及同步进行了研究,详细分析了同步双频加热电源的电结构及应用优势,并进行了理论分析和仿线台MPS系列MOSFET高频加热电源以及1台IPS系列IGBT中频加热电源搭建试验台,对一件12齿的齿轮工件进行同步双频加热的试验,验证了该双频拓扑结构和参数的正确性,得到的电波形与仿真波形基本吻合。

全球能源匮乏和自然的污染问题日益加剧,先进热处理制造技术由于具有可减少能耗、降低成本和减少污染的优点而备受重视。

加热淬火电源技术是目前热处理的重要工艺之一,与其他传统加热方式相比,其速度快、清洁程度好、能精确加热、能耗低、易于操作且自动化程度高。我国热处理行业的"十二五"发展规划中就明确提出了发展加热工艺、设备及相关技术的重要发展目标。同步双频加热电源技术不仅精简了齿轮的制造工艺,也降低了成本和能耗。因此,齿轮同步双频淬火对于科学研究和工业应用都具有重要意义。

加热电源有谐振和并联谐振两种结构。除逆变器结构的区别之外,前者采用大电容滤波,后者采用大电感滤波。加热电源的频率分为低频(500 Hz以下)、中频(1～10 kHz)、超音频(20～75 kHz)和高频(100 kHz以上)。

加热对于提高金属器件的抗磨损性和疲劳强度非常有效,具有工件表面硬度高、脆性低、疲劳强度高、变形小,以及加热温度、淬硬层深度等参数容易控制等特点。然而对于类似齿轮这样具有凹凸表面结构的工件而言,采用常规的单频加热技术无法达到令人满意的处理效果。

在对非均匀柱状器件的表面加热时,为达到均匀的加热深度,工件的不同部分在加热时需要不同的频率。齿轮存在齿顶和齿根,采用高频加热齿轮表面淬火,电流产生的热量在表面迅速传导,齿顶完全硬化,但齿根硬化不足。此外,这种处理方法还易在齿根面上增加残留应力,导致断裂的发生。采用中频加热齿轮表面淬火,热量在齿根传导,由于齿根的凹面形状,热量在传导过程中以指数形式递减,齿根有效硬化,而齿顶却硬化不足。

使用单频电源时,齿轮加热过程需分为两个阶段；但使用双频加热电源时,加热过程可在同一阶段完成,提高了工作效率。具体操作为：高频用来加热靠近电源的器件表面部分,如齿轮的凸起边缘；中频用来加热齿根。

为了达到使齿轮加热淬火过程中几何表面受热均匀的目的,将中频加热电源与高频加热电源相结合。同步双频加热技术把中频和高频连接到一个共同的输出端,使用共同的器,这使得被加热部件的不同部分得以被相适宜的频率所加热淬火。

同步双频加热淬火过程中无需频率的变化,而是使中频和高频电源同步作用到一个器上,将一个中频基频振荡作用在一个高频振荡上。中频和高频的幅值是相互控制的,根据工作状态的需求各自进行功率及频率的调节,使得加热电源对齿轮的齿根和齿顶淬火深度和效果的控制达到最优。将中频(10～25 kHz)及高频(200～900 kHz)结合时,中高频比例、实际使用频率主要取决于加热深度。总体而言,加热深度不大于1 mm时需要较高的频率,大于2 mm时需要的频率更偏中频。

双频电源采用双逆变桥结构,如图1所示,高频电源采用逆变器,中频电源采用并联逆变器。高频和中频同时输出到一个器,两种频率的电源幅值和频率各自被调控。Lf,Cf组成高频滤波器,高频电压反馈至中频输出端,Ck1可中频电压反馈至高频输出端。