针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置及方法

1.本发明涉及锥齿轮感应加热技术领域，具体而言，尤其涉及一种针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置及方法。


背景技术：

2.随着工业的发展，锥齿轮工况更加复杂，承载的载荷不断增加，对齿轮的质量和可靠性提出了更高的要求。为了提高锥齿轮质量和使用寿命，开发在获得较深且均匀的淬硬层的同时又能保持轮齿芯部韧性、减小轮齿应力集中的齿轮表面热处理技术，成为了生产高精端齿轮的研究重点，而获取均匀的梯度式温度场是保持轮齿芯部韧性、提升锥齿轮轮齿硬度的关键。
3.感应淬火作为表面热处理技术中四大基础工艺之一，相对于传统渗碳工艺，具有效率高、变形小和便于自动化生产等优点，但由于锥齿轮表面复杂，存在凹面和凸面，采用高频感应加热淬火，感应电流产生的热量迅速传导到齿轮中心，轮齿得到完全硬化，但是齿根硬化不足，容易在齿根处产生残留应力，导致断裂发生。采用中频感应加热淬火，热量在齿根进行传导，由于齿根的凹面形状，热量传导到齿根的过程以指数形式递减，齿根得到有效硬化，而轮齿却硬化不足。因此人们提出了双频感应加热技术以解决上述问题，但现有的双频感应加热技术及装置并不能达到上述要求，仍存在以下问题
4.现有的锥齿轮感应加热系统无法做到对加热温度的精确控制，不能对加热工艺要求严格的工件进行精密加工。
5.现有的锥齿轮感应加热系统无法根据工艺要求实时调整和优化感应加热工艺，普适性差。
6.现有的锥齿轮感应加热系统没有考虑齿廓的实际工况，将齿廓不同位置温度加热到统一固定值只考虑了齿面硬度而忽略了轮齿加热时对锥齿轮芯部韧性的影响，导致锥齿轮芯部韧性下降，抗冲击性能减弱。


技术实现要素：

7.针对上述不足之处，本发明提供了一种针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置及方法，以解决上述问题。本发明根据齿顶、齿侧、齿根的实际工况不同，将其各自预设温度和精度要求进行分梯度设置，通过不断地对目标温度检测的循环反馈与上述参数的实时调节实现对待加工工件高精度的梯度式加热控制，使齿轮相同深度位置温度区间(同位最大温差)达到预设区间，齿间不同深度位置温差(齿间最大温差)最小，从而让齿廓形成均匀的梯度式温度场。以实现针对锥齿轮的自控性多频感应加热。
8.本发明采用的技术手段如下：
9.一种针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置，包括：主轴、加热线圈和冷却喷头；
10.所述顶板与底板通过若干个支撑柱相连，所述底板上表面外圈上设置有六个液压臂，其中三个所述液压臂上各设置有一个加热线圈和一个位移传感器，三个所述加热线圈
分别为高频加热线圈、中频加热线圈和低频加热线圈，三个所述液压臂上设置有两个第一冷却喷头和一个第二冷却喷头，所述位移传感器识别锥齿轮表面轮廓形状信息，所述顶板与底板之间设置有主轴，所述顶板上表面上设置有电机，所述电机与设置于顶板下表面的卡盘相连，所述卡盘上设置有三个红外温度传感器，所述卡盘与主轴同轴并夹持主轴，所述主轴上设置有锥齿轮，所述电机驱动主轴带动锥齿轮旋转。
11.进一步地，所述加热线圈为弧形，所述加热线圈的弧度与锥齿轮的齿廓相适配，所述加热线圈侧面设置有冷却液通孔，所述加热线圈末端设置有接线柱通孔。
12.进一步地，三个所述加热线圈分别连接不同频率的电源，三个所述加热线圈分别对锥齿轮的齿顶、齿侧、齿根部分进行加热，三个所述冷却喷头分别装有不同冷却系数的冷却液。
13.进一步地，所述第一冷却喷头为尖嘴喷头，所述第二冷却喷头为扇面型喷头，所述第一冷却喷头工作时将冷却液喷淋至锥齿轮上表面凹槽内，所述冷却液随锥齿轮旋转流入齿槽内；所述第二冷却喷头工作时将冷却液喷淋至锥齿轮外表面齿廓；所述第一冷却喷头和第二冷却喷头侧面设置有冷却液通孔。
14.进一步地，所述红外温度传感器通过角码连接于卡盘下方，所述红外温度传感器与锥齿轮保持同轴、同速转动，三个所述红外温度传感器分别测量锥齿轮的齿顶、齿侧和齿根处温度。
15.进一步地，所述液压臂包括依次连接的机架、大臂、小臂、伸缩臂、液压缸和采样器夹具，所述机架设置于底板上表面，所述加热线圈设置于采样器夹具前端，所述第一冷却喷头和第二冷却喷头设置于采样器夹具前端，所述采样器夹具两侧设有冷却液通孔进出管道，所述位移传感器设置于采样器夹具的下表面处，所述位移传感器指向加热线圈和锥齿轮。
16.本发明还提供了一种针对锥齿轮的自控性多频感应加热方法，基于上述任一项针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置实现，包括如下步骤：
17.s1：初始参数设置；向三个所述加热线圈内分别通入高频且功率为p1、中频且功率为p2和低频且功率为p3的电流；三个所述冷却喷头内冷却液的冷却系数分别为k1、k2、k3，且k1＜k2＜k3；所述主轴的预设旋转角速度为w1、w2、w3，且w1＞w2＞w3；齿顶的实验预设温度为ta、齿侧的实验预设温度为tb、齿根的实验预设温度为tc；齿顶的许用温差为[t1]，齿侧许用温差为[t2]，齿根许用温差为[t3]，且[t1]＞[t2]＞[t3]，[ta]＞[tb]＞[tc]，其中，许用温差为预设温度的范围校核值；
[0018]
s2：温度区间修正；控制一个第一冷却喷头喷洒低浓度k1的冷却液，控制电机使主轴以角速度w1的速度旋转，
[0019]
依次判断锥齿轮的齿顶、齿侧、齿根的温度区间是否在预设范围内；若齿顶的测量温度在预设范围内，则继续判断齿侧、齿根；若不在预设范围内，则调整加热线圈和锥齿轮的间距并同时补偿电源功率、随后实时调整冷却喷头的喷淋工作压力使待测温度稳定，对于齿侧、齿根同理进行循环式判断直至齿顶、齿侧、齿根的温度区间都处于预设范围内；
[0020]
s3：温差范围修正；控制另一个冷却喷头喷洒中浓度k2的冷却液，控制电机使主轴以角速度w2的速度旋转，依次判断齿顶和齿根间、齿顶和齿侧间、齿侧和齿根间的齿间最大温差是否小于校验值
△
t1和
△
t2，
△
t1用以校验距离是否达标，
△
t2用以校验功率是否达
标，且
△
t1＞
△
t2；当齿顶和齿根间的齿间最大温差小于
△
t1、齿顶和齿侧间、齿侧和齿根间的齿间最大温差小于
△
t1且小于
△
t2时，进行加热结束步骤；当齿顶和齿根间、齿顶和齿侧间、齿侧和齿根间的齿间最大温差不满足上述要求时，调整加热线圈和齿轮间距并同时补偿电源功率、实时调整冷却喷头的喷淋工作压力使温度稳定，直至齿间最大温差小于
△
t1和
△
t2；
[0021]
s4：加热结束；控制第二冷却喷头喷洒高浓度k3的冷却液，控制电机使主轴以角速度w3的速度旋转，待锥齿轮温度恢复室温后停止全部冷却液的喷洒，待加热线圈温度恢复室温后停止循环冷却液的通入，断开电源。
[0022]
进一步地，s2中，每次调整任意线圈距离或电源功率过后需重新判断
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]是否成立，若不成立则进行迭代式循环，每次单独的循环可使待测温度区间误差值较上次的数据减少5％-7.5％，当
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]成立时继续进行预设步骤。
[0023]
进一步地，s2中，每次调整任意线圈距离或电源功率过后需重新判断
△
tmax13≤
△
t1是否成立，不成立则进行迭代式循环，每次单独的循环可使待测温差范围误差值较上次的数据减少5％-7.5％，当
△
tmax13≤
△
t1时继续进行预设步骤。
[0024]
进一步地，s2和s3中，调整量单位移动距离
△
x0电源功率
△
p0的调整量与|
△
tmaxi-ti|正相关，与待加热工件工艺性要求相关，实际函数对应关系由实验测得。
[0025]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0026]
1、本发明在装置上突破了传统的双频感应加热装置，方法上不同于基于异步双频加热的线圈依次“切换加热”的加热方法，实现了自控性多频感应对待加工工件同时加热。
[0027]
2、本发明设置不同浓度的冷却液以适应不同精度要求的环境，考虑锥齿轮的特殊形状，冷却液随锥齿轮旋转流入齿槽，设置不同的齿轮旋转速度并实时调整喷淋工作压力以对齿廓温度反馈进行实时调整并检测，使待加工齿轮齿廓温度场的可控性进一步提高；齿廓温度梯度设置上考虑了齿顶、齿侧和齿根的实际工况，在所研究的整个淬火温度范围内，随着淬火温度的升高，硬度和强度逐渐提高，啮合时主动轮的齿顶处磨损更为严重，对淬火温度要求更高，齿侧、齿根次之，将三者的预设温度场和所要求的温差范围分级处理，提高了锥齿轮芯部的韧性，更符合实际。
[0028]
3、参数设置中单位移动距离
△
x0、观察时间
△
t、单位调节功率
△
p0、工件齿廓预设温度t、许用温差[ti]、主轴旋转速度w、喷头喷洒工作压力p、冷却液浓度ki都可以根据加工要求自由调整来控制待加工工件温度场的温度精度范围，实现对加热工艺要求严格的工件进行精密加工，达到最佳经济效益。控制方法上设置了循环的控制算法系统，只有当满足当前预设要求的前提下才进行下一梯度的调节，每次循环可以使预设参数较上次数据更加精准，通过不断地反馈和调节可以实现对不同规格多样化的锥齿轮高效、快速的热处理，普适性强，具有一定的经济效益。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1为本发明装置的整体结构示意图。
[0031]
图2为本发明装置工作时主要机构位置示意图。
[0032]
图3为本发明装置的加热线圈示意图。
[0033]
图4为本发明装置的第一冷却喷头示意图。
[0034]
图5为本发明装置的第二冷却喷头示意图。
[0035]
图6为本发明装置的液压臂结构示意图。
[0036]
图7为本发明装置的红外温度传感器结构示意图。
[0037]
图8为本发明装置的主轴部分结构示意图。
[0038]
图中：1、电机；2、顶板；3、卡盘；4、红外温度传感器；5、液压臂；6、底板；7、冷却液池；8、主轴；9、第二轴套；10、支撑柱；11、第一冷却喷头；12、位移传感器；13、加热线圈；14、锥齿轮；15、第一轴套；16、第二冷却喷头；17、顶尖；18、机架；19、大臂；20、小臂；21、伸缩臂；22、液压缸；23、采样器夹具；24、角码。
具体实施方式
[0039]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0040]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0042]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0043]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理
解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0044]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0045]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0046]
本发明以多频感应加热对齿廓温度分布均匀性的影响为中心，利用不同频率的电流透入深度不同的原理，考虑不同浓度的冷却液对热交换即对齿轮冷却效果的影响，分梯度设置了不同的主轴旋速度和可实时调节的喷头工作压力。通过自动调整算法系统，将电源功率、预设温度、主轴旋转速度、喷头工作压力，齿廓与感应加热器垂直距离等参数输入计算机。具体加热的方法是通过电机控制主轴带动锥齿轮旋转，根据位移传感器自动识别锥齿轮表面轮廓形状信息的位置反馈互相匹配线圈大体位置，根据三个温度传感器自动识别锥齿轮表面齿廓温度均匀性信息反馈调整每个线圈与锥齿轮外表面的垂直距离，通过液压臂精确控制每个加热线圈在x-y-z空间分布的位置，保持最佳加热间距，根据不同加热位置间的温度差反馈调整3个不同频率电源各自的功率，通过采用不同浓度的冷却液和不同的主轴旋转速度及冷却喷头压力的实时调节实现齿廓预设温度精度范围的可调节化，通过循环的反馈与调节实现对待加热工件高精度的梯度式加热控制，使齿轮相同深度位置温度在预设区间之内，齿间不同深度位置温差达到预设精度要求，从而形成均匀的梯度式温度场，保持轮齿芯部韧性、提升锥齿轮轮齿硬度。本发明在装置上突破了传统的双频感应加热装置，方法上不同于异步双频加热的线圈依次“切换加热”的加热方法，实现了自控性多个频率的感应线圈对待加工工件同时加热，避免了双频电源的高昂设备价格，实现了对待加工工件齿廓温度的实时可调节精确控制。
[0047]
如图1所示，本发明提供了针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置，包括3个不同频率的电源、加热线圈13、第一冷却喷头11、第二冷却喷头16液压臂5、顶板2、底板6、支撑柱10、位移传感器12、无线式红外温度传感器4、电机1、三爪卡盘3、主轴8、第二轴套9、第一轴套15、计算机，均布于底板6外圈的6根支撑柱10下端与底板6固连，上端与顶板2固连，底板6中心设计对称性镂空结构见图2，其下端安装冷却液池7，其上端均布安装6个液压臂5，其中三个所述液压臂5上各设置有一个加热线圈13和一个位移传感器12，三个所述加热线圈分别为高频加热线圈、中频加热线圈和低频加热线圈，三个所述液压臂5上设置有两个第一冷却喷头11和一个第二冷却喷头16，位移传感器12位于装置一侧，计算机在装置一侧，电机1安装在上板正中央，与其同轴的正下方安装三爪卡盘3，卡盘3周身均布3个无线式红外温度传感器4，卡盘3中心正下方夹持主轴8，电机驱动主轴8带动锥齿轮旋转。
[0048]
所述底板6上表面安装有支撑柱10、液压臂5和顶尖17，下表面与水池7上表面接
触。
[0049]
所述支撑柱10上表面连接顶板2，所述顶板2中间安装伺服电机1。所述伺服电机1下端连接三爪卡盘3。
[0050]
见图3，所述加热线圈13轮廓具有一定弧度，供其与锥齿轮齿廓匹配，安装在采样器夹具23内，其侧面有冷却液通孔，与采样器夹具23的冷却液通孔形成配合，供冷却液循环；加热线圈13末端分别设有正、负接线柱通孔，分别通过导线与3个不同频率的电源连接。
[0051]
见图4和图5，第一冷却喷头11为尖嘴喷头，所述第二冷却喷头16为扇面型喷头，所述第一冷却喷头11工作时将冷却液喷淋至锥齿轮14上表面凹槽内，所述冷却液随锥齿轮14旋转流入齿槽内；所述第二冷却喷头16工作时将冷却液喷淋至锥齿轮外表面齿廓；第一冷却喷头11和第二冷却喷头16安装在采样器夹具23内，其侧面有冷却液通孔与采样器夹具23的冷却液通孔形成配合，供冷却液通入。
[0052]
见图7，所述3个无线式红外温度传感器4通过角码24、螺栓和螺母均布安装在三爪卡盘3周侧，无线式红外温度传感器4可在角码24配合安装孔线性范围内小幅度微调，同时其与锥齿轮14保持同轴、同速转动，分别测量锥齿轮的齿顶，齿侧处、齿根处温度，计算机上可以实时呈现锥齿轮齿廓温度分布曲线。
[0053]
见图6，所述液压臂5由机架18、大臂19、小臂20、伸缩臂21及与其配合的液压缸22和活塞组成，伸缩臂21末端安装采样器夹具23，夹具两侧设有冷却液通孔进、出水管道，两端均分别与冷却液连接。
[0054]
见图8，所述主轴8上端被三爪卡盘3夹持并与其同轴，下方安装在顶尖17上，顶尖17固连在底板6上，顶尖17上方安装第一轴套9，第一轴套9上端与锥齿轮14下端接触，锥齿轮14上端安装第二轴套15下端接触，通过轴套实现锥齿轮14的轴向定位。
[0055]
本发明中，许用温差是指根据加工精度要求进行参量调节的标准温差范围校核值。本发明中高频功率和中频功率为业内公认概念，低频功率为低于中频功率的功率。
[0056]
本实施例中，齿轮为锥齿轮，锥齿轮的齿数为19，锥齿轮的模数为10，锥齿轮的压力角为20
°
，锥齿轮的齿宽为10.3mm，锥齿轮的分度圆锥角为45
°
，锥齿轮的大端分度圆直径为190mm。实验预设温度ta＝1000℃、ta＝900℃、ta＝800℃，齿顶许用温差[t1]＝100℃，齿侧处许用温差[t2]＝75℃，齿根许用温差[t3]＝50℃、齿间温差校验值
△
t1＝150℃、
△
t2＝50℃。预设初始距离x1＝100mm，x2＝150mm，x3＝200mm。预设角速度w1＝100rad/s，w2＝75rad/s，w3＝50rad/s；电源初始功率p1＝250kw，p2＝80kw，p3＝30kw，喷头初始工作压力p＝0.05mpa，观察间隔时间
△
t＝0.2s，单位移动距离
△
x0＝10mm，单位调整功率
△
p0＝5kw。电源初始频率f1＝100khz，f2＝6khz，f3＝0.2khz。
[0057]
表层感应出的电流透入深度δ可以按照下面公式来计算：
[0058][0059]
其中，ρ为电阻率(ω
·
cm)，ω为角频率(rad/s)，μ为磁导率(h/m)。
[0060]
由上式可知，在工件材料已定的情况下，即ρ和μ确定时，透入深度δ与电流频率ω成反比。即高频电源主要加热齿顶部分a，中频电源主要加热齿侧部分b，低频电源主要加热齿根部分c，齿顶由于啮合时经常接触，所需耐磨性更强，即加热时需达到的加热温度要求
更高、齿侧、齿根次之，所以设置三者的同位预设温度存在如下梯度关系[ta]＞[tb]＞[tc]。同时三者又互相存在共同加热作用影响区域，所以设置同位许用温差存在如下梯度关系：许用温差[t1]＞[t2]＞[t3]，将三者的预设温度场和所要求的温差范围分级处理，提高了锥齿轮芯部的韧性。
[0061]
为提高加热精度并根据不同要求实现加热精度的实时调控可行性，在锥齿轮满足同位许用温差的前提下继续设置齿间最大温差
△
tmax，同时设定更加精密的齿间温差校验值
△
t1、
△
t2以减小齿间温差值，且
△
t1＞
△
t2。
[0062]
锥齿轮加热后的空冷过程及喷冷却液冷却过程其主要形式均为热对流过程，热对流公式为：
[0063][0064]
其中，h为换热系数(w/m
2.
℃)，为温差(℃)。
[0065]
由上式可知，热对流换热能力的大小与温差及对流换热系数成正比。换热系数主要由冷却液相关参数决定。
[0066]
冷却喷头流量用q表示，p为冷却喷头的工作压力mpa。k为冷却喷头的流量系数
[0067]
在k确定的前提下，设置不同浓度的冷却液用以适应不同精度下的调节和热处理后齿轮的降温，通过喷头工作压力的实时反馈调节达到所测点温度的稳定。
[0068]
质量为m的物体以速度v沿曲率半径为r的曲线运动时所需的向心力f
向
[0069][0070]
冷却液随齿轮旋转流入齿槽之中，在冷却液流量q一定时，即单位时间内m确定，角速度w减小导致f
向
减小，单位时间内冷却液与齿轮接触更充分，冷却效率提高，冷却效果更好。
[0071]
因此设置冷却液冷却系数k1、k2、k3，且k1＜k2＜k3，主轴旋转角速度w1，w2，w3，且w1＞w2＞w3。
[0072]
一种针对锥齿轮的自控性多频感应加热方法，基于上述装置实现，包括如下步骤：
[0073]
s1：将轴套1、待加工锥齿轮14、轴套依次安装在主轴8上并通过三爪卡盘3和顶尖17对主轴8进行轴向定位。将红外温度传感器4安装在三爪卡盘3上并通过螺栓和螺母进行微调并固定，确保每个红外温度传感器4测量的温度位置分别为齿顶a、齿侧b、齿根c。将位移传感器12安装在装置一侧，传感器摄像头中心与锥齿轮14所在平面同一平面内，使其捕捉锥齿轮14及周围液压臂5的运动轨迹。将伺服电机1、位移传感器12、无线红外温度传感器4及计算机接通电源，分别将3个安装有加热线圈13的采样器夹具23进、出冷却液通孔通入循环冷却液，用导线分别将3个加热线圈13的正、负接线柱与3个不同频率的电源依次连接。
[0074]
s2：在计算机中输入设定好的预选参数高频电源初始功率p1、中频电源初始功率p2、低频电源初始功率p3，设置单位调整功率
△
p0，齿轮齿顶的实验预设温度ta、齿侧的实验预设温度tb、齿根的实验预设温度tc；齿顶许用温差[t1]，齿侧许用温差[t2]，齿根许用温差[t3]，且[t1]＞[t2]＞[t3]，[ta]＞[tb]＞[tc]；高频加热线圈距齿顶垂直距离x1，中频加热线圈距齿侧处垂直距离x2，低频加热线圈距齿根垂直距离x3，单位移动距离
△
x0、观
察间隔时间
△
t，冷却液冷却系数k1、k2、k3，且k1＜k2＜k3，主轴旋转角速度w1，w2，w3，且w1＞w2＞w3。
[0075]
s3：控制伺服电机1使主轴带动待加工齿轮以速度w1＝80～100rad/s速度旋转，控制液压杠伸缩分别使高频加热线圈位移到其距离待测齿轮14齿顶x1处、中频加热线圈位移到其距离待测齿轮齿侧x2处、低频加热线圈位移到其距离待测齿轮齿根x3处，接通3个感应加热电源，对待测齿轮进行加热，通过无线式红外温度传感器测算出待测齿轮齿顶温度t1、齿侧温度t2、齿根温度t3。
[0076]
将齿顶温度t1、齿侧温度t2、齿根温度t3导入计算机并计算同位最大温差的值，计算公式
△
tmax1＝|t1-ta|，
△
tmax2＝|t2-tb|，
△
tmax3＝|t3-tc|。
[0077]
s4：判断同位最大温差
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]是否成立，若成立执行s12，若不成立，则执行s5。
[0078]
s5：判断t1-ta＞0是否成立，若成立，则执行s6，若不成立，则执行s7。
[0079]
s6：高频加热线圈向远离齿轮方向移动单位距离x0，减少喷淋工作压力，
△
t时间稳定后，执行s8。
[0080]
s7：高频加热线圈向靠近齿轮方向移动单位距离x0，增大喷淋工作压力，
△
t时间稳定后，执行s9。
[0081]
s8：判断同位最大温差
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]是否成立。若成立执行s12，否则执行s10。
[0082]
s9：判断同位最大温差
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]是否成立。若成立执行s12，否则执行s11。
[0083]
s10：将高频功率增加
△
p0，然后执行s4。
[0084]
s11：将高频功率减小
△
p0，然后执行s4。
[0085]
s12：判断同位最大温差
△
tmax2＝|t2-tb|≤[t2]是否成立，若成立执行s20，若不成立执行s13。
[0086]
s13：判断t2-tb＞0是否成立，若成立，则执行s14，若不成立，则执行s15。
[0087]
s14：中频加热线圈向远离齿轮方向移动单位距离x0，减少喷淋工作压力，
△
t时间稳定后，执行s16。
[0088]
s15：中频加热线圈向靠近齿轮方向移动单位距离x0，增加喷淋工作压力，
△
t时间稳定后，执行s17。
[0089]
s16：判断
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]是否成立，若成立执行s12，否则执行s18。
[0090]
s17：判断
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]是否成立，若成立执行s12，否则执行s19。
[0091]
s18：将中频功率增加n
△
p0直至
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]，然后执行s12。
[0092]
s19：将中频功率减小n
△
p0直至
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]，然后执行s12。
[0093]
s20：判断同位最大温差
△
tmax3＝|t3-tc|≤[t3]是否成立，若成立执行s32，若不成立执行s21。
[0094]
s21：判断t3-t＞0是否成立，若成立，则执行s22，若不成立，则执行s23。
[0095]
s22：低频加热线圈向远离齿轮方向移动单位距离x0，增加喷淋工作压力，
△
t时间稳定后，执行s24。
[0096]
s23：低频加热线圈向靠近齿轮方向移动单位距离x0，减少喷淋工作压力，
△
t时间
稳定后，执行s25。
[0097]
s24：判断
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]是否成立，若成立执行s28，否则执行s26。
[0098]
s25：判断
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]是否成立，若成立执行s29，否则执行s27。
[0099]
s26：将低频功率增加n
△
p0直至
△
tmax1＝|t1-t|≤[t1]，然后执行s28。
[0100]
s27：将低频功率减小n
△
p0直至
△
tmax1＝|t1-t|≤[t1]，然后执行s29。
[0101]
s28：判断
△
tmax2＝|t2-tb|≤[t2]是否成立，若成立执行s20，否则执行s30
[0102]
s29：判断
△
tmax2＝|t2-tb|≤[t2]是否成立，若成立执行s20，否则执行s31
[0103]
s30：将低频功率增加n
△
p0直至
△
tmax2＝|t2-tb|≤[t2]，然后执行s20。
[0104]
s31：将低频功率减小n
△
p0直至
△
tmax2＝|t2-tb|≤[t2]，然后执行s20。
[0105]
s32：至此已全部实现锥齿轮齿廓温度同位温差在各自预设区间范围内，加热线圈与待加工工件见粗略的位置关系和高、中、低频电源三者功率比已经确定。操作计算机控制伺服电机使主轴以角速度w2 rad/s旋转，关闭浓度为k1的冷却液喷洒，控制冷却喷头2喷洒中浓度k2的冷却液。接下来继续规定微小量δ＝0.1，计算齿间最大温差
△
tmax，齿顶和齿根间
△
tmax13＝|t1-t3|，齿顶和齿侧间
△
tmax12＝|t1-t2|，齿侧和齿根间
△
tmax23＝|t2-t3|；计算机中设定齿轮的感应淬火温度t，红外侧温摄像头检测实时淬火温度tmin，设定齿间温差校验值
△
t1反馈调节精密距离、
△
t2反馈调节精密功率，且
△
t1＞
△
t2。
[0106]
s33：判断
△
tmax13≥
△
t1是否成立，若成立，则执行s34，否则执行s41。
[0107]
s34：判断t1≥t3是否成立，若成立执行s35，否则执行s36。
[0108]
s35：操作液压臂5使高频加热线圈向靠近齿轮方向移动单位距离δx0，减少喷淋工作压力，
△
t时间稳定后，执行s37。
[0109]
s36：操作液压臂5使高频加热线圈向远离齿轮方向移动单位距离δx0，增加喷淋工作压力，
△
t时间稳定后，执行s38。
[0110]
s37：判断
△
tmax13≥
△
t1是否成立。若成立，则执行s39，否则执行s41。
[0111]
s38：判断
△
tmax13≥
△
t1是否成立。若成立，则执行s40，否则执行s41。
[0112]
s39：将高频功率减小δ
△
p0，
△
t时间稳定后执行s33。
[0113]
s40：将高频功率增加δ
△
p0，
△
t时间稳定后执行s33。
[0114]
s41：判断
△
tmax12≥
△
t1是否成立，若成立，则执行s42，若不成立执行s45。
[0115]
s42：判断t1≥t2是否成立，若成立，则执行s43，若不成立执行s44。
[0116]
s43：操作液压臂5使中频加热线圈向远离齿轮方向移动单位距离δx0，减少喷淋工作压力，操作液压臂5使高频加热线圈向靠近齿轮方向移动单位距离δx0，
△
t时间稳定后执行s33。
[0117]
s44操作液压臂5使中频加热线圈向靠近齿轮方向移动单位距离δx0，增加喷淋工作压力，操作液压臂5使高频加热线圈向远离齿轮方向移动单位距离δx0，
△
t时间稳定后执行s33。
[0118]
s45：判断
△
tmax12≥
△
t2是否成立，若成立，则执行s46，若不成立执行s49。
[0119]
s46：判断t1≥t2是否成立，若成立，执行s47，若不成立执行s48。
[0120]
s47：将中频功率增加δ
△
p0，高频功率减小δ
△
p0，
△
t时间稳定后执行s33。
[0121]
s48：将中频功率减小δ
△
p0，高频功率增加δ
△
p0，
△
t时间稳定后执行s33。
[0122]
s49判断
△
tmax23≥
△
t1是否成立，若成立，则执行s50，若不成立执行s53。
[0123]
s50：判断t2≥t3是否成立，若成立，则执行s51，若不成立执行s52。
[0124]
s51：操作液压臂5使低频加热线圈向靠近齿轮方向移动单位距离δx0，减少喷淋工作压力，
△
t时间稳定后执行s49。
[0125]
s52：操作液压臂5使低频加热线圈向远离齿轮方向移动单位距离δx0，增加喷淋工作压力，
△
t时间稳定后执行s49。
[0126]
s53：判断
△
tmax23≥
△
t2是否成立，若成立执行s54，若不成立执行s57。
[0127]
s54：判断t2≥t3是否成立，若成立，则执行s55，若不成立执行s56。
[0128]
s55：将低频功率增加δ
△
p0，然后执行s33。
[0129]
s56：将低频功率减小δ
△
p0，然后执行s33。
[0130]
s57：判断时刻温度tmin≤ts≤tmax是否成立，若成立，则执行s58，若不成立则根据反馈重新规定预定参数调整精度等级，执行s32。
[0131]
s58：断开3个感应加热的电源并操作液压臂5使加热线圈远离齿轮中心，操作计算机控制伺服电机使主轴以角速度w3 rad/s旋转，控制冷却喷头喷洒k3浓度冷却液。
[0132]
s59：待计算机显示齿轮14温度恢复室温后停止全部冷却液的喷洒，待计算机显示加热线圈13温度恢复室温后停止循环冷却液的通入，断开电源。
[0133]
s60：热处理结束。
[0134]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置，其特征在于，包括：主轴(8)、加热线圈(13)和冷却喷头(11)；所述顶板(2)与底板(6)通过若干个支撑柱(10)相连，所述底板(6)上表面外圈上设置有六个液压臂(5)，其中三个所述液压臂(5)上各设置有一个加热线圈(13)和一个位移传感器(12)，三个所述加热线圈分别为高频加热线圈、中频加热线圈和低频加热线圈，三个所述液压臂(5)上设置有两个第一冷却喷头(11)和一个第二冷却喷头(16)，所述位移传感器(12)识别锥齿轮(14)表面轮廓形状信息，所述顶板(2)与底板(6)之间设置有主轴(8)，所述顶板(2)上表面上设置有电机(1)，所述电机(1)与设置于顶板(2)下表面的卡盘(3)相连，所述卡盘(3)上设置有三个红外温度传感器(4)，所述卡盘(3)与主轴(8)同轴并夹持主轴(8)，所述主轴(8)上设置有锥齿轮(14)，所述电机(1)驱动主轴(8)带动锥齿轮(14)旋转。2.根据权利要求1所述的针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置，其特征在于，所述加热线圈(13)为弧形，所述加热线圈(13)的弧度与锥齿轮(14)的齿廓相适配，所述加热线圈(13)侧面设置有冷却液通孔，所述加热线圈(13)末端设置有接线柱通孔。3.根据权利要求2所述的针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置，其特征在于，三个所述加热线圈(13)分别连接不同频率的电源，三个所述加热线圈(13)分别对锥齿轮(14)的齿顶、齿侧、齿根部分进行加热，三个所述冷却喷头(11)分别装有不同冷却系数的冷却液。4.根据权利要求1所述的针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置，其特征在于，所述第一冷却喷头(11)为尖嘴喷头，所述第二冷却喷头(16)为扇面型喷头，所述第一冷却喷头(11)工作时将冷却液喷淋至锥齿轮(14)上表面凹槽内，所述冷却液随锥齿轮(14)旋转流入齿槽内；所述第二冷却喷头(16)工作时将冷却液喷淋至锥齿轮外表面齿廓；所述第一冷却喷头(11)和第二冷却喷头(16)侧面设置有冷却液通孔。5.根据权利要求1所述的针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置，其特征在于，所述红外温度传感器(4)通过角码(24)连接于卡盘(3)下方，所述红外温度传感器(4)与锥齿轮(14)保持同轴、同速转动，三个所述红外温度传感器(4)分别测量锥齿轮(14)的齿顶、齿侧和齿根处温度。6.根据权利要求1所述的针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置，其特征在于，所述液压臂(5)包括依次连接的机架(18)、大臂(19)、小臂(20)、伸缩臂(21)、液压缸(22)和采样器夹具(23)，所述机架(18)设置于底板(6)上表面，所述加热线圈(13)设置于采样器夹具(23)前端，所述第一冷却喷头(11)和第二冷却喷头(16)设置于采样器夹具(23)前端，所述采样器夹具(23)两侧设有冷却液通孔进出管道，所述位移传感器(12)设置于采样器夹具(23)的下表面处，所述位移传感器(12)指向加热线圈(13)和锥齿轮(14)。7.一种针对锥齿轮的自控性多频感应加热方法，基于权利要求1-6任一项权利要求所述的针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置实现，其特征在于，包括如下步骤：s1：初始参数设置；向三个所述加热线圈(13)内分别通入高频且功率为p1、中频且功率为p2和低频且功率为p3的电流；三个所述冷却喷头(11)内冷却液的冷却系数分别为k1、k2、k3，且k1＜k2＜k3；所述主轴(8)的预设旋转角速度为w1、w2、w3，且w1＞w2＞w3；齿顶的实验预设温度为ta、齿侧的实验预设温度为tb、齿根的实验预设温度为tc；齿顶的许用温差为[t1]，齿侧许用温差为[t2]，齿根许用温差为[t3]，且[t1]＞[t2]＞[t3]，[ta]＞[tb]＞[tc]，其中，许用温差为预设温度的范围校核值；
s2：温度区间修正；控制一个第一冷却喷头(11)喷洒低浓度k1的冷却液，控制电机(1)使主轴(8)以角速度w1的速度旋转，依次判断锥齿轮(14)的齿顶、齿侧、齿根的温度区间是否在预设范围内；若齿顶的测量温度在预设范围内，则继续判断齿侧、齿根；若不在预设范围内，则调整加热线圈(13)和锥齿轮(14)的间距并同时补偿电源功率、随后实时调整冷却喷头(11)的喷淋工作压力使待测温度稳定，对于齿侧、齿根同理进行循环式判断直至齿顶、齿侧、齿根的温度区间都处于预设范围内；s3：温差范围修正；控制另一个冷却喷头(11)喷洒中浓度k2的冷却液，控制电机(1)使主轴(8)以角速度w2的速度旋转，依次判断齿顶和齿根间、齿顶和齿侧间、齿侧和齿根间的齿间最大温差是否小于校验值
△
t1和
△
t2，
△
t1用以校验距离是否达标，
△
t2用以校验功率是否达标，且
△
t1＞
△
t2；当齿顶和齿根间的齿间最大温差小于
△
t1、齿顶和齿侧间、齿侧和齿根间的齿间最大温差小于
△
t1且小于
△
t2时，进行加热结束步骤；当齿顶和齿根间、齿顶和齿侧间、齿侧和齿根间的齿间最大温差不满足上述要求时，调整加热线圈(13)和齿轮间距并同时补偿电源功率、实时调整冷却喷头(11)的喷淋工作压力使温度稳定，直至齿间最大温差小于
△
t1和
△
t2；s4：加热结束；控制第二冷却喷头(16)喷洒高浓度k3的冷却液，控制电机(1)使主轴(8)以角速度w3的速度旋转，待锥齿轮(14)温度恢复室温后停止全部冷却液的喷洒，待加热线圈(13)温度恢复室温后停止循环冷却液的通入，断开电源。8.根据权利要求7所述的针对锥齿轮的自控性多频感应加热方法，其特征在于，s2中，每次调整任意线圈距离或电源功率过后需重新判断
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]是否成立，若不成立则进行迭代式循环，每次单独的循环可使待测温度区间误差值较上次的数据减少5％-7.5％，当
△
tmax1＝|t1-ta|≤[t1]成立时继续进行预设步骤。9.根据权利要求7所述的针对锥齿轮的自控性多频感应加热方法，其特征在于，s2中，每次调整任意线圈距离或电源功率过后需重新判断
△
tmax13≤
△
t1是否成立，不成立则进行迭代式循环，每次单独的循环可使待测温差范围误差值较上次的数据减少5％-7.5％，当
△
tmax13≤
△
t1时继续进行预设步骤。10.根据权利要求7所述的针对锥齿轮的自控性多频感应加热方法，其特征在于，s2和s3中，调整量单位移动距离
△
x0电源功率
△
p0的调整量与
△
tmaxi-ti正相关，与待加热工件工艺性要求相关，实际函数对应关系由实验测得。

技术总结
本发明提供一种针对锥齿轮的自控性多频感应加热装置及方法，涉及锥齿轮感应加热技术领域，将加热过程分为两个控制环节，将锥齿轮的加热部分分为齿顶、齿侧、齿根三部分同时进行旋转式加热，利用三个频率不同且可进行功率调节的单频电源连接感应线圈加热，其中高频对齿顶进行加热，中频对齿侧进行加热，低频对齿根进行加热；同时每个控制环节设定不同浓度的冷却液和不同的主轴旋转速度以适应不同精度的温度要求，实时判断三个区域所测温度是否满足设定要求并根据反馈调节各自线圈距离和电源功率达到对温度的精密控制，并及时调整喷淋液压力进行定量降温直至待测温度稳定进行循环控制调节，以实现针对锥齿轮的自控性多频感应加热处理。应加热处理。应加热处理。


技术研发人员：杜金龙 董博维 付长睿 刘家轩 刘玥君
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/23