對工件變形小、高效節(jié)能、環(huán)保、容易實現(xiàn)自動化的感應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。特別是對重載齒輪，當負載偏大時，兩端未硬化的輪齒易產(chǎn)生開裂失效。所以，實現(xiàn)全齒寬范圍內(nèi)齒形硬化，可大大提高我國感應淬火技術(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)濟效益。采用優(yōu)化的感應淬火工藝，解決了齒輪端面齒根未硬化、齒面過熱燒熔問題，實現(xiàn)了全齒強化，并應用于批量生產(chǎn)。

1.全齒寬強化技術(shù)要求。

誘導淬火全齒寬硬化層：有效硬化層分布于輪齒全齒寬范圍內(nèi)，兩個齒輪端面的層深、組織等指標均要求同齒寬中寬(符合圖樣標準要求)。針對感應加熱工藝的技術(shù)難點，目前國內(nèi)外的標準對全齒寬硬化要求并不明確，具體要求以客戶為準。其中JB/T9171-1999《齒輪火焰及感應淬火工藝及其質(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算第5部分：材料強度和質(zhì)量》要求將其覆蓋到全齒寬范圍內(nèi)，但是對兩端層深度的具體要求沒有明確的闡述。其它如AGMA和DIN標準對全齒寬強化等要求較為寬松。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。目前國內(nèi)外的標準對端面硬化層深要求比較寬松，因此通常應采取降低熱功、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，存在早期失效的風險。為解決這一問題，本文通過設計新型傳感器結(jié)構(gòu)和調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化了感應淬火工藝。

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，在加熱過程中對齒面和齒根的位置進行加熱。由于受感應加熱效應的影響，齒輪兩端面的齒根位置受熱不足，導致未硬化或硬化層深度不足，而端面節(jié)圓點溫度過高則會發(fā)生過熱燒熔。為此，對其技術(shù)難點進行了深入分析，通過優(yōu)化傳感器上下導板和硅鋼片結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有傳感器結(jié)構(gòu)中齒形同時加熱的缺點；優(yōu)化后的傳感器上、下導板為去圓弧斜上/下三角結(jié)構(gòu)，增加導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)實現(xiàn)了齒根和齒面的非同步加熱，從而使感應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)對感應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、加熱時間和加熱位置。選擇影響因素，重點分析影響因素，如預熱功率、預熱時間、加熱功率、加熱位置等因素，獲得最佳的參數(shù)組合。將Mn14風力內(nèi)齒圈用新型結(jié)構(gòu)傳感器(Mn14風力內(nèi)齒圈)，通過優(yōu)化感應淬火端面工藝參數(shù)，解決了齒根未硬化和端面過熱燒熔問題。通過四個因素對預熱功率X1、預熱時間X2、加熱功率X3、加熱位置X4四個影響因素進行了DOE試驗設計，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。

通過實驗數(shù)據(jù)的對比分析，擬合得到了齒根硬化層深Y1、節(jié)圓晶粒度Y2、預熱功率X2、加熱功率X3、加熱位置X4之間的關(guān)系。再利用響應優(yōu)化器進行參數(shù)預測，得到了以4號為中心的最佳工藝參數(shù)為中心點。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試驗優(yōu)化中心點參數(shù)的重復性驗證，重復性良好，如表2所示。

4.促進應用。

采用新型結(jié)構(gòu)傳感器和優(yōu)化感應淬火工藝參數(shù)DOE試驗，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風電齒輪箱，并全面推廣和批量供貨給GE等國內(nèi)外客戶。