作者:楊鐘勝
本文詳細介紹了重載礦用汽車輪邊減速器的內齒圈采用中頻淬火之后不再磨齒的傳統工藝所存在的危害性,為了趕超國外的先進水平,必須對內齒圈在中頻淬火后進行磨齒,磨齒是實現內齒圈抗疲勞長壽命的重要工藝措施。同時介紹了重載齒輪在磨齒中的(de)(de)注意事項,對加工(gong)其他設備上的(de)(de)重載硬齒面(mian)齒輪也(ye)有很(hen)好的(de)(de)借鑒和(he)參(can)考價(jia)值。
重載(zai)(zai)礦(kuang)用(yong)(yong)汽(qi)車輪(lun)邊減速器內(nei)齒圈中頻淬火(huo)后采(cai)用(yong)(yong)磨齒工藝是國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)外重載(zai)(zai)礦(kuang)用(yong)(yong)汽(qi)車制造(zao)中的(de)一個亮(liang)點,美(mei)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)GE、TEREX、CATERPILLAR、伯格瓦納、萬國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)、九州以及德(de)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)LIEBHERR等公司在(zai)(zai)生(sheng)產(chan)NGW、NW輪(lun)邊減速器中已大量采(cai)用(yong)(yong)了這一工藝。而國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)內(nei)由(you)于多(duo)種原(yuan)因(yin)(yin)的(de)限制,內(nei)齒圈中頻淬火(huo)后,采(cai)用(yong)(yong)不磨齒的(de)工藝,仍是目前(qian)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)內(nei)生(sheng)產(chan)重載(zai)(zai)內(nei)齒圈的(de)主(zhu)(zhu)導加工工藝。因(yin)(yin)此,這一工藝也成為質(zhi)量上存在(zai)(zai)一系列問題的(de)主(zhu)(zhu)要原(yuan)因(yin)(yin)之(zhi)一。
一、內齒圈齒面硬化的熱處理三大工藝簡介
齒(chi)輪(lun)的(de)(de)(de)強(qiang)度(du)和(he)承載的(de)(de)(de)能力隨(sui)著齒(chi)面(mian)的(de)(de)(de)硬度(du)提(ti)高而提(ti)高,所以硬齒(chi)面(mian)熱處理技(ji)術在(zai)國(guo)內、外齒(chi)輪(lun)的(de)(de)(de)生產中獲(huo)得了廣泛的(de)(de)(de)應用。
目前,國(guo)內、外用于齒輪(lun)齒面(mian)硬(ying)化(hua)的熱處(chu)理方式(shi),主要有(you)以下三大工藝:
1.滲碳淬火
2.滲氮
3.感應淬火
由于滲碳淬火具有良好的綜合力學性能而得到更多的應用。但是,滲碳淬火存在工藝復雜及熱處理變形大等問題。特別是內齒圈滲碳淬火后的變形,導致磨齒余量和滲碳層深以及齒根圓齒槽部位不允許磨削難(nan)(nan)以保證,常(chang)處于失控(kong)狀態。由于變形很(hen)大,因而成(cheng)為國內(nei)、外(wai)在內(nei)齒圈生(sheng)產(chan)中的最大技術難(nan)(nan)題之(zhi)一(yi)。
由于滲氮(dan)在低溫下進行,不發生相變,特別(bie)是熱處理變形很小,經(jing)氮(dan)化(hua)后的(de)內齒(chi)圈一(yi)般不需磨(mo)齒(chi)。由于受(shou)到(dao)滲氮(dan)層(ceng)深(shen)的(de)限制,在重載大模數硬(ying)齒(chi)面齒(chi)輪(lun)的(de)應用方面還受(shou)到(dao)局限。
由于(yu)感應(ying)(ying)淬火具有節能、高效、勞動環境(jing)好、在線生(sheng)產、便于(yu)自動化以(yi)及熱處(chu)理后(hou)變形小(xiao)等一系列優點,因此發展異常迅速,得到了日益廣泛的應(ying)(ying)用。在國內(nei)、外內(nei)齒圈的生(sheng)產中(zhong),齒面(mian)硬化以(yi)中(zhong)頻(pin)淬火最為多(duo)見,本文將以(yi)中(zhong)頻(pin)淬火為例進行分析和論證(zheng)。
二、內齒圈加工的傳統工藝及其存在的問題
1、內齒圈加工的傳統(tong)工藝(不磨齒工藝):
鍛制毛坯→去(qu)氫退火(huo)+重(zhong)結晶→粗車→調質(zhi)→半精車→插齒→中(zhong)頻(pin)淬火(huo)+低回→修整毛刺(ci)、光整加工→入庫。
2、內(nei)齒圈齒部中頻淬火的顯著(zhu)特點
①可實現(xian)沿齒廓(kuo)加熱淬火
硬化層分布形(xing)式(shi)對齒輪承載能(neng)力影響最大,因此應盡(jin)量采用沿(yan)齒廓加熱淬(cui)火(huo)硬化,而單齒分度中頻(pin)淬(cui)火(huo)可滿(man)足這一要求(qiu),見圖一所示(shi)。
圖(tu)一 沿(yan)齒廓(kuo)加(jia)熱淬火示意圖(tu)
②大大減少了(le)熱處理(li)變形
加熱速度(du)(du)快(kuai),齒部由室溫(wen)加熱到淬火溫(wen)度(du)(du),僅需(xu)幾(ji)秒到幾(ji)十(shi)秒,由于速度(du)(du)快(kuai),時間短(duan),基本(ben)上可避免齒面氧化和脫(tuo)碳;又因齒輪的心部處于低溫(wen)狀(zhuang)態,強(qiang)度(du)(du)較高,故熱處理(li)變形(xing)大為減少。
重(zhong)載硬齒(chi)面內齒(chi)圈采用(yong)滲(shen)(shen)碳淬(cui)火(huo)(huo)工藝與(yu)中頻淬(cui)火(huo)(huo)的(de)(de)工藝相比,內齒(chi)圈要(yao)(yao)在(zai)950℃高(gao)溫(wen)(wen)溫(wen)(wen)度下保溫(wen)(wen)許多(duo)小時,在(zai)高(gao)溫(wen)(wen)下齒(chi)輪的(de)(de)膨脹和變形(xing)很大,加上隨后冷卻急冷期間(jian)的(de)(de)收縮,導致變形(xing)要(yao)(yao)大的(de)(de)多(duo)。內齒(chi)圈采用(yong)滲(shen)(shen)碳淬(cui)火(huo)(huo)的(de)(de)工藝由于存在(zai)很大的(de)(de)變形(xing),已成為(wei)內齒(chi)圈報廢的(de)(de)主要(yao)(yao)原(yuan)因。
③淬火質量好
由(you)于加熱速(su)度(du)(du)快,奧(ao)氏(shi)體晶粒不易長大,淬火后齒面(mian)表層可獲得(de)針狀馬氏(shi)體,表面(mian)硬(ying)度(du)(du)比普通淬火高(gao)2~3HRC,內(nei)齒圈的(de)疲勞強度(du)(du)也(ye)有所提高(gao)。
④淬火加(jia)熱溫度和淬硬層(ceng)深度容易(yi)控制
因內(nei)齒(chi)圈(quan)齒(chi)部(bu)中頻淬火后具有上(shang)述優異(yi)特(te)性,因而在國(guo)內(nei)、外(wai)重(zhong)載硬(ying)齒(chi)面(mian)內(nei)齒(chi)圈(quan)的熱處理中得到了越來(lai)越多廣泛的應用,已(yi)成為國(guo)內(nei)、外(wai)加工重(zhong)載硬(ying)齒(chi)面(mian)內(nei)齒(chi)圈(quan)的首選及(ji)主(zhu)導工藝。
3、內(nei)齒圈(quan)中(zhong)頻淬火后不磨齒所存在的問(wen)題
筆者長期(qi)以來不但對美國(guo)GE、TEREX、CATERPILLAR以及(ji)德(de)國(guo)LIEBHERR等公司生產的齒圈進行(xing)了系統的研(yan)究和多次檢測(ce),而(er)且對國(guo)內生產的齒圈在(zai)質量上(shang)也進行(xing)了大量跟蹤和檢測(ce),發現內齒圈在(zai)中頻(pin)淬(cui)火(huo)后(hou)出(chu)現了相同規律和共性很強的同一(yi)問(wen)題,這一(yi)問(wen)題已成為行(xing)業中的通病(bing)。
內齒(chi)圈經(jing)中頻淬火(huo)后所存在的問題:
①由于內齒圈結構上的特點,中頻淬火后按齒高上、中、下三個截面檢測跨棒距M值,出現上口小下口大的變形。見圖二、圖三所示。
圖二(er) 齒圈(quan)示意圖
圖三(san) 中頻淬火(huo)后(hou)實測(ce)M值
反映的齒圈變形圖
上(shang)口與下(xia)口的(de)區分(fen):開始中頻淬火的(de)一端的(de)孔(kong)口為下(xia)口;終止中頻淬火的(de)一端的(de)孔(kong)口為上(shang)口。
②內齒圈中(zhong)頻淬火后出現(xian)比(bi)較嚴重的(de)橢圓誤(wu)差,致使齒形公差、齒向(xiang)公差、單個齒距極限偏(pian)差、齒距累積(ji)總偏(pian)差嚴重超差,滿足(zu)不了(le)精(jing)度(du)上的(de)要求。
③上述的(de)變形量的(de)大小和(he)企業(ye)的(de)技(ji)術(shu)裝備和(he)技(ji)術(shu)水平直接(jie)相(xiang)關。
雖說中(zhong)(zhong)頻(pin)淬火可大大減(jian)少熱處理變形,但對齒(chi)(chi)(chi)圈(quan)中(zhong)(zhong)頻(pin)淬火以(yi)后(hou)(hou)產生的(de)(de)(de)變形與(yu)齒(chi)(chi)(chi)圈(quan)精(jing)(jing)度(du)等級所要求的(de)(de)(de)精(jing)(jing)度(du)仍有較大的(de)(de)(de)差距。因此(ci),齒(chi)(chi)(chi)圈(quan)中(zhong)(zhong)頻(pin)淬火后(hou)(hou)必須進行磨齒(chi)(chi)(chi),以(yi)消除變形達到提高(gao)內(nei)齒(chi)(chi)(chi)圈(quan)加(jia)工(gong)精(jing)(jing)度(du)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de),和國外先進工(gong)藝技術接軌。
根據多年對(dui)國內(nei)、外(wai)齒(chi)圈實(shi)際檢測的(de)結果,發現(xian)上(shang)小下大(da)這一誤(wu)差根據齒(chi)圈模數大(da)小的(de)不同而不同,一般在0.5~0.6mm;橢圓(yuan)誤(wu)差在0.35~0.55mm左右,以上(shang)變(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)與磨(mo)齒(chi)余(yu)量(liang)大(da)小比較接近。當誤(wu)差太大(da)時,由于受到成品(pin)齒(chi)圈所(suo)要求的(de)跨棒距M值(zhi)的(de)限(xian)制,通過磨(mo)齒(chi)也(ye)不能完全(quan)消除(chu)變(bian)(bian)形(xing)(xing),即(ji)就是磨(mo)齒(chi)后(hou)的(de)內(nei)齒(chi)圈仍屬不合(he)格品(pin)。通過磨(mo)齒(chi)可消除(chu)上(shang)述變(bian)(bian)形(xing)(xing),那么減少變(bian)(bian)形(xing)(xing)將各種變(bian)(bian)形(xing)(xing)控制在磨(mo)齒(chi)余(yu)量(liang)之(zhi)內(nei),對(dui)部(bu)分企業來說也(ye)是一個(ge)非常現(xian)實(shi)和不輕松的(de)課題。
4、內(nei)齒(chi)圈經中頻淬火之后,不再進行磨齒(chi)加(jia)工,由于(yu)存(cun)在(zai)以上的(de)(de)變形在(zai)沒有消除的(de)(de)情況下,進行總裝和交(jiao)付使用會給后續帶來以下后果:
①對(dui)嚴重變形者將(jiang)導致輪邊減速器無法正常裝配。
②即就是(shi)進行(xing)了裝配也將導致(zhi)齒(chi)輪沿(yan)齒(chi)寬方向偏載,難以實現齒(chi)寬全(quan)長上(shang)均(jun)載,均(jun)載能(neng)力(li)下(xia)降。偏載越(yue)嚴重,出現的應(ying)力(li)集中也就越(yue)嚴重。
③齒與(yu)齒嚙合中將產生沖擊、振動,運轉不平穩,傳動精度(du)差(cha)。
④嚙(nie)合噪音大,達不到85db以內的(de)要求。
⑤由(you)于(yu)齒(chi)輪之(zhi)間得不(bu)到正(zheng)常(chang)的嚙(nie)合,嚴重時(shi)將導致斷(duan)齒(chi)、掉齒(chi)而直接影響內齒(chi)圈的使(shi)用壽命。
三、我單位的優勢及內齒圈采用的優化工藝
1、NGW、NW行星輪系傳(chuan)動齒輪的簡介
對(dui)NGW、NW行星(xing)輪(lun)(lun)系的(de)輪(lun)(lun)邊減速(su)器中(zhong)的(de)太(tai)陽輪(lun)(lun)、行星(xing)輪(lun)(lun)采(cai)用高(gao)淬透性(xing)滲碳鋼(gang),經滲碳淬火后全部采(cai)用磨齒加工(gong),其精度等級不(bu)低于6級。
內(nei)齒圈采(cai)用高淬透性調質(zhi)鋼,經中頻淬火后(hou)采(cai)用磨齒加工提高精(jing)度(du),內(nei)齒圈的精(jing)度(du)等級(ji)不低(di)于7級(ji)。
經國內、外(wai)權威研究機(ji)構研究認定及齒輪(lun)行業(ye)一(yi)致公認:“硬齒面齒輪(lun)的(de)精度(du)每提(ti)高(gao)(gao)一(yi)級,承載能力提(ti)高(gao)(gao)10%;噪音下(xia)降(jiang)3db;實現均載”。這也(ye)即中頻(pin)淬火后之所以采(cai)用磨齒工藝的(de)理(li)論依(yi)據。
2、我們的優勢
為了和國外先進的工藝技(ji)術(shu)同步,我公司對中頻淬火后的齒圈采取了磨齒的工藝,我們的優勢在于:
①我公司擁有世(shi)界上一流的磨(mo)齒(chi)(chi)機(ji)“格里(li)森—普法特P1600G磨(mo)齒(chi)(chi)機(ji)”,可磨(mo)4級精度齒(chi)(chi)圈。
②我公(gong)司擁有世界一流的(de)美國格里森1500GMS齒(chi)輪測(ce)(ce)量(liang)中心,是我公(gong)司實(shi)現和進行“離線檢測(ce)(ce)”的(de)重要(yao)手段,也是控制和生(sheng)產高精度(du)齒(chi)輪的(de)質量(liang)保證(zheng)。
③我單位在(zai)熱處理方(fang)面對內齒(chi)圈(quan)在(zai)中(zhong)頻淬(cui)火中(zhong)的變(bian)形(xing)不是任其發展,而是將變(bian)形(xing)處于嚴格的控制之中(zhong),將變(bian)形(xing)控制到最小范圍,即(ji)變(bian)形(xing)在(zai)磨(mo)齒(chi)余量范圍內,通過磨(mo)齒(chi)將變(bian)形(xing)徹(che)底消除。
④我單位有中(zhong)頻淬火后不(bu)磨齒(chi)和(he)磨齒(chi)的(de)(de)經驗和(he)教訓(xun),有對(dui)質量的(de)(de)執著與(yu)追求(qiu),有擇(ze)優(you)劣汰的(de)(de)競(jing)爭意識。
3、內齒圈的(de)優化工藝:
鍛制毛坯→去氫退火+重結(jie)晶→粗(cu)車→調質(zhi)→半(ban)精車→插齒(chi)(留磨量)→中頻淬(cui)火+低回→噴丸強(qiang)化→磨齒(chi)→修整(zheng)毛刺、光整(zheng)加工→入庫。
四、磨齒中的注意事項
1、磨齒中對磨削部位的簡介(jie)
①磨(mo)齒中只允許磨(mo)削(xue)漸(jian)開線的齒形部(bu)分
現代重載硬齒(chi)(chi)面齒(chi)(chi)輪(lun)在(zai)磨齒(chi)(chi)中,只允許(xu)磨削漸開線起始(shi)圓(yuan)以(yi)上(shang)和漸開線終止圓(yuan)以(yi)下的漸開線齒(chi)(chi)形部(bu)分。
②磨齒中不(bu)允許磨削(xue)齒根圓齒槽部位(wei)
對于內(nei)齒(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)圈的(de)齒(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)部不(bu)論是中(zhong)(zhong)頻淬(cui)火還是滲(shen)碳(tan)淬(cui)火,不(bu)論是內(nei)齒(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)還是外齒(chi)(chi)(chi)(chi)(chi),在磨(mo)齒(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)中(zhong)(zhong)不(bu)允許磨(mo)削(xue)齒(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)根圓齒(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)槽(cao)部位這(zhe)一顯(xian)著的(de)特點,已成(cheng)為當代重載硬齒(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)面齒(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)輪在磨(mo)齒(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)中(zhong)(zhong)最為重要的(de)標(biao)志和亮點。
2、磨齒(chi)中為(wei)什么不允許磨齒(chi)根圓齒(chi)槽部位(wei)
不允許(xu)磨削齒(chi)根圓齒(chi)槽部位具有以下好(hao)處:
①避免熱(re)處理后(hou)齒(chi)根(gen)(gen)硬度的(de)(de)(de)(de)降低,保持中頻淬火(huo)及(ji)噴丸強化(hua)后(hou)在(zai)齒(chi)根(gen)(gen)形成負的(de)(de)(de)(de)壓應力層。一旦齒(chi)根(gen)(gen)部(bu)位被磨削(xue),不但在(zai)齒(chi)根(gen)(gen)部(bu)位會(hui)(hui)喪失有利(li)的(de)(de)(de)(de)殘(can)余壓應力,還會(hui)(hui)在(zai)齒(chi)根(gen)(gen)部(bu)位產生有害的(de)(de)(de)(de)拉應力,將會(hui)(hui)對齒(chi)輪(lun)的(de)(de)(de)(de)疲(pi)勞強度和(he)使(shi)用壽(shou)命(ming)帶(dai)來嚴重的(de)(de)(de)(de)威脅。
②齒根圓齒槽部位狹小,散熱能力差,以及過度曲線處余量大小變化大,砂輪工(gong)作條件差(cha),在磨齒中容(rong)易產生磨削燒傷和磨削裂紋。
③齒根圓齒槽(cao)部位磨(mo)削條件差,砂輪外圓磨(mo)粒容(rong)易(yi)脫落(luo)和磨(mo)損,從而(er)影響磨(mo)齒質量。
④從抗斷齒(chi)(chi)能力(li)來(lai)看(kan),齒(chi)(chi)根(gen)處要有一定量的根(gen)切(qie),齒(chi)(chi)根(gen)沒有一定的根(gen)切(qie)量,磨(mo)齒(chi)(chi)時不可避(bi)免的在齒(chi)(chi)根(gen)產生凸臺,這將造成嚴(yan)重的應力(li)集中,對(dui)抗斷齒(chi)(chi)能力(li)影響很大,發生凸臺是(shi)絕對(dui)不允許(xu)的。
總之,不磨(mo)齒(chi)根(gen)圓(yuan)齒(chi)槽(cao)部位可以顯著的提高(gao)齒(chi)輪的疲勞強(qiang)度和承載能(neng)力,避免磨(mo)齒(chi)損傷(shang),提高(gao)磨(mo)齒(chi)質量(liang),降低(di)磨(mo)齒(chi)負荷,提高(gao)生產率。
3、如何實現不磨齒根圓齒槽部位的(de)措施
1)不磨齒根(gen)圓(yuan)齒槽部位必須采用磨前插(cha)齒刀(dao)對齒形(xing)進行預加工
磨前插(cha)齒(chi)(chi)(chi)刀(dao)(dao)和普(pu)通插(cha)齒(chi)(chi)(chi)刀(dao)(dao)不(bu)同之處(chu)在(zai)于,磨前插(cha)齒(chi)(chi)(chi)刀(dao)(dao)的(de)(de)刀(dao)(dao)齒(chi)(chi)(chi)頂部采用帶觸角的(de)(de)刀(dao)(dao)頭,在(zai)齒(chi)(chi)(chi)輪(lun)齒(chi)(chi)(chi)根(gen)(gen)圓(yuan)處(chu)的(de)(de)展(zhan)成(cheng)加工中會產生一定(ding)量(liang)的(de)(de)根(gen)(gen)切(qie),使(shi)被加工齒(chi)(chi)(chi)輪(lun)的(de)(de)齒(chi)(chi)(chi)根(gen)(gen)部位預先成(cheng)型,同時將齒(chi)(chi)(chi)面(mian)大部分余量(liang)切(qie)除,在(zai)齒(chi)(chi)(chi)形齒(chi)(chi)(chi)厚處(chu)均勻留(liu)出磨齒(chi)(chi)(chi)時的(de)(de)余量(liang),以(yi)便在(zai)磨齒(chi)(chi)(chi)中實現(xian)不(bu)磨齒(chi)(chi)(chi)根(gen)(gen)的(de)(de)要求(qiu)。見圖四所(suo)示
圖(tu)四 用磨前插齒(chi)刀插齒(chi)后磨削(xue)余量示意圖(tu)
2)根據國(guo)外(wai)經驗適當加大齒根圓的直徑(jing)
①嚴格控(kong)制(zhi)中頻淬火后上口小(xiao)(xiao)的變形(xing)量,掌握變形(xing)規律,將其(qi)控(kong)制(zhi)到最(zui)(zui)小(xiao)(xiao),得出具有代表(biao)性的最(zui)(zui)小(xiao)(xiao)變形(xing)量,為設計和制(zhi)作(zuo)磨前(qian)插齒刀提(ti)供依據。
②以最小的變形量要求刀具廠家將磨前插齒刀的頂圓加大,以達到適當加大內齒圈齒根圓的目的。為了確保齒根部位的彎曲疲勞強度和使用壽命,對加大齒根圓的量必須嚴加控制。
根據國外有關資料的推薦,內齒圈齒根圓的加大量△(半徑方向)
圖五 齒根圓(yuan)(半徑)加大示意圖
M值:內齒圈跨棒距
△值以0.2~0.3為宜,△值的大小(xiao)由(you)熱處理變形的大小(xiao)決(jue)定。
五、寄語生產礦用汽車的主機廠家
目前國內主機廠家不具備齒輪檢測手段,對不磨齒和磨齒的齒圈在質量上缺乏監管力度,因此,從專業技術上建議主機廠:
①依據配套廠家提供出廠時的齒輪檢測報告為準。
②沿齒圈高度方向分上、中、下三個截面按米字形檢測跨棒距M值,建立檢測報告和實測M值之間的內在聯系,就能在沒有檢測手段的情況下,發現質量上的差異。
③從齒輪抗疲勞長壽命方面綜合考慮,齒根部位不允許磨削,這方面必須嚴格把關。
④從齒面表面粗糙度的高低進行比較。
⑤主機廠應支持和鼓勵配套廠家通過技術進步來提高產品的內在質量;不能單純過于追求和計較經濟效益,要把質量放在第一位,以“性價比”作為分析、論證的依據;對配套廠實行“擇優劣汰”“優質優價”的扶持政策,激發配套廠家的競爭意識。
國(guo)(guo)內礦用(yong)汽(qi)車的制造(zao)水平以及整車質量(liang)和國(guo)(guo)外(wai)相(xiang)比仍有很大(da)的差距,這就要求主(zhu)機廠家和零部(bu)件(jian)生產的配套廠家聯(lian)起手來建立質量(liang)保(bao)證體系,把(ba)好質量(liang)關(guan),趕超(chao)國(guo)(guo)外(wai)先進水平,讓中國(guo)(guo)制造(zao)的礦用(yong)汽(qi)車走向世(shi)界,共創(chuang)國(guo)(guo)內礦用(yong)汽(qi)車的輝(hui)煌。