000 年） ，这是世界上首台数字化的IGBT晶体管电源，其主要特点：
· 全数字逆变控制，所有的参数设置通过软件，有完备的数字接口，因此，可以适合任意控制要求，联网要求，以及远程参数设置和维护要求；一套控制单元适合所有频率；
· 功率因数cosφ 始终接近1, 无论满功率输出或非满功率输出；效率高；
· 覆盖频率范围宽，从50Hz 到100KHz ；
· 功率范围大， 从20KW 到5000 KW；
可以看出，EMA 的感应淬火电源始终走在世界前列，其卓越的性能为热处理工艺实施提供了充分的支持，广泛的选择。
Fig 1 感应淬火变频电源的发展
二齿轮整体加热淬火工艺
2.1 轮整体加热淬火工艺现状
对于汽拖中小模数齿轮的整体感应淬火应用由来已久。但是，随着汽车工业的大批量，高品质要求越来越高，对硬化层分布以及对变形的要求越来越高，因此常规的整体淬火工艺远远不适应要求。
对于齿轮整体淬火来说，齿顶淬透和齿根淬不上火一直是感应淬火应用的限制因素之一。也是很多高品质齿轮宁愿采用高成本渗碳淬火工艺的原因。解决此类问题的方法之一是采用低淬钢，也叫限制淬透性钢，但是由于受材料限制，在工业应用中并不普及。另外一种途径是寻求双频淬火（SDF）或者改变功率密度的冲击式淬火（PPH 或SRIQ），这对电源和机床提出了特别要求，因此，仅在特定范围起到作用。
电源功率是整体淬火齿轮的规格受制约的另一原因。传统感应加热电源要单机功率小，要达到较大功率，需采用双机并机。这在控制和可靠性方面都存在问题。
目前EMA 的晶体管数字电源单机功率已经达到数千千瓦。因此，适合模数的整体淬火直径已经达到一米以上。目前已经有ø1200mm 直径模数6mm 的齿圈整体淬火的应用。值得说明的是当电源功率满足整体加热要求后，淬火冷却能力的保证，大流量特殊设计的喷淬系统必须一并考虑。
中小齿轮感应淬火后大多直接使用，因此对感应淬火后变形有较高要求。特别是一些薄壁零件，如汽车同步器齿圈，变速器齿圈等；或者截面不对称零件，如伞齿轮等，变形因素是影响工艺质量的另一因素。
2.2 压式感应淬火工艺及应用
针对以上现状，EMA 在行业上成功推出渗碳+感应加热+压淬的“模压式感应淬火工艺”以及保护气氛下的感应压淬技术。它采用普通渗碳材料渗碳，然后采用感应加热，随后采用水基淬火液可控压淬淬火。如图2 为模压式感应淬火工艺的原理图。
Fig 2 模压式感应淬火工艺原理图
2.3 齿加热淬火工艺
对于大模数齿轮（Mn >7mm ),单齿淬火是目前实用的感应热处理工艺。随着数控技术和数字化电源的发展，淬火质量和重现性得到了大幅度的提高。主要表现在：
1） 间隙控制技术：影响感应淬火质量的首要因素是温度，而感应器间隙的控制对温度控制至关重要。由于零件加工精度和淬火吊装在工作台上后回转精度的差异，目前的数控淬火机床采用了精密探头进行初始齿廓的精确定位。这样避免了人为进行感应器间隙对正的偏差。在淬火过程中，由于齿轮开始加热淬火后的变形，依靠机床的几何精度已经意义不大，而必须采用随动系统来适应齿形的变化。这样才能实时保证感应器的间隙，从而获得满意的淬火层分布。
Fig 3 保护气氛模压式感应淬火设备及齿轮
Fig 4 单齿沿齿廓淬火硬化层分布
2）能量沿齿长分布控制技术：要获得沿齿长均匀的硬化层分布需要精确控制沿齿长的温度分布。由于红外测温在应用方面的限制，能量法是目前唯一可行的控制手段。
对于齿轮沿齿长方向扫描淬火工艺，由于入口和出口的棱角引起的端部效应的客观实际，入口和出口往往引起欠热或过热，轻则引起硬化层分布的超差，重则引起局部过热或开裂。因此，在早先国标中对出入端口沿齿长方向10%部分不做要求。但是，随着技术进步，对风电齿轮和高速铁路齿轮等高要求的产品中，已经要求全齿长淬火层均匀。
常规能量法是计量在一个加热周期中输出到零件热表面的累计能量。对于“一发法”淬火工艺，它和温度有对应关系，可以满足质量控制的要求。但对于扫描连续淬火来说，它不能反映诸如沿齿长方向温度变化的现象，因此，EMA 开发了能量沿齿长分布控制技术。
该控制模式允许用户将齿长方向分割相当数量的微小等份，系统自动计量每一等份的能量（采样间隔小于0.01s）值并显示在操作屏上，并和设定的一个曲线区域进行比较，落入区域则说明正常，超出区域系统会提示报警。
能量沿齿长方向的分布可以通过编程调整功率或速度来达到。
3）淬火冷却控制技术
淬火冷却对质量的影响和加热温度同样重要。要获得理想的硬化层分布，淬火器的形状和分布需要比较精确的设计，淬火介质的温度和流量必须精确控制。
目前感应淬火普遍采用水溶性淬火介质。这类介质的工作温度范围比较窄。常规使用温度为20°C ~ 40°C. 当超过40°C 时溶质会脱溶形成絮状沉淀。因此，淬火介质循环系统一般要求有加热和冷却功能。同时要有好的过滤设施。介质的温度通过系统自动控制。
淬火冷却的流量必须监测和控制，目前已经有各种数字流量检测仪器可以联结到数控系统，对于齿轮单齿淬火，不仅是齿沟主淬火器的流量需要监测，用于防止回火的旁冷器的流量也需要监测。
Fig 5 硬化层沿齿长方向均匀分布
2.4 双头单齿感应加热淬火技术
采用单齿感应淬火技术可以解决使用较小功率的电源而淬火大规格齿轮的应用问题。但是相比整体淬火来说，效率低的多。当齿轮的规格很大，齿数很多时，整个齿轮淬火完成需要花费的时间周期很长。这样第一个齿淬火完和最后一个齿淬火完中间间隔时间很长。如果齿轮全部淬火完成再去回火，则第一个齿的回火间隔时间很长，淬火开裂的倾向增加。
EMA 针对大规格齿轮的表面淬火开发了双头单齿感应淬火技术。既是对同一个齿轮采用两个感应器同时单齿扫描淬火。采用EMA 先进的一台双输出电源，配合一个12 轴8-CNC数控机床，实现对同一个齿轮（直齿，斜齿，内齿或外齿轮）的感应淬火。效率提高一倍以上，更重要的是缩短了淬火周期时间，降低了开裂倾向。
图6 是该机床的应用现场。该机床在风电行业得到了很好的应用，目前在丹麦、罗马尼亚、中国的风电企业都有用户，而且有的用户应用了不只一台。
Fig 6 内齿圈的双头感应淬火
2.5 保护气氛感应加热淬火技术
齿轮感应淬火具有效率高，变形小，易于实现自动化的特点。对于某些应用场合，其性能完全能够满足应用。但是，常规感应淬火后表面的氧化使得后续喷丸或磨削成为必须。对重载齿轮，要求淬火后全齿裂纹检查和硬度检查，由于常规淬火后表面的氧化，使得操作人员花费大量时间用砂布打光所有齿面，然后检查。但是现在，借助EMA 的保护气氛感应淬火技术，这附加的后续工作可以取消。
保护气氛采用氮气。一个特殊的装置附加在淬火单元上，淬火过程加热区处于氮气保护下，淬火后表面光亮，可以直接着色检查裂纹或打硬度而不需任何处理。
三 齿轮感应淬火技术的发展
相比于渗碳淬火磨齿工艺，感应淬火工艺成本可以节约2/3。因此，齿轮感应淬火技术的应用前景非常广阔。但是，制约齿轮感应淬火技术应用的核心是承载能力的基础数据还不完善，在齿轮的设计方面还缺少定量的硬化层水平-应力水平-承载能力的依据。目前数值技术在规则零件的感应加热温度场的模拟方面已经有了一些进展，但对于齿轮这种异型截面零件的模拟还没达到实用的层面，组织转变和应力场的模拟仍然是将来努力的方向。但是，随着数值技术的发展以及基础应用数据的积累，这些瓶颈在将来一定会得到解决。
Note:
1 ) 筹备中, 地址： 北京昌平沙河科技园
2） “模压式感应淬火工艺”，Goy ,yan，EMA indutec GmbH,《第四届亚洲热处理会议论文集）2009.10 北京(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/28/2010) |
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| EMA 艾玛应泰感应科技（北京）有限公司联系方式：
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http://www.ema-indutec.cn
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电话：86-010 -80702110 |
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