大型齒輪軸吊裝淬火工藝研究

張一坤，陳進(jìn)磊

(太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024)

1 問題的提出

中大型軋機(jī)的減速機(jī)通常是在惡劣環(huán)境下高負(fù)荷運轉(zhuǎn)，對齒軸的齒部和零件本體的強(qiáng)度要求很高，因此齒輪軸大多都需要采用滲碳淬火熱處理。齒軸類零件滲碳淬火的熱處理裝卡方式通常是豎直地立裝在工裝料盤上，如圖1所示，豎直立裝可以控制齒輪軸的變形，滿足零件的后期加工。淬火時，利用行車起吊料盤中間的吊桿實現(xiàn)零件的進(jìn)出爐子和油槽進(jìn)行淬火。

井式滲碳爐深度在3 m以上的設(shè)備直徑通常較小，約在1.6 m左右，采用吊桿+料盤裝卡齒輪軸，實際可裝卡齒軸最大直徑約700 mm，對于3 m以上、直徑超過700 mm的軸類采用常規(guī)的裝卡方式無法進(jìn)行滲碳淬火熱處理。針對長軸類的大型齒輪軸，目前熱處理廠家通常采用的方法是淬火前在軸端兩側(cè)焊接吊耳，如圖2所示，焊接完成后入爐進(jìn)行升溫保溫，淬火時行車將起吊鏈條掛在吊耳上，起吊入油淬火。該方法有以下問題：①如果焊接存在缺陷，會在起吊過程產(chǎn)生脫離，存在安全隱患；②在零件上進(jìn)行焊接，對零件焊接處的金相組織和硬度會產(chǎn)生影響，從而使產(chǎn)品質(zhì)量存在隱患。針對大直徑長軸類零件，如何設(shè)計合理的起吊工裝，實現(xiàn)單體零件的高溫起吊，在現(xiàn)有設(shè)備中進(jìn)行滲碳淬火熱處理，成為一個亟待解決的問題。

圖1 齒軸類零件裝卡方式 圖2 焊接吊耳

2 試驗工件

選取的試驗件是大直徑人字齒輪軸，材料為17CrNiMo6 鋼，質(zhì)量為10 000 kg，結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。齒輪軸最大直徑Φ985 mm，長度5 000 mm。技術(shù)要求: 齒部進(jìn)行滲碳淬火處理， 有效硬化層深度3.2 mm～3.8 mm，單邊余量0.50 mm， 齒面硬度HRC58～HRC62，心部硬度HRC35～HRC42； 顯微組織符合JB/T6141.3-1992《重載齒輪滲碳金相檢驗》標(biāo)準(zhǔn)要求。由于尺寸較大，該零件按照料盤裝卡的方法不能在廠內(nèi)實現(xiàn)淬火。

3 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度計算

3.1 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

起吊工裝需完成長軸類零件在高溫狀態(tài)下的安全起吊，在實現(xiàn)零件淬火入油的情況下，保證不影響加熱和油冷均勻性。起吊工裝的功能是與夾鉗配合使用，將行車與零件連接起來，如圖4所示。參照現(xiàn)有吊桿的吊頭，設(shè)計類似的結(jié)構(gòu)作為起吊工裝配合夾鉗的上部分。起吊工裝和零件進(jìn)行結(jié)合主要有兩種方式：一種是通過焊接的方法，一種是通過螺栓或者銷軸等連接的方法。考慮到焊接容易存在缺陷，且對零件產(chǎn)品有影響的因素，決定采用第二種方法。而銷軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對工裝的消耗大，通過綜合考慮，決定使用螺栓連接的方法，設(shè)計的工裝雛形如圖5所示。齒輪軸淬火前在軸端面加工與起吊工裝匹配的螺紋孔，將工裝與齒輪軸裝配在一起入爐，淬火時行車起吊夾鉗抓取起吊工裝對齒輪軸進(jìn)行淬火。

3.2 工裝材料選取

對于工裝材料的選取遵循滿足功能的前提下，盡量減少成本。起吊工裝高溫下反復(fù)使用，所以材料必須有好的冷熱疲勞性能，所以可選用耐熱鋼和含碳量≤0.3%的低碳鋼[1]。考慮到兩種材料的成本，其中耐熱鋼約80元/kg～100元/kg，低碳鋼8元/kg。綜合考慮，選用Q345作為工裝材料。

圖4 起吊夾鉗 圖5 起吊工裝雛形

3.3 強(qiáng)度計算和工裝尺寸確定

由于工裝是高溫使用，所以計算時需要用到材料高溫下的屈服強(qiáng)度，該強(qiáng)度是影響工裝使用安全的關(guān)鍵所在，我們進(jìn)行了Q345材料的4組高溫屈服強(qiáng)度試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 Q345高溫屈服強(qiáng)度試驗結(jié)果

根據(jù)材料的高溫屈服強(qiáng)度和零件的重量，我們對工裝各部位的尺寸進(jìn)行了概算。已知： 820℃的屈服強(qiáng)度為42 MPa ， 零件重量為100 00 kg，要求專用工具的安全系數(shù)≥2。

(1) 吊頭脖子處的最小截面積Smin=98 000/(42×0.5)=4 666 mm2。

(2) 吊頭脖子處實際面積S=3.14×95×95=28 338 mm2>4 666 mm2，符合要求。

(3) 工裝與長軸用螺栓連接，螺栓的最小截面積≥4 666 mm2；M36螺栓的應(yīng)力截面積=764 mm2，采用8個M36螺栓均布可滿足要求：764×8=6 112 mm2>4 666 mm2。

(4) 與長軸連接的圓板受剪切力許用的最小截面積S1min=98 000/(42×0.5×0.5)=18 667 mm2，螺栓與板的接觸周長L=193×8=1 544 mm，圓板厚度x=S1min/L=18 667/1 544=12 mm，考慮到高溫蠕變、受力不均勻和工裝的長期使用，我們將厚度定為80 mm。

對直棱直角處均進(jìn)行了倒角處理，根據(jù)吊頭的測繪數(shù)據(jù)和工裝各部位的尺寸計算數(shù)據(jù)，設(shè)計工裝的圖紙如圖6所示，實際加工工裝如圖7所示。

4 淬火起吊試驗

4.1 淬火裝卡

裝卡時，將軸平放，起吊工裝通孔和軸的連接處的螺紋孔對齊，將螺栓全部安裝，擰螺栓時交替擰緊，使其均勻受力。安裝完畢后用行車將齒輪軸豎立[2]。

4.2 淬火過程

淬火保溫時間到達(dá)后，準(zhǔn)備工作全部合格后進(jìn)行淬火，操作人員與行車人員配合，指揮夾鉗吊住齒輪軸對中油槽入油，工藝、調(diào)度全程現(xiàn)場跟蹤，以便對出現(xiàn)的意外情況進(jìn)行及時處理，淬火現(xiàn)場如圖8所示。

圖6 設(shè)計工裝圖紙 圖7 實際工裝

圖8 淬火現(xiàn)場

4.3 工裝拆卸和檢查

二次回火后，待零件冷至室溫將齒輪軸平放在場地上，將螺栓挨個拆掉，分離齒輪軸和工裝，對工裝和螺栓進(jìn)行檢查，工裝無變形和裂紋。

4.4 熱處理質(zhì)量檢測

回火后對齒頂硬度進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果滿足技術(shù)要求，如表2所示。

表2 齒輪軸硬度值 HRC

回火后對金相組織進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果滿足技術(shù)要求，如表3所示。

表3 齒輪軸金相組織

4.5 后續(xù)加工情況

齒輪軸滲碳淬火熱處理后，進(jìn)行磨齒工序，對齒部的變形進(jìn)行了跟蹤記錄，齒面磨齒余量分配如表4所示，零件變形與常規(guī)的滲碳淬火裝卡方式相當(dāng)，滿足后續(xù)加工和使用要求。

表4 齒面磨齒余量分配 mm

5 結(jié)論

(1) 該起吊工裝的關(guān)鍵技術(shù)在于高溫下工裝的安全性，根據(jù)高溫下材料的屈服強(qiáng)度和軸類的重量計算工裝各截面的強(qiáng)度，保證高溫起吊安全可靠；根據(jù)現(xiàn)有的夾鉗，設(shè)計了吊頭形式的起吊工裝，實現(xiàn)了工裝的快捷安裝和拆卸，避免了焊接的連接方式，提高了生產(chǎn)安全性。

(2) 對工裝的使用要求進(jìn)行了規(guī)范，每次工裝使用后進(jìn)行尺寸檢查和外觀檢查，如果長度方向發(fā)生拉伸，應(yīng)進(jìn)行探傷復(fù)檢是否有內(nèi)部裂紋。如果存在裂紋，進(jìn)行報廢處理；如果螺栓出現(xiàn)損傷，報廢處理。