CN109112259B - 一种用于齿轮表面淬火的感应加热装置及齿轮表面淬火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于齿轮表面淬火的感应加热装置及齿轮表面淬火方法，涉及热处理领域。本发明中的感应加热装置，包括相互逆向旋转的加热齿轮轴、工件齿轮轴，安装于加热齿轮轴上的感应加热齿轮，安装于工件齿轮轴上的待淬火齿轮工件；所述感应加热齿轮与待淬火齿轮工件无接触啮合；所述感应加热齿轮的齿为仿齿形感应线圈。本发明采用形状与工件啮合齿轮相似的感应线圈对工件进行旋转式扫描加热，感应线圈与工件同时旋转时，工件与感应线圈上定位滑轮的接触点始终在啮合线上，可以有效加热工件承受载荷的位置，提高加热深度，水冷后增加该位置的硬化层厚度，从而提高工件的使用寿命并减小均匀加热带来的能量损耗。

Description

一种用于齿轮表面淬火的感应加热装置及齿轮表面淬火方法
技术领域
本发明涉及热处理领域，特别涉及一种用于齿轮表面淬火的感应加热装置及齿轮表面淬火方法。
背景技术
重载精密齿轮广泛用于钢铁，建材，石油化工，造纸，水泥，煤炭，通用机械，风电发电等领域，齿轮失效后，安装和更换成本较高，而表面疲劳磨损作为重载齿轮的主要失效方式，严重影响齿轮使用寿命，因此合理控制齿轮的淬火处理过程具有重要意义。感应加热对齿轮进行表面淬火，可以利用集肤效应快速加热工件表面至淬火温度，对于复杂曲面进行感应加热，难以有效控制加热温度分布，从而控制有效淬硬层分布。为提高齿轮表面温度分布的均匀性从而改善有效淬硬层分布的均匀性，常采用仿齿形线圈对工件进行整体加热或采用逐齿扫描移动加热，整体加热的方式能耗需求巨大，对于大型重载齿轮而言生产成本过高，而利用仿形线圈逐齿扫描移动加热的加热效率较低，除此之外，齿轮啮合过程中，根据啮合线分布，齿轮表面磨损程度不同，齿轮齿面啮合位置处的磨损更为严重，并且感应淬火硬化层不仅要满足对齿面磨损的要求，同时需要满足齿轮强度设计，因此在齿廓方向上，齿轮齿面受载位置处比较齿根和齿顶而言需要更厚的有效淬硬层分布，以提高齿轮耐磨性，延长齿轮使用寿命。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于齿轮表面淬火的感应加热装置及齿轮表面淬火方法，旨在在齿廓方向上，齿轮齿面受载位置处形成比齿根和齿顶更厚的有效淬硬层分布，优化了齿轮感应淬火的硬化层分布，提高齿轮耐磨性，延长齿轮使用寿命。
为实现上述目的，采用以下技术方案：一种用于齿轮表面淬火的感应加热装置，其特征在于：包括相互逆向旋转的加热齿轮轴、工件齿轮轴，安装于加热齿轮轴上的感应加热齿轮，安装于工件齿轮轴上的待淬火齿轮工件；所述感应加热齿轮与加热齿轮轴上同轴旋转，所述待淬火齿轮工件与工件齿轮轴上同轴旋转；所述感应加热齿轮与待淬火齿轮工件无接触啮合；所述感应加热齿轮的齿为仿齿形感应线圈。
进一步的技术方案在于：所述加热齿轮轴以及工件齿轮轴活动固定在底座上，所述加热齿轮轴上固定中心轮，所述工件齿轮轴固定行星轮，所述中心轮与行星轮啮合。
进一步的技术方案在于：所述工件齿轮轴为多个，均匀布置在加热齿轮轴周围。
进一步的技术方案在于：所述工件齿轮轴外套设内齿轮，所述内齿轮的内轮廓与行星轮啮合。
进一步的技术方案在于：所述加热齿轮轴被电机驱动转动。
进一步的技术方案在于：所述感应加热齿轮的齿，与待淬火齿轮工件的齿通过定位滑轮接触，所述定位滑轮安装在感应加热齿轮的齿上，与待淬火齿轮工件的齿滚动接触。
进一步的技术方案在于：所述仿齿形感应线圈上设置通水对仿齿形感应线圈冷却的冷却水管道。
进一步的技术方案在于：一种齿轮表面淬火方法，其特征在于：利用上述所述的一种用于齿轮表面淬火的感应加热装置。
进一步的技术方案在于：在待淬火齿轮工件加热位置旋转至远离感应加热齿轮一侧时对加热位置进行喷水冷却。
进一步的技术方案在于：包括如下步骤：
步骤1，设定初始参数：确定待淬火齿轮工件有效淬火的旋转周期T，待淬火齿轮工件个数n1，感应加热齿轮的旋转的角速度ω1，仿齿形感应线圈通过电流I；仿齿形感应线圈个数n，待淬火齿轮工件每个齿的加热时间t0，设定每个线圈仿齿形感应线圈加热间隔时间t1＝(n/n1-1)*t0，通电t0时间；
步骤2，启动电机带动中心轮以角速度ω1进行旋转，仿齿形感应线圈的冷却水管道流通冷却水；
步骤3，控制每个仿齿形感应线圈在其通过定位滑轮与待淬火齿轮工件接触时开始计时通电t0时间，停电t1时间；
步骤4，在待淬火齿轮工件加热位置旋转至远离感应加热齿轮一侧时对加热位置进行喷水冷却；
步骤5，待淬火齿轮工件所有齿均完成步骤3中的感应加热，以及步骤4中的冷却步骤后，切断仿齿形感应线圈的电源，切断电机电源，待仿齿形感应线圈冷却完毕后，切断水管道流通冷却水。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、采用形状与待淬火齿轮工件齿轮啮合的仿齿形感应线圈对待淬火齿轮工件进行旋转式扫描加热，仿齿形感应线圈与待淬火齿轮工件同时旋转时，待淬火齿轮工件与仿齿形感应线圈上定位滑轮的接触点始终在啮合线上，可以有效加热待淬火齿轮工件承受载荷的位置，提高加热深度，水冷后增加该位置的硬化层厚度，从而提待淬火齿轮工件的使用寿命并减小均匀加热带来的能量损耗，并且有效提高待淬火齿轮工件的工作效率。
2、在仿齿形感应线圈上安装绝缘的耐高温定位滑轮，可以避免仿齿形感应线圈与齿轮在转动过程中直接接触，提高感应加热过程的安全性。
3、采用多组仿齿形感应线圈旋转加热的方式同时加热多个待淬火齿轮工件，提高生产效率，降低生产成本。
附图说明
图1为发明的工作流程图；
图2为本发明的电路控制图；
图3为本发明装置的结构示意图；
图4为本发明中感应加热齿轮的结构示意图；
图5是本发明仿齿形感应线圈的结构示意图。
附图标号：1-感应加热齿轮，2-待淬火齿轮工件，3-传动轴，4-外齿轮，5-内齿轮，6-仿齿形感应线圈一，7-仿齿形感应线圈二，8-仿齿形感应线圈三，9-仿齿形感应线圈四，10-仿齿形感应线圈五，11-仿齿形感应线圈六，12-仿齿形感应线圈七，13-仿齿形感应线圈八，14-仿齿形感应线圈九，15-仿齿形感应线圈十，16-仿齿形感应线圈十一，17-仿齿形感应线圈十二，18-空心传动装置，19-定位滑轮，20-导磁体，21-密封连接套，22-仿齿形感应线圈后端，23-仿齿形感应线圈前端，24-冷却水管一，25-冷却水管二，26-冷却水管三，27-冷却水管四。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图3-5所示、本发明公开了一种用于齿轮表面淬火的感应加热装置，其包括相互逆向旋转的加热齿轮轴、工件齿轮轴，安装于加热齿轮轴上的感应加热齿轮1，安装于工件齿轮轴上的待淬火齿轮工件2；所述感应加热齿轮1与加热齿轮轴上同轴旋转，所述待淬火齿轮工件2与工件齿轮轴上同轴旋转；所述感应加热齿轮1与待淬火齿轮工件2无接触啮合；所述感应加热齿轮1的齿为仿齿形感应线圈。
优选的，所述加热齿轮轴以及工件齿轮轴活动固定在底座上，所述加热齿轮轴上固定中心轮，所述工件齿轮轴固定行星轮，所述中心轮与行星轮啮合。
优选的，所述工件齿轮轴为多个，均匀布置在加热齿轮轴周围。
优选的，所述工件齿轮轴外套设内齿轮，所述内齿轮的内轮廓与行星轮啮合。
优选的，所述加热齿轮轴被电机驱动转动。
优选的，所述感应加热齿轮1的齿，与待淬火齿轮工件2的齿通过定位滑轮19接触，所述定位滑轮19安装在感应加热齿轮1的齿上，与待淬火齿轮工件2的齿滚动接触。
优选的，所述仿齿形感应线圈上设置通水对仿齿形感应线圈冷却的冷却水管道。
本发明提供了一种齿轮表面淬火方法，其特征在于：利用上述所述的一种用于齿轮表面淬火的感应加热装置。
优选的，在待淬火齿轮工件2加热位置旋转至远离感应加热齿轮一侧时对加热位置进行喷水冷却。
优选的，包括如下步骤：
步骤1，设定初始参数：确定待淬火齿轮工件有效淬火的旋转周期T，待淬火齿轮工件个数n1，感应加热齿轮的旋转的角速度ω1，仿齿形感应线圈通过电流I；仿齿形感应线圈个数n，待淬火齿轮工件每个齿的加热时间t0，设定每个线圈仿齿形感应线圈加热间隔时间t1＝(n/n1-1)*t0，通电t0时间。
步骤2，启动电机带动中心轮以角速度ω1进行旋转，仿齿形感应线圈的冷却水管道流通冷却水；
步骤3，控制每个仿齿形感应线圈在其通过定位滑轮与待淬火齿轮工件接触时开始计时通电t0时间，停电t1时间；
步骤4，在待淬火齿轮工件2加热位置旋转至远离感应加热齿轮一侧时对加热位置进行喷水冷却；
步骤5，待淬火齿轮工件所有齿均完成步骤3中的感应加热，以及步骤4中的冷却步骤后，切断仿齿形感应线圈的电源，切断电机电源，待仿齿形感应线圈冷却完毕后，切断水管道流通冷却水；
如图3-5所示，本发明中的感应加热齿轮1包括四组仿齿形感应线圈组以及固定仿齿形感应线圈根部的空心传动装置18；仿齿形感应线圈圆周均布在空心传动装置18上部，仿齿形感应线圈组一中包括仿齿形感应线圈一6，仿齿形感应线圈四9，仿齿形感应线圈七12，仿齿形感应线圈十15，仿齿形感应线圈组二中包括仿齿形感应线圈二7，仿齿形感应线圈五10，仿齿形感应线圈八13，仿齿形感应线圈十一16，应线圈组三中包括仿齿形感应线圈三8，仿齿形感应线圈六11，仿齿形感应线圈九14，仿齿形感应线圈十二17；每个仿齿形感应线圈尺寸均相同并且形状均与待淬火齿轮工件啮合的渐开线齿轮相仿，其感应线圈上均设有正、负电极接口，冷却水管道进出水口，定位滑轮19，导磁体20，密封连接套21，仿齿形感应线圈后端22以及仿齿形感应线圈前端23，仿齿形感应线圈前端23与仿齿形感应线圈后端22之间通过密封连接套21连接，仿齿形感应线圈前端23与仿齿形感应线圈后端22形成冷却水管道，冷却水管道外侧缠绕导电金属形成仿齿形感应线圈，多采用现有技术制作而成，可参考背景技术中记载的仿齿形线圈，冷却水管道的进水口、出水口分别与加热齿轮轴内部贯通，冷却水从加热齿轮轴的内部的上方进入，然后进入冷却水管道的进水口，随后从冷却水管道的出水口流出，从加热齿轮轴的内部的下方流出入。导磁体20在仿齿形感应线圈前端23分度圆位置左右两侧凸起处做加厚处理，且该位置处两侧均设有定位滑轮19，定位滑轮19包括滚动轮和支撑轴，且均为耐高温绝缘材料，支撑轴固定在感应加热齿轮的齿上，滚动轮与带淬火齿轮工件2的齿滑动；空心传动装置18上端圆周方向上均匀设置有十二个仿齿形感应线圈，下端与行星轮系中的中心轮连接，其中，由五个外齿轮4(一个中心轮，4个行星轮)和一个内齿轮5以及4根传动轴3(一个加热齿轮轴，4个工件齿轮轴)组成的行星轮系采用绝缘材料制作，感应加热齿轮1圆周方向上间隔一定距离处均匀排布有四个待淬火齿轮工件2，且待淬火齿轮工件2通过传动轴3与行星轮系中的行星轮连接，仿齿形感应线圈与待淬火齿轮工件2之间配合运动，且仿齿形感应线圈的齿距离待淬火齿轮工件齿2最近时，其上的定位滑轮19与待淬火齿轮工件2接触。
如图1、2所示，一种用于重载齿轮表面淬火的感应加热方法，其中待淬火齿轮工件个数n1，感应加热齿轮的旋转的角速度ω1，仿齿形感应线圈通过电流I；仿齿形感应线圈个数n，感应加热线圈应分组n/n1，再附图3中，n1＝4，则感应加热线圈应n/4组。
以其中一个待淬火齿轮工件为例，其步骤如下：
步骤1，设定感应加热装置以及驱动装置的初始参数，系统设定初始加热时间t＝0，感应加热线圈组i＝1，仿齿形感应线圈数n，T为待淬火齿轮工件旋转一周所需要的时间；
步骤2，驱动装置启动，总开关QS以及开关S1闭合，同时继电器KM1控制常开触点KM1闭合，电动机启动，中心轮带动行星轮系转动，待淬火齿轮工件以角速度ω1逆时针开始转动，与此同时，中心轮带动感应加热装置以角速度ω1顺时针旋转，待淬火齿轮工件与仿齿形感应线圈上定位滑轮的接触点始终在啮合线上；
步骤3，仿齿形感应线圈一转动至待淬火齿轮工件加热位置时，开关S2闭合，感应加热装置启动；
步骤4，电路图中对应控制电路导通，利用时间继电器延时控制仿齿形感应线圈组一、二、三进行循环加热；
4.1，感应加热线圈组i电路导通，加热△t秒；
4.2，系统判别是否所有仿齿形感应线圈组均对待淬火齿轮工件进行过加热，即感应加热线圈组i是否大于等于n/4；
4.3，如果所有仿齿形感应线圈组均对待淬火齿轮工件进行过加热，即i＝n/4，则继续步骤5；否则，切换下一组仿齿形感应线圈组对待淬火齿轮工件进行加热，数据累计：i＝i+1，t＝t+△t，并重复步骤4.1到4.3，直到满足i≥n/4；
步骤5，系统判别是否到达就加热时间T，即t是否大于等于T；
步骤6，如果到达加热时间T，即t＝T，则继续步骤7；否则，重复步骤4到6，直到满足t≥T；
步骤7，到达加热时间T时，时间继电器KT4控制常闭触点KT4断开，常开触点KT4闭合，继电器KM2控制常开触点KM2闭合，电机驱动中心轮反向转动，待淬火齿轮工件以角速度ω1顺时针开始转动，与此同时，中心轮带动感应加热装置以角速度ω1逆时针旋转，数据清除，重新设置：t＝0，i＝1；
步骤8，电路图中对应控制电路导通，利用时间继电器延时控制仿齿形感应线圈组一、二、三进行循环加热；
8.1，感应加热线圈组i电路导通，加热△t秒；
8.2，系统判别是否所有仿齿形感应线圈组均对待淬火齿轮工件进行过加热，即感应加热线圈组i是否大于等于n/4；
8.3，如果所有仿齿形感应线圈组均对待淬火齿轮工件进行过加热，即i＝n/4，则继续步骤9；否则，切换下一组仿齿形感应线圈组对待淬火齿轮工件进行加热，数据累计：i＝i+1，t＝t+△t，并重复步骤8.1到8.3，直到满足i≥n/4；
步骤9，系统判别是否到达就加热时间T，即t是否大于等于T；
步骤10，如果到达加热时间T，即t＝T，则继续步骤11；否则，重复步骤8到10，直到满足t≥T；
步骤11，切断仿齿形感应线圈组加热电路，感应加热装置关闭，驱动装置关闭，加热结束。
其中，感应加热装置启动前在每个仿齿形感应线圈内部通入冷却水进行循环冷却。
待淬火齿轮工件加热同时，冷却水管一、二、三、四开始通入冷却水，在待淬火齿轮工件加热位置旋转至远离感应加热装置一侧时对待淬火齿轮工件进行喷水冷却。

Claims (4)

1.一种用于齿轮表面淬火的感应加热装置，其特征在于：包括相互逆向旋转的加热齿轮轴、工件齿轮轴、冷却水道，安装于加热齿轮轴上的感应加热齿轮，安装于工件齿轮轴上的待淬火齿轮工件；所述加热齿轮轴以及所述工件齿轮轴活动固定在底座上，所述加热齿轮轴上固定中心轮，所述工件齿轮轴为多个，均匀布置在所述加热齿轮轴周围，所述工件齿轮轴外套设内齿轮，内齿轮的内轮廓与行星轮啮合，所述工件齿轮轴固定行星轮，中心轮与行星轮啮合；所述感应加热齿轮与所述加热齿轮轴上同轴旋转，所述待淬火齿轮工件与所述工件齿轮轴同轴旋转；所述感应加热齿轮与所述待淬火齿轮工件无接触啮合；所述感应加热齿轮的齿为离散的仿齿形感应线圈，所述仿齿形感应线圈上设置所述冷却水管道，所述感应加热齿轮包括十二个仿齿形感应线圈以及固定仿齿形感应线圈根部的空心传动装置，仿齿形感应线圈圆周均布在空心传动装置上部，导磁体在仿齿形感应线圈前端分度圆位置左右两侧凸起处做加厚处理，仿齿形感应线圈与待淬火齿轮工件的齿通过定位滑轮接触，定位滑轮为耐高温绝缘材料，定位滑轮安装在所述感应加热齿轮的齿上，与待淬火齿轮工件的齿滚动接触。
2.一种齿轮表面淬火方法，其特征在于：利用权利要求1所述的一种用于齿轮表面淬火的感应加热装置。
3.根据权利要求2所述的一种齿轮表面淬火方法，其特征在于：在待淬火齿轮工件加热位置旋转至远离感应加热齿轮一侧时对加热位置进行喷水冷却。
4.根据权利要求2或3所述的一种齿轮表面淬火方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，设定初始参数：确定待淬火齿轮工件有效淬火的旋转周期T，待淬火齿轮工件个数n1，感应加热齿轮的旋转的角速度ω1，仿齿形感应线圈通过电流I；仿齿形感应线圈个数n，待淬火齿轮工件每个齿的加热时间t0，设定每个线圈仿齿形感应线圈加热间隔时间t1＝(n/n1-1)*t0，通电t0时间；设置初始加热时间t＝0，感应加热线圈组i＝1；
步骤2，总开关QS以及开关S1闭合，同时继电器KM1控制常开触点KM1闭合，电动机启动，启动电机带动中心轮以角速度ω1进行旋转，仿齿形感应线圈的冷却水管道流通冷却水；
步骤3，仿齿形感应线圈一转动至待定位滑轮与待淬火齿轮工件接触时，开关S2闭合，感应加热装置启动；
步骤4，对应控制电路导通，利用时间继电器延时控制仿齿形感应线圈组一、二、三进行循环加热；
4.1，感应加热线圈组i电路导通，加热△t秒；
4.2，系统判别是否所有仿齿形感应线圈组均对待淬火齿轮工件进行过加热，即感应加热线圈组i是否大于等于n/4；
4.3，如果所有仿齿形感应线圈组均对待淬火齿轮工件进行过加热，即i＝n/4，则继续步骤5；否则，切换下一组仿齿形感应线圈组对待淬火齿轮工件进行加热，数据累计：i＝i+1，t＝t+△t，并重复步骤4.1到4.3，直到满足i≥n/4；
步骤5，系统判别是否到达加热时间T，即t是否大于等于T；
步骤6，如果到达加热时间T，即t＝T，则继续步骤7；否则，重复步骤4到6，直到满足t≥T；
步骤7，到达加热时间T时，时间继电器KT4控制常闭触点KT4断开，常开触点KT4闭合，继电器KM2控制常开触点KM2闭合，电机驱动中心轮反向转动，待淬火齿轮工件以角速度ω1顺时针开始转动，与此同时，中心轮带动感应加热装置以角速度ω1逆时针旋转，数据清除，重新设置：t＝0，i＝1；
步骤8，对应控制电路导通，利用时间继电器延时控制仿齿形感应线圈组一、二、三进行循环加热；
8.1，感应加热线圈组i电路导通，加热△t秒；
8.2，系统判别是否所有仿齿形感应线圈组均对待淬火齿轮工件进行过加热，即感应加热线圈组i是否大于等于n/4；
8.3，如果所有仿齿形感应线圈组均对待淬火齿轮工件进行过加热，即i＝n/4，则继续步骤9；否则，切换下一组仿齿形感应线圈组对待淬火齿轮工件进行加热，数据累计：i＝i+1，t＝t+△t，并重复步骤8.1到8.3，直到满足i≥n/4；
步骤9，系统判别是否到达加热时间T，即t是否大于等于T；
步骤10，如果到达加热时间T，即t＝T，则切断电源，停止加热，停止通入冷却水；否则，重复步骤8到10，直到满足t≥T。
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