提高大模數(shù)回轉(zhuǎn)支承齒輪中頻淬火質(zhì)量的措施

王玉良 劉振超

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545007)

回轉(zhuǎn)支承是工程機械、建筑機械、港口機械、起重機械、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)中常用的組件，它主要由相對回轉(zhuǎn)的內(nèi)外圈、鋼球、隔離塊等零件裝配而成。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，回轉(zhuǎn)支承產(chǎn)品質(zhì)量的好壞將直接影響到主機的使用效率。尤其是在工程機械的挖掘機應(yīng)用方面，回轉(zhuǎn)支承產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性通常被主機廠看著最重要的技術(shù)質(zhì)量控制點之一。一旦回轉(zhuǎn)支承出現(xiàn)故障，就需要拆卸挖掘機上平臺的駕駛室、操作系統(tǒng)的管路、發(fā)動機、油箱、上平臺等大件，工作量很大，同時還需要借助起吊設(shè)備，給野外作業(yè)帶來極大不便。

1 目前回轉(zhuǎn)支承在加工制造方面存在的問題

挖掘機回轉(zhuǎn)支承的齒圈一般為內(nèi)齒圈，其加工工藝流程為:鍛造—粗車—調(diào)質(zhì)—半精車—滾道淬火—檢驗—校形—鉆孔—精車—滾齒—齒面淬火—檢驗—磨削—表面處理。

在齒面淬火環(huán)節(jié)中，通常會出現(xiàn)淬硬層厚度不均勻、尖角效應(yīng)、集膚效應(yīng)、環(huán)狀效應(yīng)等問題，大大影響了回轉(zhuǎn)支承的壽命。

2 影響回轉(zhuǎn)支承制造質(zhì)量的關(guān)鍵因素

2.1 影響回轉(zhuǎn)支承齒輪制造質(zhì)量的關(guān)鍵因素

在制造技術(shù)方面，回轉(zhuǎn)支承的壽命主要依賴于回轉(zhuǎn)支承內(nèi)、外圈的滾道和齒輪的質(zhì)量，由于技術(shù)的發(fā)展，滾道加工及淬火技術(shù)日趨完善，因此回轉(zhuǎn)支承的質(zhì)量主要取決于齒輪的中頻淬火質(zhì)量，其淬火質(zhì)量主要表現(xiàn)在淬硬層厚度及其形狀分布、硬度、裂紋狀況、淬火組織等幾個方面。

回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)、外圈材質(zhì)一般選用50Mn，其滾道、齒部要求熱處理淬火，滾道淬硬層3～5 mm，硬度55～60 HRC;齒根淬硬層大于1.2～2 mm，齒輪輪廓淬硬層大于2.2～3 mm，硬度50～60 HRC。為滿足淬硬層的深度要求，適宜采用中頻感應(yīng)淬火設(shè)備來實現(xiàn)。

2.2 中頻淬火是回轉(zhuǎn)支承齒輪熱處理的主要方法

中頻感應(yīng)加熱淬火是利用頻段為4～10 kHz 赫茲的I GBT 或可控硅中頻電源，借助銅管擠壓彎曲成形的感應(yīng)器對工件進行局部快速加熱，同時采用PAG 淬火液進行快速冷卻(見圖1)，以改變工件材料的金相結(jié)構(gòu)、得到馬氏體的過程。

圖1 中頻感應(yīng)加熱淬火

圖2 齒輪淬火機床

感應(yīng)加熱速度越快，相變進行最激烈的溫度和完成相變的溫度越高，鋼的臨界點亦隨加熱速度的增大而提高;在同樣的加熱溫度下，加熱速度越快，所得奧氏體晶粒也越細(xì)。

相同的材料，感應(yīng)加熱表面淬火的硬度比普通加熱淬火高2～3 HRC，且馬氏體細(xì)小，因此耐磨性及疲勞強度大大提高。

3 選擇或設(shè)計合適的淬火設(shè)備保證熱處理質(zhì)量

3.1 選擇合適的淬火設(shè)備

不同參數(shù)的齒輪，其淬火設(shè)備的參數(shù)選擇有所不同。我們以模數(shù)m=12 mm，齒數(shù)Z=91 mm，齒寬b=90 mm 的22 t 挖掘機回轉(zhuǎn)支承齒輪淬火作為研究對象。

回轉(zhuǎn)支承要求齒輪淬火硬度均勻，因此，我們與設(shè)備生產(chǎn)廠商聯(lián)合設(shè)計了一臺高回轉(zhuǎn)精度的齒輪淬火機床(見圖2)來進行感應(yīng)淬火。

該淬火機床的特點是:淬火感應(yīng)器在數(shù)控機床的控制下，可做上、下移動，前、后移動，工件固定在回轉(zhuǎn)工作臺上，通過數(shù)控編程控制，隨工作臺做均勻的回轉(zhuǎn)運動，克服了由于感應(yīng)器與輪齒左右間隙不均造成的熱處理缺陷。

3.2 感應(yīng)器的設(shè)計

感應(yīng)器的設(shè)計應(yīng)保證工件表面淬硬層分布均勻、設(shè)備電效率高;且感應(yīng)器本身需要有足夠的機械強度、剛度、易于制造、方便操作的特點。結(jié)合回轉(zhuǎn)齒輪連續(xù)加熱時間長、淬硬層深、淬硬層分布均勻的特性，我們將感應(yīng)器設(shè)計成仿齒形的回路式樣(見圖3)。

圖3 仿齒形的感應(yīng)器和噴水器

3.3 噴水器的設(shè)計

為保證冷卻均勻，將噴水器也設(shè)計成仿齒形狀(見圖3)，并在其上鉆削大小均勻的小孔，這些小孔與水平方向成一定角度，以便水射流對工件的有效冷卻。

3.4 擋水板的設(shè)置

為防止感應(yīng)器在上端停頓的過程中水流散射(見圖1)，減弱冷卻效果，導(dǎo)致齒輪上端淬硬層偏厚的淬火缺陷，我們采用線切割或插齒的加工方式制作一個與淬火齒輪齒數(shù)相同的圓環(huán)形擋水板，擋水板的齒輪廓與淬火齒輪的齒輪廓周邊距離為3～5 mm，擋水板的厚度為10 mm 左右。在裝夾淬火齒輪時，將擋水板放置在齒輪上端并一起裝夾。

4 選擇合適的中頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)控制質(zhì)量

中頻感應(yīng)淬火工藝成本低、效率高。為提高齒輪強度和表面的耐磨性，中頻感應(yīng)淬火已成為重載齒輪常見的熱處理方法之一。但如果中頻感應(yīng)淬火的工藝參數(shù)控制不當(dāng)，就會出現(xiàn)不良的效果，如齒輪淬火后出現(xiàn)裂紋，使用中出現(xiàn)打齒、斷齒等現(xiàn)象。為解決這些問題，必須對感應(yīng)淬火工藝過程進行有效控制。

影響齒輪強度和裂紋的因素很多，如原材料、淬火液的選擇與配比、工藝參數(shù)的選擇等。為提高中頻感應(yīng)淬火后的齒輪強度，消除齒輪淬火裂紋，我們有必要對淬火設(shè)備的工藝參數(shù)進行有效的設(shè)定。

4.1 原材料中化學(xué)成分的控制

原材料化學(xué)成分如表1。

表1 原材料化學(xué)成分

4.2 齒輪中頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)的設(shè)定

(1)淬火加熱溫度的設(shè)定。材料的原始組織晶粒越細(xì)，其淬火溫度就越低;若原始組織晶粒越粗，則淬火溫度越高。現(xiàn)將淬火加熱溫度定為920 ℃左右;

(2)感應(yīng)器相對于齒輪的上下移動速度設(shè)定為3～3.3 mm/s，這一運動速度由數(shù)控編程實現(xiàn);感應(yīng)器相對于齒輪的上下移動速度分為三段，齒寬下端的30 mm 按3.3 mm/s 速度運行，齒寬上端的30 mm 按3 mm/s 速度運行，其余按2.5 mm/s 速度運行，整個變速運動由數(shù)控編程實現(xiàn)。

(3)感應(yīng)器與輪齒的左右間隙設(shè)定為1～1.1 mm，感應(yīng)器尖部與齒輪根部間隙1.8～2 mm。

(4)噴水器位置設(shè)定。噴水器上端緊貼感應(yīng)器下端，并且在感應(yīng)器的左右兩端添加噴水頭(見圖3)，增加冷卻效果，防止淬火后表面回火變軟。

(5)冷卻方式及淬火液。對于工件為50Mn 的材料，防止淬火產(chǎn)生裂紋，采用PAG 水基淬火劑作為冷卻淬火液，濃度選擇為8%～8.5%?？紤]工件的材料、加熱方式和淬硬層深度等，齒輪淬火的冷卻方式采取連續(xù)噴射淬火液冷卻。

(6)電源電參數(shù)設(shè)定。頻率8 kHz，直流電壓500 V，直流電流100 A。即功率控制在50～55 kW 左右。

(7)感應(yīng)器預(yù)熱與停頓時間設(shè)置

感應(yīng)器由齒厚的下端往上端移動，預(yù)熱齒部下端時間為3.6 s，感應(yīng)器上端停留時間為0.8 s。

5 齒輪中頻淬火的工藝試驗

調(diào)整好淬火感應(yīng)器與齒輪齒廓的位置及左右間隙，啟動冷卻水泵，啟動淬火機床，感應(yīng)器預(yù)熱6 s ，然后由下向上行走，齒厚下端的30 mm 按3.3 mm/s速度運行，齒厚中部按2.5 mm/s 速度運行，齒厚上端的30 mm 按3 mm/s 速度運行，同時感應(yīng)器下端的噴水器將淬火液噴至齒輪輪廓的兩側(cè)面，左、右兩端的噴水頭噴射冷卻液至相鄰輪齒的兩側(cè);感應(yīng)器至工件上端面時，停留0.8 s，然后迅速提升15～20 mm，噴水器繼續(xù)噴淋工件，使工件充分冷卻;回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)一個齒，感應(yīng)器下降，預(yù)熱齒部下端6 s ，然后按程序向上行走，重復(fù)以上動作直至整個齒輪淬火完畢。

為減小淬火給齒輪帶來的熱處理變形量，亦可采用交叉齒淬火的方法進行齒輪淬火。在齒輪淬火完成后，需對工件的齒部進行探傷處理。為使輪齒心部能承受一定沖擊載荷，還需對齒輪進行回火處理，以獲得50～60 HRC 的硬度值，使齒輪具有較好的耐磨性及抗膠合能力。低溫回火的工藝參數(shù)為在200～210 ℃回火爐中保溫2～3 h。

6 質(zhì)量檢驗結(jié)果

(1)淬硬層的硬度檢測。用強酸對檢測部位進行處理，再用砂紙將測試部分打磨，借助便攜式手提硬度檢測儀，對淬硬層的硬度進行檢測，結(jié)果為55～58 HRC，滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)切片檢測淬硬層厚度。用線切割的方法，將要檢測的齒部切開。切片之后，將試塊表面腐蝕并拋光，就可以看見淬硬層與非淬硬層間的明顯分界線，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，輪齒根部淬硬層達到了≥1.2～2 mm，齒面淬硬層深度≥2.2～3 mm(見圖4)。齒輪輪廓淬火部分硬度55～60 HRC，淬硬層深度達到設(shè)計要求，且淬硬層深度均勻。

(3)裂紋情況檢查。將齒輪部分清洗干凈，吹干后噴射藥劑檢測無裂紋出現(xiàn)，在顯微鏡下觀察，無尖角效應(yīng)、集膚效應(yīng)、環(huán)狀效應(yīng)等問題。

圖4

7 結(jié)語

影響大模數(shù)齒輪淬火質(zhì)量的因素是多方面的。通過選擇或設(shè)計合適的數(shù)控淬火設(shè)備，保證齒輪回轉(zhuǎn)分度均勻，解決齒輪左右齒廓面淬火厚度的均勻性問題;選擇合適的加熱頻率及設(shè)備的直流、電壓值，可控制齒輪淬火有效溫度;調(diào)整感應(yīng)器與齒輪間隙的設(shè)定值及感應(yīng)器的移動速度，可解決齒面淬火環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的淬硬層厚度不均勻、尖角效應(yīng)、集膚效應(yīng)、環(huán)狀效應(yīng)等熱處理難題;調(diào)整噴水器位置、水流大小及擋水板的設(shè)置，可以控制淬硬層深度，同時消除淬火裂紋;選擇合適的低溫回火溫度及保溫時間，可以消除熱處理應(yīng)力、減小淬火齒輪的變形量，同時得到細(xì)小的奧氏體晶粒，最大可能地提高了齒輪的耐磨性及抗疲勞強度。

［1］國家機械工業(yè)局. 中華人民共和國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):回轉(zhuǎn)支承. JB/T 2300—1999［S］. 北京:機械科學(xué)研究所，1999.

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