大型齒輪軸吊裝淬火工藝研究

2020-08-25 02:07:00張一坤陳進磊

機械工程與自動化 2020年4期

張一坤，陳進磊

(太原重型機械集團有限公司，山西太原 030024)

1 問題的提出

中大型軋機的減速機通常是在惡劣環境下高負荷運轉，對齒軸的齒部和零件本體的強度要求很高，因此齒輪軸大多都需要采用滲碳淬火熱處理。齒軸類零件滲碳淬火的熱處理裝卡方式通常是豎直地立裝在工裝料盤上，如圖1所示，豎直立裝可以控制齒輪軸的變形，滿足零件的后期加工。淬火時，利用行車起吊料盤中間的吊桿實現零件的進出爐子和油槽進行淬火。

井式滲碳爐深度在3 m以上的設備直徑通常較小，約在1.6 m左右，采用吊桿+料盤裝卡齒輪軸，實際可裝卡齒軸最大直徑約700 mm，對于3 m以上、直徑超過700 mm的軸類采用常規的裝卡方式無法進行滲碳淬火熱處理。針對長軸類的大型齒輪軸，目前熱處理廠家通常采用的方法是淬火前在軸端兩側焊接吊耳，如圖2所示，焊接完成后入爐進行升溫保溫，淬火時行車將起吊鏈條掛在吊耳上，起吊入油淬火。該方法有以下問題：①如果焊接存在缺陷，會在起吊過程產生脫離，存在安全隱患；②在零件上進行焊接，對零件焊接處的金相組織和硬度會產生影響，從而使產品質量存在隱患。針對大直徑長軸類零件，如何設計合理的起吊工裝，實現單體零件的高溫起吊，在現有設備中進行滲碳淬火熱處理，成為一個亟待解決的問題。

圖1 齒軸類零件裝卡方式圖2 焊接吊耳

2 試驗工件

選取的試驗件是大直徑人字齒輪軸，材料為17CrNiMo6 鋼，質量為10 000 kg，結構尺寸如圖3所示。齒輪軸最大直徑Φ985 mm，長度5 000 mm。技術要求: 齒部進行滲碳淬火處理，有效硬化層深度3.2 mm～3.8 mm，單邊余量0.50 mm，齒面硬度HRC58～HRC62，心部硬度HRC35～HRC42；顯微組織符合JB/T6141.3-1992《重載齒輪滲碳金相檢驗》標準要求。由于尺寸較大，該零件按照料盤裝卡的方法不能在廠內實現淬火。

3 工裝結構設計和強度計算

3.1 工裝結構設計

起吊工裝需完成長軸類零件在高溫狀態下的安全起吊，在實現零件淬火入油的情況下，保證不影響加熱和油冷均勻性。起吊工裝的功能是與夾鉗配合使用，將行車與零件連接起來，如圖4所示。參照現有吊桿的吊頭，設計類似的結構作為起吊工裝配合夾鉗的上部分。起吊工裝和零件進行結合主要有兩種方式：一種是通過焊接的方法，一種是通過螺栓或者銷軸等連接的方法。考慮到焊接容易存在缺陷，且對零件產品有影響的因素，決定采用第二種方法。而銷軸結構復雜，對工裝的消耗大，通過綜合考慮，決定使用螺栓連接的方法，設計的工裝雛形如圖5所示。齒輪軸淬火前在軸端面加工與起吊工裝匹配的螺紋孔，將工裝與齒輪軸裝配在一起入爐，淬火時行車起吊夾鉗抓取起吊工裝對齒輪軸進行淬火。

3.2 工裝材料選取

對于工裝材料的選取遵循滿足功能的前提下，盡量減少成本。起吊工裝高溫下反復使用，所以材料必須有好的冷熱疲勞性能，所以可選用耐熱鋼和含碳量≤0.3%的低碳鋼[1]?？紤]到兩種材料的成本，其中耐熱鋼約80元/kg～100元/kg，低碳鋼8元/kg。綜合考慮，選用Q345作為工裝材料。

圖4 起吊夾鉗圖5 起吊工裝雛形

3.3 強度計算和工裝尺寸確定

由于工裝是高溫使用，所以計算時需要用到材料高溫下的屈服強度，該強度是影響工裝使用安全的關鍵所在，我們進行了Q345材料的4組高溫屈服強度試驗，試驗數據如表1所示。

表1 Q345高溫屈服強度試驗結果

根據材料的高溫屈服強度和零件的重量，我們對工裝各部位的尺寸進行了概算。已知： 820℃的屈服強度為42 MPa ，零件重量為100 00 kg，要求專用工具的安全系數≥2。

(1) 吊頭脖子處的最小截面積Smin=98 000/(42×0.5)=4 666 mm2。

(2) 吊頭脖子處實際面積S=3.14×95×95=28 338 mm2>4 666 mm2，符合要求。

(3) 工裝與長軸用螺栓連接，螺栓的最小截面積≥4 666 mm2；M36螺栓的應力截面積=764 mm2，采用8個M36螺栓均布可滿足要求：764×8=6 112 mm2>4 666 mm2。

(4) 與長軸連接的圓板受剪切力許用的最小截面積S1min=98 000/(42×0.5×0.5)=18 667 mm2，螺栓與板的接觸周長L=193×8=1 544 mm，圓板厚度x=S1min/L=18 667/1 544=12 mm，考慮到高溫蠕變、受力不均勻和工裝的長期使用，我們將厚度定為80 mm。

對直棱直角處均進行了倒角處理，根據吊頭的測繪數據和工裝各部位的尺寸計算數據，設計工裝的圖紙如圖6所示，實際加工工裝如圖7所示。