應加熱淬火是熱處理的重要工藝之一，具有加熱速度快、可局部加熱、節能、清潔、易于實現機械化及自動化等特點，同時可提升產品耐磨性和硬度等性能。在齒輪的感應加熱應用中，按照其加熱方式，主要可以分為逐齒淬火和整體淬火。逐齒淬火由于感應器尺寸的限制等原因，主要應用在齒輪模數大于7的齒輪上。這種淬火方法按照加熱部位又分為逐齒齒牙淬火法和逐齒齒溝淬火法。

　　逐齒齒牙加熱是使用感應器將整個齒面包絡，然后進行感應加熱。這種方法的特點是齒頂和齒面加熱較強，但是對齒根部位的加熱較弱。

　　逐齒齒溝加熱使用感應器在兩齒齒溝部位進行加熱，使用這種加熱方法能對齒根也有較強的加熱效果，可以獲得沿齒溝仿形的硬化區域。隨著現代工業對齒輪設計提出更高的要求，在中大模數齒輪中，逐齒齒溝加熱淬火的應用也越來越廣泛。

　　逐齒淬火，按照淬火方式分類，還可分為埋液淬火和噴淋淬火。埋液淬火的工件與感應器均浸沒在淬火冷卻介質中，工件在淬火冷卻介質液面以下進行加熱，隨后被周圍的淬火冷卻介質迅速冷卻。淬火冷卻介質通常為油、水、水基聚合物等。噴淋淬火一般使用單獨的感應器和噴淋器，使用感應器對工件加熱，噴淋器對工件淬火冷卻。出于安全方面的考慮，淬火冷卻介質多為水或水基聚合物。

　　齒輪的整體感應加熱淬火即為一發法淬火。由于整體加熱一次性需要加熱的面積相對逐齒加熱來說要大得多，因此其加熱所需的電源供應也就大得多。這使得其主要應用在中小直徑齒輪中。普通的整體加熱，采用低頻電源加熱，然后噴淋或整體在淬火冷卻介質中淬火。采用這種方法淬火，齒頂淬透和齒根淬不上火一直是其存在的主要問題。

1. 感應器設計與制造

　　2009年，我公司從德國進口一臺齒輪中頻感應淬火機床，采用IGBT逆變電源，頻率為4～10kHz，采用水基聚合物水溶液作為淬火冷卻介質。共有三路淬火液噴淋,一路主噴淋，兩路保護噴淋，以防止已淬火齒被回火。結構上采用懸臂式主架，伺服電動機直接分度轉臺。由于是新機床新的感應器結構，在感應器制作方面與我公司之前的埋液淬火感應器制作存在很大不同(見圖1)，在消化吸收進口感應器圖樣的基礎上，結合我公司現有設備及技術能力，總結出了新的感應器設計結構及制作方法。

圖1 感應器外形結構

　　感應器設計流程為：齒輪齒形模擬→確定間隙參數→感應器齒形平面設計→三維建模(管路設計)→出二維工程圖。

　　感應器的制作流程為：毛坯鍛造→毛坯線切割→鉆孔→成品線切割→焊接→修形→裝配→測試。

　　新的感應器設計結構及制作方法主要有以下特點：

計算機輔助設計感應器

　　新的感應器設計更多地采用了計算機輔助設計。在齒輪的設計階段，就可以使用CAD等軟件結合齒輪滾刀、銑刀參數精確模擬出實物齒形。這樣在齒輪的設計階段就可以同時進行感應器的設計，而不用像以往那樣等到實物齒輪滾齒后根據實際齒形才能進行感應器設計、制作，節省了大量時間。

　　在設計方法上，使用Pro-E軟件三維立體建模設計。使用立體建模，可以更加方便地考慮感應器設計時整體結構、內部管道分布、固定方式。

感應器內部結構設計

　　新的感應器在結構上有了很大改進。采用了水路、電路只有一個進口的快接接頭。此外，還重新設計了感應器頭部與導線之間的接頭方式，使用了燕尾楔結構，這樣的結構在焊接時更方便定位找準，提高加工精度。

　　機械加工方法 在機械加工方法上將以前的大部分銑削加工，改為了線切割加工。線切割加工可以很好地對齒部仿形部位進行加工獲得足夠的精度。

　　通過合理的安排機械加工步驟，簡化了感應器的制作流程。

焊接方法

　　采用銀釬焊作為新型感應器的焊接方法。銀焊絲的熔點較低，可以在相對較低溫度下進行焊接，且銀釬料的流動性、在純銅表面的潤濕性也很好，因此制作出的感應器精度高、外表美觀。

2. 試驗

　　在感應器設計中，感應器同樣還有其他的細節對感應淬火的效果產生至關重要的影響。一是感應器導磁體區域高度占整個感應器高度的比值，另一個是感應器導磁體材料的選擇。

　　因此，在以上設計點的基礎上，針對以上兩點，主要進行了以下兩個工藝試驗。

（1）試驗一

　　：導磁體高度對淬火效果的影響 試驗齒輪為某型號機車從動齒輪，齒輪材質為42CrMo，齒數82，模數10。導磁體材質均為0.2mm厚度的冷軋取向硅鋼片。試驗設備為EFD齒輪中頻感應淬火機床。試驗變量為導磁體區域高度。感應器頭部結構如圖2所示。1#感應器的上導線、導磁體空間、下導線距離比例為10.5:9:10.5。2#感應器的上導線、導磁體空間、下導線距離比例為9.5:11:9.5。兩個感應器上下端面總高度均為30mm。由此可見，1#感應器中導磁體空間比2#感應器中導磁體空間低了2mm，導磁體空間占總高度的比值，1#為3/10，2#為11/30。

圖2 感應器頭部各部位示意

　　在工藝試驗中，電流為60A，電壓為230V，功率65kW，頻率9kHz，走行速度6mm/s。試驗結果如表1所示。

從表1可見，1#感應器淬火處的齒根硬化層較2#感應器淺，節圓硬化層較2#感應器深。

（2）試驗二

　　：導磁體材質對淬火效果的影響 試驗齒輪為某型號機車從動齒輪，齒輪材質為42CrMo，齒數82，模數10。采用同樣的新設計方法、新制作工藝的感應器。試驗設備為EFD齒輪中頻感應淬火機床。

　　試驗變量為導磁體材質。3#感應器導磁體材質為Fluxtrol A(鐵氧體軟磁材料);4#感應器導磁體為冷軋取向硅鋼片(日本)。二者主要性能對比如表2所示。

　　電流為60A，電壓為230V，功率36kW，頻率9kHz，走行速度6mm/s。試驗結果如表3所示。

　　從表3可見，3#感應器淬火處的齒根、節圓硬化層均較4#感應器淺。

　　同時試驗中發現，在4#感應器中，由于取向硅鋼片中的“鐵損”，導致感應器工作時硅鋼片不能很好地散熱，當功率增加至75kW時，硅鋼片的溫度已經達到670℃，已經超過其居里點。

　　而鐵氧體軟磁材料雖然其居里點較低，但是在實際應用中發現，當加載功率至110kW時，其產生的熱量仍不多，測量其表面溫度在100℃以下。但由于其力學性能差，局部區域經過多次熱沖擊以后無法保持原形狀而破裂，無法繼續使用。因此，在低功率情況下，還是使用硅鋼片為宜。

3. 試驗結果分析

　　在試驗一中，感應器的導磁體空間高度對齒輪感應淬火后的效果有很大影響。在其他條件同樣的情況下，1#感應器與2#感應器淬火出來的效果有很大差別，尤其是對于齒根部位的影響。在齒輪感應器中，感應器的上導線負責對齒溝兩側齒面的預熱，感應器的下導線負責對齒溝兩側齒面的加熱，加熱至淬火溫度。感應器中間的鼻尖區域負責對齒根的加熱。

　　試驗一中1#感應器的導磁體空間高度相對2#感應器降低了2mm。因此“鼻尖”處的感應器有效加熱區也就變短了，對齒輪齒根的加熱作用也就更弱了。由于加熱作用的減少，使得齒輪齒根部位的硬化層降低。同樣，由于上下導線占整個感應器高度的比重升高，使得感應器對齒輪兩側齒輪的加熱作用增強，導致齒輪兩側的硬化層也增強了。

　　在試驗二中，二者材料飽和磁通密度接近，鐵氧體軟磁材料的初始磁導率和最大磁導率均遠小于硅鋼片。導磁率越小，說明材料的聚磁能力越小。反應到試驗結果上，可得知由于導磁體對磁力線的聚集作用較小，因此，其加熱后淬火的硬化層深也相對較淺。

　　在隨后的試驗過程中，使用鐵氧體導磁材料的3#感應器能在110kW功率下應用。可能是由于使用的是整體導磁體，同時上下導線對整個導磁體的冷卻作用才使得導磁體的溫度低于10℃。而在使用硅鋼片的感應器中，由于硅鋼片本身在感應加熱過程中發熱(鐵損)。硅鋼片之間的絕緣云母片同時又能絕熱，使得產生的熱量不能及時散發，冷卻導磁體。因此，熱量的逐漸積蓄，使得在75kW的情況下，硅鋼片已經嚴重超溫。可見由于鐵損，硅鋼片僅能用于低功率條件下齒輪的感應加熱淬火(≤50kW)。

4. 結語

　　(1)在設計中，全部采用了計算機模擬設計。在管道設計中，采用了三維建模，在設計過程中就能減少感應器可能出現的設計問題。

　　(2)在制作中，規范感應器的加工步驟最大限度地減少了人為因素，保證了感應器的機械精度。采用了精確配對的燕尾楔形槽設計，保證了焊接定位的精度，也就從這兩個方面上保證了感應器的加工質量。

　　(3)通過對比試驗，優化了感應器的上下導線的距離，使感應器滿足齒輪節圓和齒根的有效硬化層要求。

　　(4)通過對比試驗，研究了不同導磁材料對感應淬火的影響，在低功率的感應淬火條件下，導磁材料優選硅鋼片。