雙曲面雕刻機床

作者：張仙平，張楠，張凱，等

單位：第一拖拉機股份有限公司熱處理廠

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志

準雙曲面齒輪（見圖1）用來傳遞兩相交軸或相錯軸之間的運動和動力，是實現(xiàn)相交、相錯軸運動傳遞的基礎(chǔ)元件。由于其傳遞具有重合度大、承載能力高、傳動效率高、傳動平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于車輛、飛機、機床和各種機械產(chǎn)品中。

作為面嚙合齒輪在熱處理過程中要嚴格控制其淬硬層深度、表面和心部的淬火硬度、內(nèi)外翹曲。我廠該種準雙曲面齒輪的生產(chǎn)是在連續(xù)滲碳淬火線上進行，零件滲碳完成后，進入恒溫室保溫，之后按照每批次兩件的頻率進入壓床進行壓淬。這種方式生產(chǎn)的零件心部硬度和內(nèi)外翹曲很難滿足圖樣要求。而且由于出零件時恒溫室爐門頻繁開啟，極易造成零件氧化、脫碳，致使零件的合格率非常低。

針對此種情況，我們將滲碳后的齒輪改用感應(yīng)加熱加壓淬的方法進行淬火，但是現(xiàn)有的感應(yīng)設(shè)備在采購調(diào)試時所用電源、感應(yīng)器等皆只考慮了幾種尺寸小、重量輕的零件，像本文所述的該準雙曲面齒輪尺寸、重量均相對較大，感應(yīng)加熱所需功率已超出該生產(chǎn)線的能力范圍，但是為了節(jié)約成本，在不更換電源的情況下，需要摸索出一套適合的工藝來滿足該種零件在新設(shè)備上的生產(chǎn)。

1.該齒輪的技術(shù)要求

（1）材料、滲層、組織 零件材料22CrMoH，齒面有效硬化層深：1.4～1.7mm，碳化物、殘留奧氏體、馬氏體小于等于4級，心部鐵素體小于等于5級。

（2）硬度要求 齒面硬度58～64HRC，心部硬度31～44HRC。

（3）變形要求 內(nèi)孔橢圓度不大于0.12mm，內(nèi)外翹小于等于0.10mm。

2.工藝難點及方案討論

新的壓淬線主要通過感應(yīng)加熱+壓淬的方法完成生產(chǎn)。該感應(yīng)加熱設(shè)備采用雙電源加熱，左電源額定功率150kW，主要加熱齒輪外圈。右電源額定功率200kW，主要加熱齒輪內(nèi)圈。經(jīng)計算本文所調(diào)試齒輪想要一次加熱完成所需功率為1084kW，遠超過設(shè)備的額定功率。圖3所示是零件加熱所用感應(yīng)器。

因此，在新的壓淬線上完成該種零件的生產(chǎn)，除設(shè)備料盤、機械臂抓手等尺寸需要調(diào)整外，最大的難點在于壓淬線的電源功率不足引起的一系列問題，主要有以下兩方面：①在現(xiàn)有條件下，功率頂格調(diào)試，零件一次性加熱到淬火溫度約需110s。根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗，零件加熱時間超過70s表面易出現(xiàn)氧化脫碳。②零件底部有凹型臺階不易加熱，造成零件加熱不透，淬火后臺階處心部硬度偏低，如圖4紅色圓圈所示位置。

針對以上的問題，通過理論計算和不斷的調(diào)試試驗，制定如下調(diào)試方案：

（1）在現(xiàn)有的箱式爐里完成零件的滲碳過程，緩冷，之后由壓淬線進行感應(yīng)加熱和壓淬。

（2）零件采用分段加熱法。加熱一段時間，停止加熱，使熱量向零件內(nèi)部傳導(dǎo)，通過觀察零件加熱過程中顏色的變化，了解加熱溫度。確保前幾段加熱溫度控制在600℃以內(nèi)，最終加熱到淬火溫度的時間不超過70s，以保證零件不會氧化脫碳。如圖5所示。

（3）零件感應(yīng)加熱完成后直接放入淬火壓床進行壓淬。

按照上述方案調(diào)試時，為縮短加熱時間，設(shè)備功率頂格調(diào)試，以至于在第二段加熱過程中經(jīng)常出現(xiàn)跳閘的現(xiàn)象。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)設(shè)備跳閘主要集中在感應(yīng)磁場最強的階段，即加熱溫度達到零件居里后，零件的相對磁導(dǎo)率急劇下降，電流變大，超過設(shè)備的保護電流，造成跳閘。

根據(jù)上述情況，降低加熱功率、延長加熱時間，控制設(shè)備電參數(shù)在正常范圍之內(nèi)，以確保設(shè)備正常加熱和安全生產(chǎn)。經(jīng)過多輪調(diào)試后，得出如表1所示試驗參數(shù)。從表中可以看出，采用此種試驗方法后，零件表面的脫碳得到有效控制，且零件齒上的各項指標皆滿足技術(shù)要求。

表1 分段加熱參數(shù)及檢驗結(jié)果

經(jīng)過以上的調(diào)試，齒面的結(jié)果皆滿足技術(shù)要求，但是齒輪臺階處心部組織中有大量因加熱不透造成的塊狀未溶鐵素體。

感應(yīng)加熱過程中，加熱的效率主要與磁通密度相關(guān)，因此在內(nèi)環(huán)感應(yīng)器上加裝導(dǎo)磁體，從而集中磁通密度和控制磁通方向，使磁感器外側(cè)電流驅(qū)向內(nèi)側(cè)借此提高加熱效率。加裝導(dǎo)磁體前后的檢驗結(jié)果見表2。

表2 加裝導(dǎo)磁體前后的檢驗結(jié)果

3.零件結(jié)果檢驗

根據(jù)以上調(diào)試結(jié)果，調(diào)整參數(shù)（見表3），重新調(diào)試零件。調(diào)試完成后對該零件進淬火組織、有效硬化層深、變形情況進行全面檢驗。

表3 零件最終調(diào)試參數(shù)

（1）淬火組織檢驗

根據(jù)標準切取齒形試樣，分別對齒頂、節(jié)圓、齒根和齒心部的組織進行評級，評級結(jié)果：①齒頂，如圖6所示，針狀馬氏體（針長0.0125mm，四級），少量殘留奧氏體（二級）無碳化物。②節(jié)圓，如圖7所示，針狀馬氏體（針長0.01mm，三級），少量殘留奧氏體（一級），無碳化物。③齒根，如圖8所示，針狀馬氏體（針長0.0125mm，四級），少量殘留奧氏體（一級），無碳化物。④心部，如圖9所示，板條馬氏體+貝氏體，無鐵素體。

（2）硬度檢測

利用洛氏硬度計對齒心部和表面進行硬度檢測，心部硬度39～39.5HRC，表面硬度63～63.5HRC，均滿足技術(shù)要求。有效硬化層深為1.65mm，滿足技術(shù)要求，并且與之前的滲碳完直接淬火的層深相比基本一致（見圖10）。

（3）變形檢測 內(nèi)孔橢圓度0.10mm，大端面外翹0.07mm，滿足技術(shù)要求。

4.結(jié)語

通過以上檢驗結(jié)果可知，采用該工藝生產(chǎn)的零件均能滿足技術(shù)條件的要求。目前該工藝已成功應(yīng)用于準雙曲面齒輪零件的批量生產(chǎn)。

6月初

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