提高大模数回转支承齿轮中频淬火质量的措施

王玉良 刘振超

(柳州铁道职业技术学院，广西 柳州545007)

回转支承是工程机械、建筑机械、港口机械、起重机械、风力发电等行业中常用的组件，它主要由相对回转的内外圈、钢球、隔离块等零件装配而成。由于结构的特殊性，回转支承产品质量的好坏将直接影响到主机的使用效率。尤其是在工程机械的挖掘机应用方面，回转支承产品质量的可靠性通常被主机厂看着最重要的技术质量控制点之一。一旦回转支承出现故障，就需要拆卸挖掘机上平台的驾驶室、操作系统的管路、发动机、油箱、上平台等大件，工作量很大，同时还需要借助起吊设备，给野外作业带来极大不便。

1 目前回转支承在加工制造方面存在的问题

挖掘机回转支承的齿圈一般为内齿圈，其加工工艺流程为:锻造—粗车—调质—半精车—滚道淬火—检验—校形—钻孔—精车—滚齿—齿面淬火—检验—磨削—表面处理。

在齿面淬火环节中，通常会出现淬硬层厚度不均匀、尖角效应、集肤效应、环状效应等问题，大大影响了回转支承的寿命。

2 影响回转支承制造质量的关键因素

2.1 影响回转支承齿轮制造质量的关键因素

在制造技术方面，回转支承的寿命主要依赖于回转支承内、外圈的滚道和齿轮的质量，由于技术的发展，滚道加工及淬火技术日趋完善，因此回转支承的质量主要取决于齿轮的中频淬火质量，其淬火质量主要表现在淬硬层厚度及其形状分布、硬度、裂纹状况、淬火组织等几个方面。

回转支承的内、外圈材质一般选用50Mn，其滚道、齿部要求热处理淬火，滚道淬硬层3～5 mm，硬度55～60 HRC;齿根淬硬层大于1.2～2 mm，齿轮轮廓淬硬层大于2.2～3 mm，硬度50～60 HRC。为满足淬硬层的深度要求，适宜采用中频感应淬火设备来实现。

2.2 中频淬火是回转支承齿轮热处理的主要方法

中频感应加热淬火是利用频段为4～10 kHz 赫兹的I GBT 或可控硅中频电源，借助铜管挤压弯曲成形的感应器对工件进行局部快速加热，同时采用PAG 淬火液进行快速冷却(见图1)，以改变工件材料的金相结构、得到马氏体的过程。

图1 中频感应加热淬火

图2 齿轮淬火机床

感应加热速度越快，相变进行最激烈的温度和完成相变的温度越高，钢的临界点亦随加热速度的增大而提高;在同样的加热温度下，加热速度越快，所得奥氏体晶粒也越细。

相同的材料，感应加热表面淬火的硬度比普通加热淬火高2～3 HRC，且马氏体细小，因此耐磨性及疲劳强度大大提高。

3 选择或设计合适的淬火设备保证热处理质量

3.1 选择合适的淬火设备

不同参数的齿轮，其淬火设备的参数选择有所不同。我们以模数m=12 mm，齿数Z=91 mm，齿宽b=90 mm 的22 t 挖掘机回转支承齿轮淬火作为研究对象。

回转支承要求齿轮淬火硬度均匀，因此，我们与设备生产厂商联合设计了一台高回转精度的齿轮淬火机床(见图2)来进行感应淬火。

该淬火机床的特点是:淬火感应器在数控机床的控制下，可做上、下移动，前、后移动，工件固定在回转工作台上，通过数控编程控制，随工作台做均匀的回转运动，克服了由于感应器与轮齿左右间隙不均造成的热处理缺陷。

3.2 感应器的设计

感应器的设计应保证工件表面淬硬层分布均匀、设备电效率高;且感应器本身需要有足够的机械强度、刚度、易于制造、方便操作的特点。结合回转齿轮连续加热时间长、淬硬层深、淬硬层分布均匀的特性，我们将感应器设计成仿齿形的回路式样(见图3)。

图3 仿齿形的感应器和喷水器

3.3 喷水器的设计

为保证冷却均匀，将喷水器也设计成仿齿形状(见图3)，并在其上钻削大小均匀的小孔，这些小孔与水平方向成一定角度，以便水射流对工件的有效冷却。

3.4 挡水板的设置

为防止感应器在上端停顿的过程中水流散射(见图1)，减弱冷却效果，导致齿轮上端淬硬层偏厚的淬火缺陷，我们采用线切割或插齿的加工方式制作一个与淬火齿轮齿数相同的圆环形挡水板，挡水板的齿轮廓与淬火齿轮的齿轮廓周边距离为3～5 mm，挡水板的厚度为10 mm 左右。在装夹淬火齿轮时，将挡水板放置在齿轮上端并一起装夹。

4 选择合适的中频感应淬火工艺参数控制质量

中频感应淬火工艺成本低、效率高。为提高齿轮强度和表面的耐磨性，中频感应淬火已成为重载齿轮常见的热处理方法之一。但如果中频感应淬火的工艺参数控制不当，就会出现不良的效果，如齿轮淬火后出现裂纹，使用中出现打齿、断齿等现象。为解决这些问题，必须对感应淬火工艺过程进行有效控制。

影响齿轮强度和裂纹的因素很多，如原材料、淬火液的选择与配比、工艺参数的选择等。为提高中频感应淬火后的齿轮强度，消除齿轮淬火裂纹，我们有必要对淬火设备的工艺参数进行有效的设定。

4.1 原材料中化学成分的控制

原材料化学成分如表1。

表1 原材料化学成分

4.2 齿轮中频感应淬火工艺参数的设定

(1)淬火加热温度的设定。材料的原始组织晶粒越细，其淬火温度就越低;若原始组织晶粒越粗，则淬火温度越高。现将淬火加热温度定为920 ℃左右;

(2)感应器相对于齿轮的上下移动速度设定为3～3.3 mm/s，这一运动速度由数控编程实现;感应器相对于齿轮的上下移动速度分为三段，齿宽下端的30 mm 按3.3 mm/s 速度运行，齿宽上端的30 mm 按3 mm/s 速度运行，其余按2.5 mm/s 速度运行，整个变速运动由数控编程实现。

(3)感应器与轮齿的左右间隙设定为1～1.1 mm，感应器尖部与齿轮根部间隙1.8～2 mm。

(4)喷水器位置设定。喷水器上端紧贴感应器下端，并且在感应器的左右两端添加喷水头(见图3)，增加冷却效果，防止淬火后表面回火变软。

(5)冷却方式及淬火液。对于工件为50Mn 的材料，防止淬火产生裂纹，采用PAG 水基淬火剂作为冷却淬火液，浓度选择为8%～8.5%。考虑工件的材料、加热方式和淬硬层深度等，齿轮淬火的冷却方式采取连续喷射淬火液冷却。

(6)电源电参数设定。频率8 kHz，直流电压500 V，直流电流100 A。即功率控制在50～55 kW 左右。

(7)感应器预热与停顿时间设置

感应器由齿厚的下端往上端移动，预热齿部下端时间为3.6 s，感应器上端停留时间为0.8 s。

5 齿轮中频淬火的工艺试验

调整好淬火感应器与齿轮齿廓的位置及左右间隙，启动冷却水泵，启动淬火机床，感应器预热6 s ，然后由下向上行走，齿厚下端的30 mm 按3.3 mm/s速度运行，齿厚中部按2.5 mm/s 速度运行，齿厚上端的30 mm 按3 mm/s 速度运行，同时感应器下端的喷水器将淬火液喷至齿轮轮廓的两侧面，左、右两端的喷水头喷射冷却液至相邻轮齿的两侧;感应器至工件上端面时，停留0.8 s，然后迅速提升15～20 mm，喷水器继续喷淋工件，使工件充分冷却;回转工作台回转一个齿，感应器下降，预热齿部下端6 s ，然后按程序向上行走，重复以上动作直至整个齿轮淬火完毕。

为减小淬火给齿轮带来的热处理变形量，亦可采用交叉齿淬火的方法进行齿轮淬火。在齿轮淬火完成后，需对工件的齿部进行探伤处理。为使轮齿心部能承受一定冲击载荷，还需对齿轮进行回火处理，以获得50～60 HRC 的硬度值，使齿轮具有较好的耐磨性及抗胶合能力。低温回火的工艺参数为在200～210 ℃回火炉中保温2～3 h。

6 质量检验结果

(1)淬硬层的硬度检测。用强酸对检测部位进行处理，再用砂纸将测试部分打磨，借助便携式手提硬度检测仪，对淬硬层的硬度进行检测，结果为55～58 HRC，满足质量标准要求。

(2)切片检测淬硬层厚度。用线切割的方法，将要检测的齿部切开。切片之后，将试块表面腐蚀并抛光，就可以看见淬硬层与非淬硬层间的明显分界线，经测量发现，轮齿根部淬硬层达到了≥1.2～2 mm，齿面淬硬层深度≥2.2～3 mm(见图4)。齿轮轮廓淬火部分硬度55～60 HRC，淬硬层深度达到设计要求，且淬硬层深度均匀。

(3)裂纹情况检查。将齿轮部分清洗干净，吹干后喷射药剂检测无裂纹出现，在显微镜下观察，无尖角效应、集肤效应、环状效应等问题。

图4

7 结语

影响大模数齿轮淬火质量的因素是多方面的。通过选择或设计合适的数控淬火设备，保证齿轮回转分度均匀，解决齿轮左右齿廓面淬火厚度的均匀性问题;选择合适的加热频率及设备的直流、电压值，可控制齿轮淬火有效温度;调整感应器与齿轮间隙的设定值及感应器的移动速度，可解决齿面淬火环节中出现的淬硬层厚度不均匀、尖角效应、集肤效应、环状效应等热处理难题;调整喷水器位置、水流大小及挡水板的设置，可以控制淬硬层深度，同时消除淬火裂纹;选择合适的低温回火温度及保温时间，可以消除热处理应力、减小淬火齿轮的变形量，同时得到细小的奥氏体晶粒，最大可能地提高了齿轮的耐磨性及抗疲劳强度。

［1］国家机械工业局. 中华人民共和国机械行业标准:回转支承. JB/T 2300—1999［S］. 北京:机械科学研究所，1999.

［2］王祥东.回转支承中频感应淬火工艺应用［J］. 机械工人:热加工，2005(4):47 -48.

［3］沈庆通. 齿轮感应淬火进展［J］. 机械工人:热加工，2004(11):14 -17.

［4］李丽.回转齿轮中频感应淬火开裂原因分析［J］. 山东机械，2005(4):22 -28.