齿轮淬火，采用同步双频感应加热设备，淬硬层更加均匀

　　概述：
　　对于齿轮这类传动零件，表面要有高硬度及耐磨性，同时在交变荷载和冲击荷载下要有足够的疲劳强度 。但对于齿轮这样表面具有凹凸结构的工件而言，常规的单频感应淬火技术无法得到令人满意的处理效果。常规单频感应淬火处理后的小齿轮往往齿部全部淬透，导致齿轮的疲劳强度下降，易发生疲劳断裂影响使用性能。
　　针对类似于齿轮这样的表面凹凸工件，如何得到均匀的硬化层，使得齿部表面硬化而心部仍保持一定韧性，双频感应加热技术应运而生。早期的双频感应加热技术为异步双频，即设备输出的高频和中频不同步，先用中频预热，再用高频将齿部加热至淬火温度的工艺方法。经过不断地发展完善，产生了更加的同步双频感应淬火技术。
　　双频感应加热技术介绍
　　由于趋肤效应的存在，使得在工件热处理中很难通过单一频率对类似于齿轮这样表面凹凸工件进行均匀加热。如果采用中频进行加热，感应电流透入深度会很大，齿轮上产生的感应电流只通过齿底，不通过齿顶，齿底比齿顶升温快，从而导致齿底硬化良好而齿顶硬化不足；而如果采用高频加热，由于感应电流透入深度较小，只能对齿轮的齿顶进行加热，齿底比齿顶升温慢，从而导致齿顶硬化良好而齿底硬化不足。
　　一频率加热齿轮受热不均匀，易产生较大变形或裂纹，合格率低。
　　因此单一频率加热，无论采用高频还是中频都很难得到理想的加热效果。如果可以将高频和中频结合起来对齿轮加热，就可以很好地解决该问题，双频感应加热在这种情况下便具有了特的优势。双频感应加热采用高频加热齿顶，中频加热齿根来达到对齿轮类工件表面均匀加热的目的。使用双频加热时齿轮加热效果如图4所示，这时齿顶和齿根都能得到有效硬化，得到较好的仿形淬硬层。
　　同步双频感应加热技术指在一个感应线圈上同时输出高频和中频两种不同频率，对一个工件进行快速加热。同步双频感应加热技术可以实现对两种频率强度的分别调整，从而调整两种频率分量的输出比例，来使得齿面和齿根的淬硬深度满足工艺要求，从而提高工件的性能指标。
　中频波F1与高频波F2进行叠加并同步施加到感应线圈中。
　　同步双频感应发生器包括正常功率输出的一个高频和中频转换器，通过IGBT技术在中频振荡的基础上叠加高频振荡。同步双频感应加热速度快，加热时间一般小于0.5s，并且能够获得极小的奥氏体晶粒从而的提高了热处理的质量，获得均匀的仿形淬硬层，提高了工件的生产率并且减小了工件淬火的变形量。
　　在加热不同模数齿轮时发现，齿轮模数对电流频率的选择有影响。对某一模数齿轮加热时，有一个佳频率，当频率佳值时，齿顶温度齿根；反之，当频率低于佳值时，齿根温度齿顶。
　　因此，一些学者提出了齿轮佳电流频率选取公式，经过几次改正，形成了下式：
f≈250/m2
　　式中f——电流频率，KHZ；
　　m——齿轮的模数。
　　表1 不同模数齿轮加热的佳频率
　　加热时间与齿轮模数也有密切关系，加热时间应尽可能接近下式。
T≈m2/4
　　式中T——加热时间，s；
　　m——齿的模数。
　　由此可见，单频感应加热无法满足齿轮模数的变化，加工不同模数齿轮时极不方便。而双频感应加热可以针对不同模数齿轮调整加热频率和功率，使用更加灵活方便。
　　北辰亿科研发中的双频感应加热设备，中频输出频率为10KHZ，高频输出频率为120~150KHZ，加热不同模数齿轮时，通过调整中频输出功率和高频输出功率的占比大小，来匹配齿轮模数的大小，高频输出功率随齿轮模数的增加而减小。基本满足小模数齿轮的表面热处理加工。
　　同时，使用ANSYS软件进行热仿，能够地匹配输出功率及频率。
　　不同热处理工艺比较
　　比较渗碳淬火、单频感应淬火和同步双频感应淬火三种常用的热处理工艺。
　　气体渗碳法是将工件放入密闭的渗碳炉内，使工件在920℃高温的渗碳气氛中渗碳，然后再进行淬火处理。渗碳淬火热处理时间相对较长，故其变形量相对较大，成本较高，且不适用于局部淬火，灵活性差。
　　单频感应淬火即为普通感应淬火，变形量小，加热，适合局部淬火，但对于表面凹凸的仿形工件，加热不均匀，无法得到均匀的硬化层。
　　同步双频感应淬火是在工件表面同时感应双频涡流，加热到淬火温度，然后冷却，获得所需性能。同步双频适用范围比单频淬火更广，变形量小，加热时间极短，生产，适合局部淬火和仿形淬火，适合批量化、流水化作业。
　　国外公司试验参数
　　试验齿轮为圆柱齿轮m=2，Z=36，全齿高4.7mm，齿宽20mm。
　　为了对沿齿廓淬火有一仿形概念，引入了仿形率这一术语。
　　仿形率=（100-（Ds/h）*100）*%
　　式中 Ds——齿顶处的硬化层深度（测至HV450）；
　　h——齿高。
　
　　可以看出，双频淬火后，齿轮的残余压应力高，接近800MPa。该公司认为，齿轮双频感应淬火能得到比单频淬火及渗碳淬火齿轮更高的强度，变形小更是其优势。
　　结论
　　齿轮同步双频感应淬火，可以取代某些齿轮的渗碳淬火工艺，明显的优点是变形量小，生产，同时低成本，节能，环境污染小；
　　齿轮同步双频感应淬火设备操作简单方便，适合大批量、流水化生产；
　　结合的仿真技术，可以的匹配频率及功率；
　　搭配相应的机械结构可以实现全自动化或半自动化生产，节约人工成本。