李崇崇，趙瑞瑞，史亞妮，王凱歌

(洛陽LYC軸承有限公司 特大型軸承廠，河南 洛陽 471039)

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

某型號轉(zhuǎn)盤軸承齒圈結(jié)構(gòu)如圖1所示。技術(shù)要求為：模數(shù)5 mm，齒數(shù)336，齒高11.25 mm，齒寬47 mm。材料為42CrMo，齒輪表面淬火硬度≥48 HRC，齒面淬硬層深度≥1.5 mm，齒根淬硬層深度≥0.6 mm，非淬火區(qū)調(diào)質(zhì)硬度為229～269 HBW。

圖1 某型號轉(zhuǎn)盤軸承齒圈結(jié)構(gòu)示意圖

2 齒輪淬火方法的確定

常用的齒輪表面感應(yīng)淬火方法見表1。

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，對比表1分析，應(yīng)該選擇采用全齒回轉(zhuǎn)加熱淬火。但產(chǎn)品直徑為1 690 mm，目前國內(nèi)全齒回轉(zhuǎn)加熱淬火工件的最大直徑為1 500 mm，因此，實現(xiàn)全齒同時加熱淬火比較困難，感應(yīng)器的制作復(fù)雜，溫度控制不易實現(xiàn)，淬火操作難度大，質(zhì)量不易控制。

表1 常用齒輪中頻表面感應(yīng)淬火技術(shù)

研究后決定采用沿齒頂圓連續(xù)加熱淬火的方法，將全齒回轉(zhuǎn)加熱淬火的大型齒圈進(jìn)行分割，對幾個齒同時進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火，以降低功耗，簡化感應(yīng)器設(shè)計，便于對溫度、操作及淬火質(zhì)量的控制。

3 沿齒頂圓連續(xù)加熱淬火工藝

3.1 齒輪的預(yù)處理

轉(zhuǎn)盤軸承齒圈在粗車后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，為淬火做好組織上的準(zhǔn)備，同時保證非淬火區(qū)的硬度達(dá)到要求，最大限度消除鍛造、粗車等前工序中產(chǎn)生的加工應(yīng)力，減小淬火變形。由于產(chǎn)品外徑大，壁厚小，因此在齒圈表面淬火前和插齒工序后增加回火工序，回火溫度為170 ℃，保溫時間為4 h，以消除半精加工工序產(chǎn)生的應(yīng)力。

3.2 淬火介質(zhì)的選擇

選用PAG有機淬火介質(zhì)，其可以完全溶于水，同時具有一定的防銹性。使用該淬火介質(zhì)高溫區(qū)冷卻速度快，低溫區(qū)冷卻速度慢，可以通過調(diào)節(jié)淬火介質(zhì)濃度實現(xiàn)不同的低溫冷卻速度。合理的低溫冷速既可保證足夠的有效硬化層深度和均勻性，又能防止淬火裂紋的產(chǎn)生?？紤]到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪模數(shù)小，淬火冷卻速度快，經(jīng)過長期試驗，選擇淬火介質(zhì)濃度為10%～15%。

3.3 感應(yīng)加熱設(shè)備選擇

3.3.1 淬火頻率

中頻感應(yīng)加熱常用頻率為2 500～8 000 Hz，淬硬層深度小于10 mm。根據(jù)(齒圈)齒面、齒根淬火的要求，經(jīng)過反復(fù)試驗，選擇感應(yīng)加熱的最佳頻率為6 000～8 000 Hz。

3.3.2 淬火功率

齒輪淬火加熱功率為

P總=ΔPS，

(1)

式中：P總為齒輪加熱所需總功率，kW；ΔP為齒輪加熱的功率因數(shù)，kW/cm2，根據(jù)淬硬層深度要求，齒輪模數(shù)和加熱頻率，選擇經(jīng)驗值0.9；S為齒輪受熱等效面積，cm2。

S=1.2πDpB，

(2)

式中：Dp為齒輪節(jié)圓直徑，cm；B為齒輪寬度，cm。

齒加熱所需功率為

P齒=(P總/N)×n，

(3)

式中：P齒為齒加熱所需總功率，kW；N為總齒數(shù)；n為同時加熱齒數(shù)(連續(xù)加熱淬火，同時加熱齒數(shù)為3)。

由(1)～(3)式計算得出P齒≈25 kW。因此，選用現(xiàn)有的表面淬火設(shè)備GC13600，其輸出功率為150 kW，頻率2 000～8 000 Hz，可以滿足齒輪表面淬火要求。

3.4 淬火感應(yīng)器

感應(yīng)器銅管采用Φ16 mm×12 mm紫銅管，主銅管安裝導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體厚度H=B-2E，耦合間隙E=3～5 mm，如圖2所示。

圖2 感應(yīng)器耦合間隙

3.5 淬火工藝參數(shù)

根據(jù)淬火硬化層分布及深度要求，固定加熱頻率和冷卻方式，通過改變加熱功率、冷卻速度和預(yù)冷距離來實現(xiàn)不同的工藝參數(shù)下沿齒頂圓連續(xù)加熱淬火的工藝試驗，部分參數(shù)見表2。

表2 沿齒頂圓連續(xù)加熱淬火試驗參數(shù)

4 淬火質(zhì)量檢測

經(jīng)過磁粉探傷檢測，齒輪表面無裂紋，硬度合格。硬化層剖切如圖3、圖4所示，可以看出，硬化層分布均勻，滿足了全齒硬化，齒根部分硬化的要求，檢測結(jié)果見表3。

圖3 2#工藝淬后中部剖切圖

圖4 4#工藝淬后中部剖切圖

表3 齒輪硬度及硬化層深度檢測結(jié)果

5 結(jié)束語

采用沿齒頂圓連續(xù)加熱淬火工藝，可以實現(xiàn)模數(shù)≤6 mm的超大直徑齒輪的表面淬火，彌補了全齒回轉(zhuǎn)加熱淬火對齒圈尺寸限制的不足。

需要注意的是，在沿齒頂圓連續(xù)加熱淬火的過程中，要保證淬火介質(zhì)的流量，同時控制淬火介質(zhì)的噴施壓力，減緩冷卻速度，以避免淬火裂紋的產(chǎn)生。