齒輪感應加熱表面淬火，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力分布狀態(tài)良好，齒面耐磨性及齒根彎曲疲勞強度均提高，許用彎曲應力比調(diào)質(zhì)狀態(tài)提高30%～50%，可部分替代滲碳齒輪。一般對模數(shù)＞12的齒輪均采用此方式淬火。而對模數(shù)較小（如模數(shù)8）的齒輪，因齒槽空間狹窄，感應器設計制造難度很大，一般多采用包齒或全齒感應加熱淬火。以前對模數(shù)8的齒輪采用沿齒槽淬火時，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難題，相應地感應器開發(fā)研制就成為技術創(chuàng)新的關鍵。
傳統(tǒng)中頻淬火感應器中施感導體冷卻水路形式限制了施感導體頭部的橫向尺寸，因此對于齒槽空間較小的小模數(shù)齒輪無法實現(xiàn)沿齒槽連續(xù)中頻感應加熱淬火。本文通過改變中頻感應淬火感應器中傳統(tǒng)施感導體冷卻水路形式的方法，從而有效縮小了施感導體頭部的橫向尺寸，克服了小模數(shù)齒輪齒槽空間狹窄的困難，研制出的感應器實現(xiàn)了沿齒槽連續(xù)中頻感應加熱淬火，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。
一、感應器的設計制造
感應器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由施感導體、硅鋼片、匯流排、噴水器及把合、絕緣零件等組成。感應器施感導體形狀如圖2所示，其上下表面與齒輪齒槽截面形狀相近，尺寸略小，在使用時施感導體與被加熱面之間留有合理間隙，一般為1~2mm。匯流排均為銅管制成，導通施感導體與電源之間的電流，同時連通施感導體冷卻水路。施感導體內(nèi)側(cè)安裝硅鋼片，利用其驅(qū)流作用，使施感導體中豎直方向的電流趨向前部，增強齒槽底部的感應電流和加熱效果。
圖1 感應器結(jié)構(gòu)
1.銅螺母 2.噴水器 3.絕緣板 4.導體冷卻水腔
5.施感導體 6.硅鋼片 7.銅螺栓、銅墊圈
8、10.絕緣墊圈 9.絕緣定位板 11.匯流排
12. 淬火冷卻介質(zhì)進水管 13.導體冷卻進水管
14.銅螺栓、銅螺母 15.導體冷卻出水口
圖2 施感導體及連接部分示意
淬火時感應器的安裝位置如圖3所示。工件水平放置于中頻感應淬火機床工作臺上，施感導體上下平面與齒輪齒端面平行。淬火時感應器由下向上沿齒槽方向移動，連續(xù)加熱齒槽表面。施感導體下方配置噴水器，在施感導體連續(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體前端和導磁硅鋼片過熱燒熔，施感導體內(nèi)部設置冷卻系統(tǒng)，施感導體冷卻系統(tǒng)由上冷卻水路、豎直冷卻水路、下冷卻水路、導體冷卻進出水管、匯流排及銅管內(nèi)腔等組成。
圖3 感應器與齒槽相對位置示意
按上述感應器結(jié)構(gòu)形式，參照以往大模數(shù)齒輪淬火感應器設計經(jīng)驗，制造了初次加熱試驗使用的感應器。在設計制作感應器的同時，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，試驗件材質(zhì)為42CrMo鋼，經(jīng)鍛造成形，粗加工后進行了調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后硬度240～275HBW。
用此感應器在多功能中頻感應淬火機床上對試件進行加熱試驗。試件與感應器的裝夾方式與前述相同。感應加熱淬火后，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，試驗結(jié)果如圖4所示。
圖4 首次感應加熱試驗結(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，同時齒槽兩側(cè)面硬化深度不均，分析認為這是由于齒頂部分齒面及齒槽底部與感應器側(cè)面及前部間隙過大，且兩側(cè)齒面與感應器間隙不一致所致。
根據(jù)圖4所示試驗結(jié)果，改進感應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，修正感應器輪廓和硅鋼片安裝位置，使其兩側(cè)對稱。
用修正后的感應器重新進行上述試驗，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。
圖5 修正間隙后的試驗結(jié)果
分析認為：第一個問題產(chǎn)生的原因是齒根部施感導體寬度偏大，感應器與該處齒面間隙過小；第二個問題產(chǎn)生的原因是驅(qū)流導磁體硅鋼片的位置和尺寸不合理，驅(qū)流效果不足。
據(jù)前述分析，欲改善齒根部加熱狀態(tài)，必須減少施感導體前部寬度。但是，按傳統(tǒng)感應器設計方式，施感導體的前冷卻水路（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體的橫向尺寸。如果把前冷卻水路后移，將減弱對施感導體前部的冷卻效果，因此將前冷卻水路橫截面形狀由圓形改為狹長形狀，這樣在保證導體冷卻水流通面積的同時縮小了齒根部施感導體的橫向尺寸。
前已敘及，為加強齒槽底部加熱效果，在施感導體內(nèi)側(cè)安裝了導磁材料硅鋼片。為了防止因感生電流導致其過熱，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 改進后的施感導體冷卻水路
1.前冷卻水路 2.上冷卻水路 3.下冷卻水路
原設計硅鋼片形狀尺寸如圖7所示。試驗證明，該設計存在兩個方面的不足，致使驅(qū)流效果不理想。
圖7 原設計硅鋼片
首先，硅鋼片槽兩側(cè)長度不夠，不能完全包覆施感導體前部，應將其加長，這樣就將感應器中的交變電流產(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，因此增加了一個上底5mm、下底1mm、高5mm的梯形面積。為了防止齒頂部棱角處因尖角效應產(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)。改進后的硅鋼片設計如圖8所示。
圖8 改進后的硅鋼片
使用再次改進的感應器重復前述感應加熱淬火試驗，浸蝕檢驗結(jié)果如圖9所示。
圖9 改進冷卻水路和硅鋼片后的試驗效果
用再次改進的感應器對試件加熱淬火后，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)中頻感應加熱表面淬火的需求。
二、變位直齒輪的表面淬火
試驗采用某重要項目環(huán)型起重機變位直齒輪，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。
使用前述試制成功的感應器，在多功能中頻感應淬火機床上對該齒輪進行沿齒槽連續(xù)加熱表面淬火。工件和感應器的裝夾與圖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)
齒輪淬火后在熱風爐中380℃回火。回火后齒面硬度45～46HRC。切片進行淬硬層深檢測，宏觀浸蝕形貌如圖10所示。用顯微硬度計檢測硬度分布情況，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，完全達到技術指標要求。
圖10 齒輪淬火后宏觀檢查硬化深度
表2 有效硬化層深檢測（設置功率33%）
三、結(jié)束語
1）應用該感應器對實際生產(chǎn)中的模數(shù)8齒輪進行表面淬火，完全滿足了設計圖樣提出的技術指標要求，說明該中頻感應淬火感應器設計合理，用于小模數(shù)齒輪沿齒槽連續(xù)感應加熱表面淬火是可行的，而且應用效果良好。
2）該感應器的設計成功開創(chuàng)了小模數(shù)齒輪感應器設計新思路，為大直徑小模數(shù)齒輪沿齒槽連續(xù)中頻感應加熱淬火感應器的設計提供了寶貴經(jīng)驗。
參考文獻：略。
作者：黃玉多，于梅
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