齿轮感应淬火研究

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摘自：《金属加工（热加工）》原《机械工人（热加工）》 作者：中国第一拖拉机股份有限公司 阎利民


我单位承接某机床厂齿轮批量生产任务，其中主轴箱花键齿轮尤为重要，在工作中齿轮承受拉伸、扭转、剪切和弯曲等多种复杂、交变应力，而且应力值较大。设计要求该齿轮具备较合理的齿轮表面硬度、高的耐磨性和一定的冲击韧性；齿根部需要有一定的淬硬层以保证齿轮的每一个齿在啮合时能够承受所产生的强大剪切应力；同时由于该齿轮是通过花键轴连接传动的，所以要求该齿轮的精加工尺寸具有良好的稳定性。
1.齿轮形状及技术要求
(1)齿轮形状如图1所示。

(2)齿轮技术要求
齿面硬度45～55HRC；花键孔缩孔量＜O.2mm；材料：40Cr；精度等级：GB10095—1988
7FL；齿距累计公差：Fp=0.063mm；齿形公差：ff=0.016mm；齿向公差：FB=0.016mm。
(3)加工工艺流程
下料→模锻→粗车齿坯→正火→车内孔外圆→铣花键→铣齿形→齿而高频淬火→去应力回火→成品发货。
(4)毛坯组织检验标准
①材料为40Cr和45钢的齿轮零件，正火组织和调质均依据GB/T13320—1991《钢制模锻件金相评级图及评定方法》标准进行检验。②切检比例按照每500件切检一件。③正火组织要求1～3级合格，调质组织按照标准检查毛坯边部金相组织，1～3级合格。如果视场内存在有少量混晶且晶粒度大于4级，需降低一个级别评级，此类情况允许放宽至4级合格(检验报告需注明有混晶)。
2.材料成分(见表1)

3.原高频工艺
结构钢采用40Cr，由于它在硬度范围179～229HBW内时的机械加工性能优良，所以要求坯件整体正火硬度为179～229HBW，金相组织为等轴状珠光体和铁素体，金相等级≤3级。
使用设备为GCSK高频数控淬火机床，工件升降进给速度为0～60mm/s，主轴转速20～200r/min。电源输入功率100kW，输出功率100kW，震荡频率为200kHz，输出控制方式为恒压恒流。
工艺参数为：电压11500V，槽路电压9500V，阳流为4.8A，栅流为0.8A，加热为连续加热，加热速度为数控参数5mm/s。使用AQ251(4％～6％)淬火液冷却。
4.材料变更后的影响工艺原因分析
为增加市场竞争的能力，让自己的产品更具市场扩张力，上游生产单位设定最终产品价格，然后再确实零件生产成本。为了降低生产材料成本，对原有的一些零部件材料进行代用，将原来部分的40Cr零件用45钢来代替。
(1)预热处理的影响　钢在淬火前的原始组织对钢的淬火畸变有重要影响，原始组织为球状珠光体或调质组织的淬火畸变要小于原始组织为层片状珠光体的工件。为了降低生产成本，厂家要求只用正火来作为感应淬火前的预热处理。
(2)热应力的影响　如果零件内孔形状均匀，也许畸变会相应小一些，但是因为该零件中部有一个较宽的退刀槽，同时外部形状也不完全规则，上下两端的突出部分不对称，在高速感应加热、冷却过程中，由于热量传导无法保证两端及中部受热均匀，使得在轴向内孔键表面热应力分布不均，引发零件畸变的可能性增加。在现场生产中我们发现，沿用原来40Cr材料同样的生产工艺，45钢的变形超差，所以45钢的热应力变形影响要比40Cr材料要大一些。
该产品的形状属于厚壁型零件，热应力引起的畸变趋向将增加，应是发生变形的主要原因。变形方式如图2所示。

(3)感应加热组织应力的影响感应加热中组织应力在该零件加热过程中会造成如图3所示的内孔缩孔现象。

(4)设备老化原因的影响影响齿轮内孔缩孔的另一个原因主要是，原高频淬火机床的电源历经十余年，各个电器元件出现不同程度的老化，在生产中经常发现功率无法跟上，加热效率大大降低，遇到此次机床齿轮零件生产的材料更换，直接使得加热时间过长，变形更加不可避免。
综上所述，受设备、预热处理、热应力和组织应力等原因的影响，该零件在高频感应生产中内孔缩孔严重超差。加上45钢材料成分比40Cr不稳定性的增加，该零件在使用同一工艺参数下，零件批量感应淬火后内孔都出现不同程度上的缩孔超差问题，大部分零件内花键热后缩孔都在0.70～0.30mm之间，不能通过零件标准塞规的测量。
该零件的感应淬火是最后一道工序，缩孔超差后用拉刀只能修复热后直径缩孔在O.2mm以内的零件，而超过0.2mm的直径缩孔根本无法修复，不是将拉刀拉毛，就是将零件内花键孔彻底拉偏，导致最终报废，经反复调整高频工艺后也未得到很好的解决。同时上游单位对该品种零件设置了生产节点。为使生产能够顺利进行，我们经研究决定，将高频生产改为中频加热表面淬火，以保证正常生产。

从高频淬火到中频淬火虽然不是一个大的跨越，但是要想让零件能够在不同的条件下达到相同的技术要求，的确是一个难题。
摘自：《金属加工（热加工）》原《机械工人（热加工）》 作者：中国第一拖拉机股份有限公司 阎利民我单位承接某机床厂齿轮批量生产任务，其中主轴箱花键齿轮尤为重要，在工作中齿轮承受拉伸、扭转、剪切和弯曲等多种复杂、交变应力，而且应力值较大。设计要求该齿轮具备较合理的齿轮表面硬度、高的耐磨性和一定的冲击韧性；齿根部需要有一定的淬硬层以保证齿轮的每一个齿在啮合时能够承受所产生的强大剪切应力；同时由于该齿轮是通过花键轴连接传动的，所以要求该齿轮的精加工尺寸具有良好的稳定性。
1.齿轮形状及技术要求
(1)齿轮形状如图1所示。

                               
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(2)齿轮技术要求
齿面硬度45～55HRC；花键孔缩孔量＜O.2mm；材料：40Cr；精度等级：GB10095—1988
7FL；齿距累计公差：Fp=0.063mm；齿形公差：ff=0.016mm；齿向公差：FB=0.016mm。
(3)加工工艺流程
下料→模锻→粗车齿坯→正火→车内孔外圆→铣花键→铣齿形→齿而高频淬火→去应力回火→成品发货。
(4)毛坯组织检验标准
①材料为40Cr和45钢的齿轮零件，正火组织和调质均依据GB/T13320—1991《钢制模锻件金相评级图及评定方法》标准进行检验。②切检比例按照每500件切检一件。③正火组织要求1～3级合格，调质组织按照标准检查毛坯边部金相组织，1～3级合格。如果视场内存在有少量混晶且晶粒度大于4级，需降低一个级别评级，此类情况允许放宽至4级合格(检验报告需注明有混晶)。
2.材料成分(见表1)

                               
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3.原高频工艺
结构钢采用40Cr，由于它在硬度范围179～229HBW内时的机械加工性能优良，所以要求坯件整体正火硬度为179～229HBW，金相组织为等轴状珠光体和铁素体，金相等级≤3级。
使用设备为GCSK高频数控淬火机床，工件升降进给速度为0～60mm/s，主轴转速20～200r/min。电源输入功率100kW，输出功率100kW，震荡频率为200kHz，输出控制方式为恒压恒流。
工艺参数为：电压11500V，槽路电压9500V，阳流为4.8A，栅流为0.8A，加热为连续加热，加热速度为数控参数5mm/s。使用AQ251(4％～6％)淬火液冷却。
4.材料变更后的影响工艺原因分析
为增加市场竞争的能力，让自己的产品更具市场扩张力，上游生产单位设定最终产品价格，然后再确实零件生产成本。为了降低生产材料成本，对原有的一些零部件材料进行代用，将原来部分的40Cr零件用45钢来代替。
(1)预热处理的影响　钢在淬火前的原始组织对钢的淬火畸变有重要影响，原始组织为球状珠光体或调质组织的淬火畸变要小于原始组织为层片状珠光体的工件。为了降低生产成本，厂家要求只用正火来作为感应淬火前的预热处理。
(2)热应力的影响　如果零件内孔形状均匀，也许畸变会相应小一些，但是因为该零件中部有一个较宽的退刀槽，同时外部形状也不完全规则，上下两端的突出部分不对称，在高速感应加热、冷却过程中，由于热量传导无法保证两端及中部受热均匀，使得在轴向内孔键表面热应力分布不均，引发零件畸变的可能性增加。在现场生产中我们发现，沿用原来40Cr材料同样的生产工艺，45钢的变形超差，所以45钢的热应力变形影响要比40Cr材料要大一些。
该产品的形状属于厚壁型零件，热应力引起的畸变趋向将增加，应是发生变形的主要原因。变形方式如图2所示。

                               
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(3)感应加热组织应力的影响感应加热中组织应力在该零件加热过程中会造成如图3所示的内孔缩孔现象。

                               
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(4)设备老化原因的影响影响齿轮内孔缩孔的另一个原因主要是，原高频淬火机床的电源历经十余年，各个电器元件出现不同程度的老化，在生产中经常发现功率无法跟上，加热效率大大降低，遇到此次机床齿轮零件生产的材料更换，直接使得加热时间过长，变形更加不可避免。
综上所述，受设备、预热处理、热应力和组织应力等原因的影响，该零件在高频感应生产中内孔缩孔严重超差。加上45钢材料成分比40Cr不稳定性的增加，该零件在使用同一工艺参数下，零件批量感应淬火后内孔都出现不同程度上的缩孔超差问题，大部分零件内花键热后缩孔都在0.70～0.30mm之间，不能通过零件标准塞规的测量。
该零件的感应淬火是最后一道工序，缩孔超差后用拉刀只能修复热后直径缩孔在O.2mm以内的零件，而超过0.2mm的直径缩孔根本无法修复，不是将拉刀拉毛，就是将零件内花键孔彻底拉偏，导致最终报废，经反复调整高频工艺后也未得到很好的解决。同时上游单位对该品种零件设置了生产节点。为使生产能够顺利进行，我们经研究决定，将高频生产改为中频加热表面淬火，以保证正常生产。

从高频淬火到中频淬火虽然不是一个大的跨越，但是要想让零件能够在不同的条件下达到相同的技术要求，的确是一个难题。

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5.设备的工艺性更换
我们使用GCK10080通用立式数控中频淬火机床，能够实现连续、同时淬火和分段淬火等感应功能，并可存储多种零件的工艺程序，用于单件或批量零件的生产。该设备最大夹持零件长度800mm，最大零件淬火长度800mm，主轴旋转速度0～180r/min；工件的移动速度范围是1.5～30min/s，快速移动速度为4m/min；主轴数量一个，移动精度±0.1mm。
与数控机床配套使用的KGPS中频电源，其功率100kw，最高电压650v，最高频率1～10kHz,进线电压3—380V，最高温度1300℃，加热直径15～60mm，淬硬层深度1～8mm。
中频感应与高频感应加热方式有所不同，高频由外向内传热，而中频由内向外传热，利用集肤效应等感应加热原理对零件进行表面的硬化强化。采用该设备的优势是机床电源输出功率强大、电流稳定，能够缩短加热时间并满足生产的需要。
6.工艺改进
我们使用内孔通水冷却的方式来减少内孔的缩孔倾向，这样也可以尽量地减少加热时间，保证表而淬硬层达到要求而不至于太深。
为了能够尽可能地减少内孔的受热时间，将内顶尖下支座盘上钻出两个出水孔(如图4所示)，使零件在加热时内孔有一个很好的冷却系统，迅速带走内孔热量，降低内孔壁上的温度，减少缩孔倾向。

加热程序为：先将零件放置于顶尖座上，通水开始加热，由上部先行预热7s，然后以高速降至下部，预热5s，用7mm/s的速度加热，使用水冷却，一次试验成功。
从表2看出，工艺改进后齿的表面硬度达到49～52HRC，测量缩孔量也非常均匀，不超过0.1mm，完全满足了后续加工的工艺要求；采用160℃回火消除各种应力后，检查零件状态都未发现超差现象。

7.结语
通过零件的生产调试研究，证明了中频感应加热在适当的工艺条件下可将该齿轮内孔缩孔问题彻底地解决，缩孔量可以控制在0.1mm以内，能够代替高频加热产品的批量生产。在生产中，我们完全能够使用现有的设备，并通过改进工艺工装技术不断地满足客户的技术需求，从而达到降低生产成本的目的。

zw558400

读了好文章,能受到启发