阅读说明：本技术 一种大型齿轮单齿感应淬火工艺及装备 (Single-tooth induction quenching process and equipment for large gear ) 是由 闫满刚 赵秀华 王佩璋 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：一种大型齿轮单齿感应淬火工艺及装备,同时采用数控机械手驱动3个淬火单元上的感应器对一个大型齿轮进行单齿沿齿沟感应扫描淬火,使得整个齿轮淬火工艺时间节省了近2/3,这样淬火齿轮能够及时回火,极大地避免了淬火开裂的发生。具体做法是让被淬火的齿轮沿圆周布置三个T型数控机械手带动各自的淬火单元同时对齿轮做单齿沿齿沟扫描淬火,每个淬火单元分别由各自的中频电源供电。淬火单元和机械手通过3自由度的位移补偿机构连接,这样在齿数不能被3整除时,淬火单元通过该补偿机构平移和回转,从而保证感应器对正齿沟。成套装备还包括淬火液系统和冷却系统。操作者首次对正三个淬火单元的感应器和齿沟后,整个淬火操作完全由数控程序驱动完成。(A single-tooth induction quenching process and equipment for large gears are characterized in that a numerical control manipulator is adopted to drive inductors on 3 quenching units to perform single-tooth induction scanning quenching on one large gear along a tooth groove, so that the time of the whole gear quenching process is saved by nearly 2/3, the quenched gear can be tempered in time, and the occurrence of quenching cracking is greatly avoided. The specific method is that three T-shaped numerical control manipulators are arranged on the circumference of the gear to be quenched to drive respective quenching units to simultaneously perform single-tooth scanning quenching on the gear along the tooth grooves, and each quenching unit is respectively powered by a respective intermediate frequency power supply. The quenching unit is connected with the manipulator through a 3-degree-of-freedom displacement compensation mechanism, so that when the tooth number cannot be completely removed by 3, the quenching unit can translate and rotate through the compensation mechanism, and the sensor is guaranteed to be aligned with the gullet. The kit also comprises a quench liquid system and a cooling system. After an operator aligns the inductors and the tooth grooves of the three quenching units for the first time, the whole quenching operation is completely driven by a numerical control program.)

一种大型齿轮单齿感应淬火工艺及装备

技术领域

本发明属于大型齿轮(齿圈)制造领域，具体说就是风电主齿轮箱大齿圈表面淬火加工工艺方法和设备，采用感应加热进行单齿扫描淬火的一种新工艺新设备。

背景技术

大型齿圈是风力发电主齿轮箱中的关键部件之一。随着我国以及国际社会对清洁能源的需求大幅提升，风力发电的单机功率需求和数量需求也越来越大。特别是海洋装机风力发电机的单机容量达10兆瓦甚至更大，这样对应的主齿轮箱的规格也很大，其中的大型齿圈直径规格达3米或以上，齿宽超过半米以上。常用的表面淬火方法包括渗碳淬火、渗氮和单齿感应淬火。其中单齿感应淬火工艺时间最短，工艺成本低，效率高，是性价比最高的齿面淬火加工工艺。

常规的单齿感应淬火采用沿齿沟扫描淬火模式，即开始时淬火机床上的淬火单元运动到起始位置，这时其上的感应器位于齿沟之间保持一定间隙，从沿齿宽的一端采用中频感应加热模式扫描整个齿沟，紧跟感应器后的淬火器喷液淬火直到齿宽的另一端，然后感应器离开齿沟，被淬火齿轮回转分度到下一个齿沟，淬火单元带动感应器进入齿沟重复之前的过程，循环往复直到所有齿沟都被感应淬火完成。

常规的单齿淬火机床是单立柱，一个淬火单元，每个淬火单元上有一个感应器，每次只能对一个齿沟进行淬火。如果齿数少或者齿宽较窄，采用这种模式对一个齿圈淬火完成所需时间在3小时之内，然后送入回火炉及时回火，那么这种淬火加工方法和设备是没有问题的。

当齿轮规格变大，齿数变多，原有加工模式下加工完一个完整齿轮的时间超过2小时很多，则第一个淬火的齿由于回火不及时开裂的风险极高。为了避免开裂，则必然不能一次淬火加工完全部齿。常规的做法是淬火完部分齿后中断淬火操作，把齿轮从机床上卸下送去回火后再返回来二次装卡继续淬火加工剩余的齿。

随着风电主齿轮箱规格越来越大，按照常规淬火加工工艺方法，或许需要中断淬火进行回火2-3次，这样大大降低了效率，还浪费了能源，增大劳动强度。

本发明旨在解决这一技术问题，发明一种不需要中间回火多次的高效工艺，只需装卡齿轮一次就能在2小时左右完成整个齿轮淬火的工艺和装备。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，在于提供一种一次装卡就能在2-3小时内淬火加工完全部齿的工艺方法，并提出了实施该工艺的设备结构。

本发明的技术方案是：

一种大型齿轮感应淬火工艺，实施步骤：

将大齿轮水平同心装卡在回转台上。回转台由伺服电机驱动可以按齿数任意分度；

在回转台外的圆周上三等分均布三个T型数控机械手，每个机械手末端连接一套淬火单元，三个淬火单元上的淬火感应器可以同时对三个各自对应的齿进行感应淬火加工。加工过程由数控系统控制。

在相同时间内，三个淬火单元依照沿齿沟扫描淬火各自完成一个齿的淬火加工后，大齿轮随转台自动回转分度，进行下一个淬火循环。三个淬火单元又各自进行相对应的另外三个齿的淬火加工。经过总齿数/3个循环后，全部齿的淬火完成(余数为0)或剩余2个或1个齿，再通过程序控制用其中的两个或一个淬火单元对剩余齿顺序淬火加工。

这样整个齿的淬火时间比常规用一个淬火单元对一个齿进行扫描淬火加工，节省超过 2/3的时间。

这样整个齿轮淬火加工完成的时间小于3小时，然后一次回火充分、及时。

三个淬火单元的各自感应器分别由三套中频电源供电。其它辅助设备比如冷却机组和淬火液循环冷却机组可以共用，并统一由数控系统程序控制。

附图说明

图1为本发明：一种大型齿轮感应淬火工艺原理示意图；

图2为本发明：一种大型齿轮感应淬火机床构成示意图；

图3为本发明：一种大型齿轮感应淬火机床其中一套机械手和淬火单元结构示意图；

图4为本发明：一套淬火单元的位移补偿机构示意图；

图5为本实发明：一种大型齿轮感应淬火成套设备(含辅助机组)平面布置原理图；

其中：1-大齿轮(齿圈)、2-淬火单元a、3-淬火单元b、4-淬火单元c、5-回转台、 6-T型机械手e、7-T型机械手f、8-T型机械手g、9-横臂线性模块、10-垂臂线性模块、11- 位移补偿机构、12-淬火单元偏转机构、13-径向位移补偿线性机构、14-切向位移补偿机构、 15-机床数控柜、16-淬火变频电源(3台)、17-淬火辅机1(淬火液循环冷却系统)、18-淬火辅机2(冷却水循环系统)。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。

如图1a、图1b所示，大型齿轮1(可以是外齿轮图1a，也可以是内齿圈图1b，下同)采用单齿沿齿沟淬火方法，被3个淬火单元a、b、c各自淬火感应器同时进行单齿扫描淬火。对于齿数是3的倍数的齿轮，3个淬火单元分别完成齿轮淬火工艺的1/3，相比于传统的淬火方法工艺时间节省了2/3；对于齿数不能被3整除的齿轮，余数齿被临近两个或一个淬火单元进行单齿沿齿沟扫描淬火，直至所有齿全部淬火完成。

如图1a、图1b所示，淬火单元的中频输出端有对称的两个结合端面，因此淬火感应器可以根据齿轮1的型式(外齿或内齿)选择不同安装方向。

如，1、图2所示，为了同时对齿轮1的三个齿进行淬火，齿轮1被同心安放在回转台5的支承臂上；淬火单元a、b、c相应安装在沿齿轮的同心圆等角度(120°)布置的三个T型机械手e、f、g上；

如图3所示，为三个T型机械手其中一个，其余两个构成是一样的。以T型机械手2为例，淬火单元2是安装在倒置的T型机械手7的垂臂10上的。一个带马蹄脚的立柱将倒置的T型机械手托举到一定的高度。T型机械手7有横臂9和垂臂10，横臂9在立柱上的直线伸缩可以满足不同直径齿轮淬火时淬火单元和齿轮的径向位置需求；垂臂10的上下运动带动淬火单元满足扫描淬火运动需求；所有运动采用伺服电机驱动线性运动单元实现；

在机械手和淬火单元的连接面之间有位移补偿机构11，见图4.

如图4所示，位移补偿机构11包括偏转运动副12、切向补偿运动副13和径向补偿运动副14。该偏转运动副12由伺服驱动装置通过同步带轮带动补偿机构回转β°(最大±45°)；切向补偿运动副13通过伺服电机驱动线性单元带动位移补偿机构11沿齿轮切向方向平移(最大±20mm)；当齿轮齿数不能被3整除时(图1b)，通过偏转和平移淬火单元保证感应器与齿沟间隙对称；而径向补偿运动副是由弹性器件和直线导轨维持淬火过程中淬火单元相对齿轮径向的位置(最大±15mm)，从而保证淬火质量的。

由于齿轮的第一个齿和淬火单元的对正总可以通过齿轮旋转来进行，因此，可以有一个淬火单元和机械手的连接采用直连，即省略位移补偿机构11.这时需要仔细安装务必使感应器的对称中心线穿过回转工作台的中心。

整套装备是由一个机床数控柜15统一程序控制，专门的操作软件允许用户只要输入必要的参数，比如齿轮模数，齿数，齿宽，扫描速度，输入功率等，经过初试位置对正后，整个淬火过程自动进行。

如图5所示，每个淬火单元都有独立的一套中频电源16为其提供中频电流。因此整套装备包含3台中频电源；

如图5所示，17淬火辅机1和18淬火辅机2所有管线都按需要和淬火机床和中频电源相连，为系统正常工作提供保障。

一个大型齿轮淬火工艺过程实例，包括五步：

如图5，将齿轮1吊装到转台的支承臂上且和转台处于同心位置。打开机床数控系统，填入相应参数。

如图1a，1b所示，通过操作数控按钮或电子手轮，将三个淬火单元1、2、3对正在各自第一个淬火齿沟。如果齿数是3的整数倍，则初始的3个淬火齿沟三等分均布在齿轮圆周上；如果齿数不是3的倍数，则转动转台使其中一个淬火单元的感应器正对齿沟，其它两个淬火单元通过位移补偿机构11进行切向调整和偏转调整，最终都位于齿沟的中心位置。

启动程序，则数控系统驱动三个淬火单元上的感应器、淬火工装等从齿轮齿沟的下沿沿齿沟扫描淬火到齿轮上沿；当感应器和淬火工装都离开齿沟后，回转台根据程序自动分度到下一个齿沟，三个淬火单元按程序下降到齿轮下沿，进入齿沟进行下一次淬火循环。

经过齿数/3次循环后，齿圈的所有齿(齿数能被3整除)或绝大部分齿(齿数不能被3整除)都已被淬火，如果有剩余的一个或两个齿用紧邻的一个或两个淬火单元完成淬火；

在上述过程中，除了三个淬火单元和齿轮的初始齿沟位置需要对正外，其余的淬火操作都是程序进行的，不需要人工干预即可全部完成。

更进一步地，在三个淬火单元上安装位置探测传感器后，三个淬火单元的初始位置找正也可由数控程序自动完成。

以上显示和描述了本发明的基本原理和装备的构成。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。