感應(yīng)淬火具有工件變形小，高效節(jié)能環(huán)保，易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，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，對齒輪的承載能力及品質(zhì)等方面提出了更高的要求。而現(xiàn)有感應(yīng)淬火技術(shù)中，存在齒輪兩端面齒根未硬化問題，在服役過程中易產(chǎn)生彎曲疲勞裂紋。尤其對于重載齒輪，在出現(xiàn)偏載的情況下，兩端未硬化的輪齒容易發(fā)生開裂失效。因此，實現(xiàn)齒輪全齒寬范圍內(nèi)硬化，可大幅提高我國感應(yīng)淬火技術(shù)水平，提升齒輪的承載能力及品質(zhì)，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟效益。本文通過優(yōu)化感應(yīng)淬火工藝，解決了齒輪端面齒根未硬化而齒面過熱燒熔問題，實現(xiàn)全齒寬硬化，并應(yīng)用于批量生產(chǎn)。

　　1.全齒寬硬化技術(shù)要求

　　感應(yīng)淬火全齒寬硬化：即有效硬化層在輪齒全齒寬范圍內(nèi)分布，齒輪兩端面的層深、組織等指標(biāo)要求同齒寬中部接近（符合圖樣標(biāo)準(zhǔn)要求）。考慮到感應(yīng)加熱工藝的技術(shù)難點，目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對全齒寬硬化要求不明確且比較寬松，具體要求以客戶為準(zhǔn)。其中JB/T 9171-1999 《齒輪火焰及感應(yīng)淬火工藝及其質(zhì)量控制》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在150mm齒寬范圍內(nèi)，有效硬化層分布范圍為齒寬的80%，距兩端各10%齒寬范圍內(nèi)不作評判。ISO 6336-5：2003《直齒輪和斜齒輪承重能力的計算 第5部分：材料強度和質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)要求硬化層深在全齒寬范圍內(nèi)覆蓋，但對兩端層深的具體要求無明確闡述。其他如AGMA及DIN標(biāo)準(zhǔn)等對全齒寬硬化要求比較寬松。從距端面*一倍模數(shù)或1/8齒寬范圍內(nèi)，層深不作評判要求。

　　2.工藝現(xiàn)狀分析

　　感應(yīng)淬火工藝的問題點包括：尖角處渦流集中加熱溫度高，而內(nèi)圓角不易加熱等。因此，齒輪在感應(yīng)加熱過程中易出現(xiàn)端部齒面尖角過熱燒熔，而內(nèi)圓角位置的齒根未硬化或硬化層深不足問題，如圖1所示。由于國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對端面的硬化層深要求比較寬松，通常采取降低加熱功率方法，防止齒輪出現(xiàn)端面燒熔這一明顯的外觀質(zhì)量缺陷，而忽略了端面齒根硬化層深嚴重偏淺或未硬化的質(zhì)量隱患。降低了齒輪的承載能力及品質(zhì)，存在早期失效風(fēng)險。針對該問題，本文通過設(shè)計新型感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及調(diào)整工藝參數(shù)，對感應(yīng)淬火工藝進行了優(yōu)化。

　　3.工藝優(yōu)化

　　（1）感應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化  現(xiàn)有的沿齒廓掃描仿形結(jié)構(gòu)感應(yīng)器，在加熱過程中同時加熱齒面及齒根位置。在感應(yīng)加熱效應(yīng)的影響下，使得齒輪兩端面齒根位置加熱不足導(dǎo)致未硬化或硬化層深不足，而端面的齒面節(jié)圓位置溫度過高發(fā)生過熱燒熔。因此，深入分析其技術(shù)難點，通過優(yōu)化感應(yīng)器上下導(dǎo)板及硅鋼片結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有感應(yīng)器結(jié)構(gòu)存在的齒廓同時加熱的弊端；結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的感應(yīng)器的上導(dǎo)板與下導(dǎo)板為去圓弧斜向上/下三角結(jié)構(gòu)，增加的導(dǎo)體部分增強了齒根加熱效果。同時，該特殊的斜向上/下的三角結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了齒根與齒面的不同步加熱，這樣，可使得感應(yīng)器在端面只對齒根進行加熱，避免端面處的齒面溫度過高，如圖2所示。在提升端面齒根硬化層深的同時，避免端面的齒面節(jié)圓位置的過熱燒融問題。

　?。?）工藝參數(shù)優(yōu)化  感應(yīng)淬火全齒寬硬化的工藝主要影響因素包括：耦合間隙、加熱功率、時間和加熱位置等。通過篩選影響因子、重點分析預(yù)熱功率、預(yù)熱時間、加熱功率及加熱位置等影響因子，以得到*優(yōu)參數(shù)因子組合。在采用上述新型結(jié)構(gòu)感應(yīng)器（用于Mn14風(fēng)電內(nèi)齒圈）的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化感應(yīng)淬火端面工藝參數(shù)解決端面齒根未硬化而端面過熱燒熔問題。對預(yù)熱功率X1、預(yù)熱時間X2、加熱功率X3、加熱位置X4四個影響因素進行部分因子DOE試驗設(shè)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，試驗參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

　　對試驗*進行相應(yīng)分析，擬合得到齒根硬化層深Y1及節(jié)圓晶粒度Y2與預(yù)熱功率X1、預(yù)熱時間X2、加熱功率X3、加熱位置X4的關(guān)系。并通過響應(yīng)優(yōu)化器對*佳參數(shù)進行預(yù)測，得到*優(yōu)的工藝參數(shù)為中心點，即編號為4的參數(shù)。齒根硬化層深明顯提升，齒面晶粒度符合要求，未出現(xiàn)過熱燒熔情況。對采用DOE試驗優(yōu)化的中心點參數(shù)進行重復(fù)性驗證，重復(fù)性很好，如表2所示。

　　4.推廣應(yīng)用

　　通過設(shè)計新型結(jié)構(gòu)感應(yīng)器及優(yōu)化感應(yīng)淬火工藝參數(shù)DOE試驗，實現(xiàn)齒根及齒面的不同步加熱，解決了齒輪端面齒根未硬化而齒面過熱燒熔問題。實現(xiàn)了全齒寬硬化，提升了齒輪的承載能力及品質(zhì)。目前該工藝已用于Mn14*Mn20大模數(shù)內(nèi)齒圈的批量生產(chǎn)，范圍覆蓋1.5～4MW風(fēng)電齒輪箱，且全面推廣并批量供貨給GE等國內(nèi)外客戶。