1.雙頻感應(yīng)加熱原理
常規(guī)（傳統(tǒng)）雙頻感應(yīng)淬火是兩種頻率的電源分別施加到兩個(gè)感應(yīng)器，齒輪需要從低頻感應(yīng)器預(yù)熱之后快速移到另一高頻感應(yīng)器加熱并進(jìn)行淬火，見圖1。雙頻感應(yīng)淬火是采用低頻加熱向里面，進(jìn)行熱能量的擴(kuò)散，最后高頻加熱向表層，即“低頻趨里，高頻趨表”的特征。
圖4 常規(guī)的齒輪雙頻淬火示意
雙頻感應(yīng)淬火是增加淬硬層深度并使硬度分布更為合理的感應(yīng)加熱淬火方法。即用中頻-高頻依次加熱方法可獲得沿齒廓分布的硬化層，而且齒輪熱處理畸變小。
例如，模數(shù)為4mm的齒輪先用中頻電流加熱（2.5~3s）齒溝和接近齒根的齒側(cè)，然后再用250kHz高頻電流加熱（0.6~0.7s）齒頂和接近齒頂?shù)凝X側(cè)，然后淬火。
東風(fēng)汽車集團(tuán)公司對(duì)材料為45鋼、模數(shù)為3的齒輪進(jìn)行雙頻感應(yīng)加熱淬火時(shí)，能夠得到沿齒輪廓均勻分布的淬硬層，淬硬層為0.8mm時(shí)，具有最佳彎曲疲勞性能，與SCM420（相當(dāng)于20CrMo鋼）滲碳齒輪疲勞性能基本相當(dāng)，疲勞極限可以達(dá)到1450MPa。
2.雙頻感應(yīng)加熱工藝及效果
日本電氣興業(yè)公司通過對(duì)齒輪雙頻淬火法進(jìn)行試驗(yàn)，可得到比齒輪單頻淬火法和滲碳淬火法小的畸變，漸開線圓柱齒輪（見圖2），模數(shù)2mm，全齒高4.7mm，齒數(shù)36，材料為S45C鋼（相當(dāng)于45鋼）。齒面經(jīng)剃齒精加工，預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)。
圖2 試驗(yàn)齒輪形狀
雙頻感應(yīng)淬火方法如圖2所示。首先把齒輪放在夾具上，然后隨中心軸高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由感應(yīng)電源（1）送入f＝3000Hz的電流，進(jìn)入感應(yīng)器（A），對(duì)全齒形（齒頂、齒面、齒根）進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)齒輪達(dá)到最佳溫度時(shí)，電源（1）斷電，齒輪迅速降到淬火加熱的感應(yīng)器（B）中，同時(shí)高頻電源（2）開始送電，頻率f＝140kHz，對(duì)齒輪的齒面和齒頂進(jìn)行快速的淬火加熱，待齒面達(dá)到淬火溫度時(shí)，切斷高頻電源，降低齒輪的旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)淬火用水套中噴出冷卻水，使齒面、齒頂、齒根迅速冷卻，獲得沿齒形分布的硬化層。
圖6 雙頻感應(yīng)淬火方法
1.噴水孔 2.齒輪 3.預(yù)熱用感應(yīng)器（A） 4.高頻加熱感應(yīng)器（B）＋淬火用水套 5.夾具
表1為齒輪（見圖2）三種熱處理工藝參數(shù)。
表1 雙頻、單頻淬火及滲碳淬火的主要工藝參數(shù)
雙頻淬火工藝參數(shù) | 單頻淬火工藝參數(shù) | 滲碳工藝參數(shù) |
預(yù)熱功率100kW | 加熱功率90kW | 滲碳950℃ |
預(yù)熱頻率3kHz | 頻率90kHz | 950℃保溫2.5h |
預(yù)熱時(shí)間3.65s | 加熱時(shí)間3.8s | 預(yù)冷降溫至850℃ |
空冷時(shí)間3.85s | 預(yù)熱時(shí)間0s | 850℃保溫20min |
高頻輸入功率900kW | ||
高頻頻率140kHz | 噴水時(shí)間15s | 淬火冷卻介質(zhì)——油 |
加熱時(shí)間0.14s | 噴水流量100L/min | 回火溫度180℃ |
噴水時(shí)間10s | — | 回火時(shí)間2h |
噴水流量100L/min | — | 隨后空冷 |
三種工藝處理后的齒輪畸變、殘留壓應(yīng)力及沿齒廓仿形率的檢測(cè)結(jié)果見表2。通過表2可知，雙頻淬火后的齒輪熱處理畸變最小，精度最高，殘留壓應(yīng)力最高。
表5 滲碳淬火、單頻感應(yīng)淬火及雙頻感應(yīng)淬火后的熱畸變結(jié)果 （μm）
項(xiàng)目 | 滲碳淬火＋回火 | 單頻感應(yīng)淬火 | 雙頻感應(yīng)淬火 | 備注 |
平均齒形誤差 | 4.26~4.8 | 2.2~3.3 | 3.1~308 | — |
齒形偏移 | 16 | 8.4 | 6.0 | — |
齒形跳動(dòng) | 5.867 | 3.103 | 2.198 | — |
齒向誤差平均值 | 6.91 | 3.7~4.1 | 3.7~4.1 | — |
齒向誤差偏移 | 20 | 4.4 | 4.4 | — |
齒向跳動(dòng) | 7.51 | 1.855 | 1.584 | — |
齒根中間 殘留應(yīng)力/MPa | -27.7 | -51.3 | -778 | — |
齒頂硬化層深度 /mm | 0.87 | 4.69 | 1.54 | 當(dāng)齒根硬化層深 度為0.55mm時(shí) |
硬化層仿形率（%） | 81.5 | 0.2 | 67.2 | — |
文章來源：熱處理生態(tài)圈、金屬（加工）雜志
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