王軍寧，騰磊軍

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

0 引言

乳化液馬達是一種以乳化液為介質(zhì)的新型設備，常用于礦下鉆機的驅(qū)動裝置［1］。礦下環(huán)境惡劣，鉆機開采面硬度不一致，乳化液馬達工作時常會受到?jīng)_擊。齒輪是馬達承受沖擊的主要部件，乳化液馬達采用一種非圓行星齒輪結(jié)構(gòu)，受加工方法、工藝等的限制，在受到?jīng)_擊時常會出現(xiàn)卡齒甚至斷齒的現(xiàn)象。不同于普通礦物油馬達，以乳化液為工作介質(zhì)的馬達潤滑性差，這對其耐沖擊性能及壽命進一步造成影響。為了提高乳化液馬達的耐沖擊性能，筆者對乳化液馬達齒輪的熱處理工藝及加工工藝進行了改進，選用兩種材料和不同的熱處理工藝分別進行試驗，選擇最佳方案。

1 熱處理及工藝流程的確定

乳化液馬達齒輪（如圖1）轉(zhuǎn)速高、承載重，用于鉆機驅(qū)動時還需承受一定的沖擊載荷。其齒輪性能應滿足以下要求［2］：1）表面具有較高的耐磨性和接觸疲勞強度，以使齒輪具有較高的壽命；2）心部具有較高的強度、塑性和韌性，以防止斷齒失效；3）心部具有較高的屈服強度，以保證心部及過渡層部發(fā)生塑性變形，使表面硬化層有足夠的支撐，以防止剝落。

改進前的乳化液馬達在勻速運轉(zhuǎn)時其強度及硬度能夠滿足要求，但遇劇烈沖擊時由于其韌性、塑性較低，經(jīng)常會發(fā)生卡齒、甚至斷齒的現(xiàn)象，不能滿足馬達的沖擊使用需求。

為使齒輪達到“心韌外硬”的性能要求，確定采用40Cr 進行表面淬火試驗，20CrMnTi 進行滲碳試驗，從中確定最佳方案。

圖1 乳化液馬達非圓行星齒輪系

1.1 表面淬火工藝

工藝路線：下料→鍛造→正火→車外圓（梅花齒）/車內(nèi)孔（方齒）→加工定位孔→線切齒形→調(diào)質(zhì)→表面淬火+低溫回火→磨端面→線切齒型、定位孔→車外圓（梅花齒）/車內(nèi)孔（方齒）。

鍛造目的為細化晶粒，改善組織，使材料致密度提高。

正火用于消除鍛造缺陷，改善組織，細化晶粒，調(diào)整硬度，改善切削加工性能。

調(diào)質(zhì)包括淬火和高溫回火?；鼗鸷笥捕葹?0～38HRC。目的為獲得較高強度、塑性、韌性的良好配合，使齒輪具有優(yōu)良的綜合機械性能。

表面淬火+低溫回火：目的是使齒輪表層具有高的硬度和耐磨性，心部有足夠的強度和韌性。齒輪表面硬度達到50～54HRC。

1.2 表面滲碳工藝

工藝路線：下料→鍛造→正火→車外圓（梅花齒）/車內(nèi)孔（方齒）→加工定位孔→線切齒形→鍍銅（不滲碳部分）→滲碳→淬火→低溫回火→磨端面→去銅→線切齒型、定位孔→車外圓（梅花齒）/車內(nèi)孔（方齒）。

滲碳工序中，要求滲碳層表面含碳量0.8%～1.05%，滲碳層厚度為1.8～2.3mm。

淬火工序中，滲碳后先在870～860℃預冷淬火，以減少淬火變形，再采用油冷。

低溫回火目的是降低應力和脆性，同時保持高硬度和耐磨性?；鼗鸷蟊砻嬗捕葹?8～64HRC，心部硬度為33～48HRC。

2 加工工藝改進

齒輪材料的表面淬火和滲碳工藝，都只限制在齒輪表面一定深度內(nèi)。如果將棒料整體熱處理后再線切出齒形，則會將有限厚度的“硬化層”完全切掉，使熱處理變得毫無意義。為此，筆者改變齒輪切割工藝，在熱處理前將齒形單邊放大預切輪廓。為保證齒輪二次切割時的重復定位精度，預切輪廓前，首先利用加工中心加工定位孔，當熱處理完成后，可利用定位孔重新定位，準確找準下刀位置。同時，對于梅花齒來講加工定位孔是以外圓作為基準（對于方齒來講加工定位孔是以內(nèi)孔作為基準），而齒形的位置又用定位孔確定，這樣就保證了齒形與外圓（方齒為內(nèi)孔）的同軸度。

3 試 驗

圖2 乳化液馬達測試平臺

3.1 測試平臺

乳化液馬達測試平臺主要由乳化液泵站、溢流閥、轉(zhuǎn)速/扭矩測量傳感器、磁粉制動器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率采集儀等設備組成。圖2為乳化液馬達測試平臺。乳化液馬達輸出軸通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)速/扭矩測量傳感器連接，轉(zhuǎn)速/扭矩測量傳感器的后端又與磁粉制動器連接。磁粉制動器是通過磁粉間的電磁吸力同工作面間的摩擦力產(chǎn)生制動功能的制動器，磁粉間的磁吸力的大小通過調(diào)節(jié)電流的強弱來完成。測試時，通過調(diào)節(jié)與磁粉制動器連接的直流電源的電流大小，控制磁粉抱軸力，由力矩平衡原理可知這個抱軸力即為馬達的輸出扭矩。

3.2 測試及數(shù)據(jù)

分別表面淬火工藝乳化液馬達和滲碳工藝乳化液馬達做試驗室模擬沖擊工況試驗。試驗時，在乳化液馬達高速運轉(zhuǎn)的情況下，瞬間增大磁粉制動器抱軸力，以此模仿乳化液馬達沖擊工況，觀察乳化液馬達運轉(zhuǎn)情況是否正常，并記錄此時馬達的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率和壓力，判斷馬達的耐沖擊情況。

表1為表面淬火工藝乳化液馬達測試數(shù)據(jù)，表2為滲碳工藝乳化液馬達測試數(shù)據(jù)。

表1 表面淬火工藝乳化液馬達測試數(shù)據(jù)

表2 滲碳工藝乳化液馬達測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

由試驗可以看出，兩種乳化液馬達在遇到?jīng)_擊、轉(zhuǎn)速突然降低的情況下，均能正常運轉(zhuǎn)，未出現(xiàn)卡齒、停轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這表明改變工藝后乳化液馬達的耐沖擊性能有所提高。

表面淬火工藝乳化液馬達和滲碳工藝乳化液馬達的耐沖擊性能均能滿足礦下使用要求。但表面淬火工藝乳化液馬達在材料成本、加工成本和生產(chǎn)效率三方面均優(yōu)于后者，所以筆者推薦采用表面淬火工藝作為今后乳化液馬達齒輪加工工藝。另外，工藝改進對乳化液馬達使用壽命的提高還需大量長期的測試數(shù)據(jù)進行支持。

［1］王軍寧，張麗華.非圓行星齒輪乳化液馬達及其展望［J］.機械工程師，2010（2）：121-122.

［2］唐世恭，李慧中.工程材料及成型工藝［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1996.