從動齒輪斜齒感應淬火工藝研制與應用

張寶坤 胡曉飛 李曉慧

摘要：介紹某型機車從動齒輪斜齒感應淬火的工藝研制過程，攻克了斜齒淬火感應器、數控機床斜齒程序設計等關鍵技術，通過工藝試驗確定合理的工藝參數，理化檢測結果達到技術要求，從動齒輪投入生產。

關鍵詞：從動齒輪斜齒;中頻淬火;感應器;數控機床

引言

從動齒輪是機車走行部分的重要部件，要求齒面有較高的耐磨能力和良好的心部機械性能，目前鐵路機車從動齒輪采用滲碳淬火和感應淬火是主流的熱處理方式，而感應淬火以其生產效率高、節約能源、環境污染小、以及易于實現自動化等優點廣泛使用。我公司生產的某型機車的從動齒輪采用斜齒設計，與以往直齒從動齒輪的結構有很大不同，對設備、工裝、工藝提出了更高要求。

1熱處理工藝的總體制訂

從動齒輪采用42CrMo中碳合金鋼，屬于斜齒圓柱齒輪，分度圓直徑985mm，螺旋角達到24°37′，熱處理采用調質+中頻感應淬火工藝。2從動齒輪熱處理技術要求

齒面淬火硬度HRC52～58，齒面硬化層深度：2～4mm，齒根硬化層深度：1～3mm。

3熱處理關鍵技術：

3.1斜齒感應器的設計

斜齒感應器設計是實現中頻加熱的關鍵，感應器端面與斜齒端面仿形，主體是由整塊紫銅加工而成，外形做成齒谷形，中間銑一溝槽，便于裝放硅鋼片導磁體，上下兩塊之間連接的是鼻子，用來加熱齒根，上下兩塊及鼻子都鉆有通孔，以便通水冷卻，硅鋼片的作用是產生驅流效應，將磁力線集中齒根及齒面，以提高感應器效率。感應器的鼻部做成等腰梯形，根據從動齒輪齒廓尺寸及齒根與感應器間隙，精心計算出鼻部截面尺寸，通水孔直徑，前端厚度等關鍵數據，并使硅鋼片延伸至鼻部前端，實踐證明，該感應器設計相當合理，在工作中齒面和齒根加熱均勻，更重要的是最薄弱的齒根部分都強化的很好。感應器外形見圖1。

3.2保護油嘴的設計

保護油嘴的作用是使已淬火的齒面不被高溫回火而使硬度降低，因此它的設計結構及安裝方式對最終產品質量產生重要影響。保護油嘴采用固定安裝方式，它的底座與淬火機床油嘴底座配合，設計時要充分考慮到它周圍感應器、匯流板的位置，以免發生接觸。保護油嘴在從動齒輪感應器都安好后最后進行位置調整，它與齒輪齒頂接觸，成一條斜線，齒輪齒頂運行軌跡完全通過該條斜線，油嘴的寬度、與齒頂角度、以及安裝高度采用經驗值，在實際生產中要進行相應的調整。

3.3機械動作的實現

淬火機床采用數控機床，走行部分由伺服電機驅動，可實現上下移動以及旋轉動作，控制部分采用西門子SINUMERIK802S控制器，為實現斜齒機械動作，編制了一套控制程序，其核心是XY軸的合成計算，控制過程如下：調整從動齒輪到適當位置→控制程序啟動→從動齒輪上行脫離感應器→到準備淬火位置（延時幾秒鐘）→下行進入感應器同時開始加熱→下行脫離感應器同時停止加熱→旋轉到下一個齒位置同時在油中停留一段時間進行充分冷卻→繼續上行穿過感應器到準備加熱位置→重復上面過程，對所有齒進行淬火，最后齒輪上行到吊出位置，整個淬火過程完畢。實踐證明控制程序精確可靠，操作便利，生產效率高。部分控制程序如下：

JC01.MPF

N10G01G91X6.509Y120F400

N20L04P87

N30M10

N40G01G91X-8.841Y-163F200

N50M11

N60G01G91X4.083F30

N70G04F3

N80G01G91X8.841Y163F500

N90G00G90Y350

N100M02

3.4齒端淬火盲區

感應器在進入齒輪入端和出端時，由于磁力線發散，造成齒根溫度低形成淬火盲區，而齒輪在工作時受到較高的彎曲應力和接觸應力作用，因此在淬火盲區處最容易失效而造成斷齒，為減少淬火盲區，采取如下方法：

3.4.1感應器在接近齒輪端部時提前通電。

3.4.2調整油嘴上下位置、角度、以及油壓，使之既能保護已淬火部位不被高溫回火，又使淬火油不大量進入齒溝。

A—A????????????????????????????????????????? B— B??????????? ??????????????????????????????C—C

表面硬度（HV5? ）????? 603???? 表面硬度（HV5? ）???? 598???? 表面硬度（HV5? ）???? 583

淬硬層深度（mm）?? 3.70? 淬硬層深度（mm）?? 3.60? 淬硬層深度（mm）?? 3.35

心部硬度（HV5? ）????? 262???? 心部硬度（HV5? ）????? 259???? 心部硬度（HV5? ）????  252

3.4.3調整感應器與齒根間隙及進行電壓調整。

4工藝試驗、優選最佳工藝應用

從動齒輪進行了三種不同參數的工藝試驗，之后進行解剖、理化檢驗，從中優化出最佳工藝。

4.1電壓的選擇

電壓決定著輸出功率，選擇：450V、475V、500V進行試驗。

4.2淬火速度的選擇：

齒部淬火時，采用連續淬火方式，故需進行淬火速度的選擇，選擇2.5mm/s、3.3mm/s、4mm/s速度進行試驗。

4.3與齒根間隙的選擇

間隙決定齒根硬化后深度，選擇0.8、1.0、1.2mm進行試驗：

經過各種工藝試驗，制定出如下的工藝：

電壓：475V，電流：75A，功率因數：0.92，輸出功率：30KW，

淬火速度：3.3mm/s，齒根間隙：1.0mm。

用此工藝淬火后，經180℃、1.5h回火，完成熱處理過程。

5金相檢驗報告

5.1硬度梯度測試

對送檢的齒輪解剖試樣進行硬度梯度檢測，測試部位見圖2，測試結果見下表。

5.2金相檢驗

5.2.1宏觀檢驗

齒面淬硬層宏觀形貌見圖2

5.2.2金相組織

淬硬層、過渡層、心部組織見下表及圖3。

6結論

該從動齒輪斜齒感應淬火熱處理工藝完全滿足了圖紙的技術要求，熱處理后的從動齒輪性能優良，熱處理工藝達到了國內先進水平。該工藝已運用到實際生產，完全滿足鐵路機車重載的需要。

參考文獻

[1]劉志儒等.金屬感應熱處理（上冊）[M].北京：機械工業出版社，1985

[2]劉云旭.金屬熱處理原理.[M].北京：機械工業出版社，1985