從動齒輪斜齒感應(yīng)淬火工藝研制與應(yīng)用

張寶坤 胡曉飛 李曉慧

摘要：介紹某型機(jī)車從動齒輪斜齒感應(yīng)淬火的工藝研制過程，攻克了斜齒淬火感應(yīng)器、數(shù)控機(jī)床斜齒程序設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，通過工藝試驗(yàn)確定合理的工藝參數(shù)，理化檢測結(jié)果達(dá)到技術(shù)要求，從動齒輪投入生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：從動齒輪斜齒;中頻淬火;感應(yīng)器;數(shù)控機(jī)床

引言

從動齒輪是機(jī)車走行部分的重要部件，要求齒面有較高的耐磨能力和良好的心部機(jī)械性能，目前鐵路機(jī)車從動齒輪采用滲碳淬火和感應(yīng)淬火是主流的熱處理方式，而感應(yīng)淬火以其生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源、環(huán)境污染小、以及易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)廣泛使用。我公司生產(chǎn)的某型機(jī)車的從動齒輪采用斜齒設(shè)計(jì)，與以往直齒從動齒輪的結(jié)構(gòu)有很大不同，對設(shè)備、工裝、工藝提出了更高要求。

1熱處理工藝的總體制訂

從動齒輪采用42CrMo中碳合金鋼，屬于斜齒圓柱齒輪，分度圓直徑985mm，螺旋角達(dá)到24°37′，熱處理采用調(diào)質(zhì)+中頻感應(yīng)淬火工藝。2從動齒輪熱處理技術(shù)要求

齒面淬火硬度HRC52～58，齒面硬化層深度：2～4mm，齒根硬化層深度：1～3mm。

3熱處理關(guān)鍵技術(shù)：

3.1斜齒感應(yīng)器的設(shè)計(jì)

斜齒感應(yīng)器設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)中頻加熱的關(guān)鍵，感應(yīng)器端面與斜齒端面仿形，主體是由整塊紫銅加工而成，外形做成齒谷形，中間銑一溝槽，便于裝放硅鋼片導(dǎo)磁體，上下兩塊之間連接的是鼻子，用來加熱齒根，上下兩塊及鼻子都鉆有通孔，以便通水冷卻，硅鋼片的作用是產(chǎn)生驅(qū)流效應(yīng)，將磁力線集中齒根及齒面，以提高感應(yīng)器效率。感應(yīng)器的鼻部做成等腰梯形，根據(jù)從動齒輪齒廓尺寸及齒根與感應(yīng)器間隙，精心計(jì)算出鼻部截面尺寸，通水孔直徑，前端厚度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并使硅鋼片延伸至鼻部前端，實(shí)踐證明，該感應(yīng)器設(shè)計(jì)相當(dāng)合理，在工作中齒面和齒根加熱均勻，更重要的是最薄弱的齒根部分都強(qiáng)化的很好。感應(yīng)器外形見圖1。

3.2保護(hù)油嘴的設(shè)計(jì)

保護(hù)油嘴的作用是使已淬火的齒面不被高溫回火而使硬度降低，因此它的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及安裝方式對最終產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。保護(hù)油嘴采用固定安裝方式，它的底座與淬火機(jī)床油嘴底座配合，設(shè)計(jì)時要充分考慮到它周圍感應(yīng)器、匯流板的位置，以免發(fā)生接觸。保護(hù)油嘴在從動齒輪感應(yīng)器都安好后最后進(jìn)行位置調(diào)整，它與齒輪齒頂接觸，成一條斜線，齒輪齒頂運(yùn)行軌跡完全通過該條斜線，油嘴的寬度、與齒頂角度、以及安裝高度采用經(jīng)驗(yàn)值，在實(shí)際生產(chǎn)中要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3.3機(jī)械動作的實(shí)現(xiàn)

淬火機(jī)床采用數(shù)控機(jī)床，走行部分由伺服電機(jī)驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)上下移動以及旋轉(zhuǎn)動作，控制部分采用西門子SINUMERIK802S控制器，為實(shí)現(xiàn)斜齒機(jī)械動作，編制了一套控制程序，其核心是XY軸的合成計(jì)算，控制過程如下：調(diào)整從動齒輪到適當(dāng)位置→控制程序啟動→從動齒輪上行脫離感應(yīng)器→到準(zhǔn)備淬火位置（延時幾秒鐘）→下行進(jìn)入感應(yīng)器同時開始加熱→下行脫離感應(yīng)器同時停止加熱→旋轉(zhuǎn)到下一個齒位置同時在油中停留一段時間進(jìn)行充分冷卻→繼續(xù)上行穿過感應(yīng)器到準(zhǔn)備加熱位置→重復(fù)上面過程，對所有齒進(jìn)行淬火，最后齒輪上行到吊出位置，整個淬火過程完畢。實(shí)踐證明控制程序精確可靠，操作便利，生產(chǎn)效率高。部分控制程序如下：

JC01.MPF

N10G01G91X6.509Y120F400

N20L04P87

N30M10

N40G01G91X-8.841Y-163F200

N50M11

N60G01G91X4.083F30

N70G04F3

N80G01G91X8.841Y163F500

N90G00G90Y350

N100M02

3.4齒端淬火盲區(qū)

感應(yīng)器在進(jìn)入齒輪入端和出端時，由于磁力線發(fā)散，造成齒根溫度低形成淬火盲區(qū)，而齒輪在工作時受到較高的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力作用，因此在淬火盲區(qū)處最容易失效而造成斷齒，為減少淬火盲區(qū)，采取如下方法：

3.4.1感應(yīng)器在接近齒輪端部時提前通電。

3.4.2調(diào)整油嘴上下位置、角度、以及油壓，使之既能保護(hù)已淬火部位不被高溫回火，又使淬火油不大量進(jìn)入齒溝。

A—A????????????????????????????????????????? B— B??????????? ??????????????????????????????C—C

表面硬度（HV5? ）????? 603???? 表面硬度（HV5? ）???? 598???? 表面硬度（HV5? ）???? 583

淬硬層深度（mm）?? 3.70? 淬硬層深度（mm）?? 3.60? 淬硬層深度（mm）?? 3.35

心部硬度（HV5? ）????? 262???? 心部硬度（HV5? ）????? 259???? 心部硬度（HV5? ）????  252

3.4.3調(diào)整感應(yīng)器與齒根間隙及進(jìn)行電壓調(diào)整。

4工藝試驗(yàn)、優(yōu)選最佳工藝應(yīng)用

從動齒輪進(jìn)行了三種不同參數(shù)的工藝試驗(yàn)，之后進(jìn)行解剖、理化檢驗(yàn)，從中優(yōu)化出最佳工藝。

4.1電壓的選擇

電壓決定著輸出功率，選擇：450V、475V、500V進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2淬火速度的選擇：

齒部淬火時，采用連續(xù)淬火方式，故需進(jìn)行淬火速度的選擇，選擇2.5mm/s、3.3mm/s、4mm/s速度進(jìn)行試驗(yàn)。

4.3與齒根間隙的選擇

間隙決定齒根硬化后深度，選擇0.8、1.0、1.2mm進(jìn)行試驗(yàn)：

經(jīng)過各種工藝試驗(yàn)，制定出如下的工藝：

電壓：475V，電流：75A，功率因數(shù)：0.92，輸出功率：30KW，

淬火速度：3.3mm/s，齒根間隙：1.0mm。

用此工藝淬火后，經(jīng)180℃、1.5h回火，完成熱處理過程。

5金相檢驗(yàn)報(bào)告

5.1硬度梯度測試

對送檢的齒輪解剖試樣進(jìn)行硬度梯度檢測，測試部位見圖2，測試結(jié)果見下表。

5.2金相檢驗(yàn)

5.2.1宏觀檢驗(yàn)

齒面淬硬層宏觀形貌見圖2

5.2.2金相組織

淬硬層、過渡層、心部組織見下表及圖3。

6結(jié)論

該從動齒輪斜齒感應(yīng)淬火熱處理工藝完全滿足了圖紙的技術(shù)要求，熱處理后的從動齒輪性能優(yōu)良，熱處理工藝達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。該工藝已運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)，完全滿足鐵路機(jī)車重載的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]劉志儒等.金屬感應(yīng)熱處理（上冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985

[2]劉云旭.金屬熱處理原理.[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985