第一重型機(jī)械集團(tuán)公司有限公司 （黑龍江齊齊哈爾 161042） 劉時(shí)雨 蔣 波 李 強(qiáng)

礦山用大型電鏟用于露天礦開采、裝卸，工作場地復(fù)雜，裝載量大，按鏟斗裝載量主要分為28～51m3不等型號。卷筒是其關(guān)鍵部件之一，采用卷筒雙螺旋溝槽形式，實(shí)際使用時(shí)，卷筒與提升鏟斗鋼絲繩反復(fù)強(qiáng)烈摩擦，故要求卷筒基體具有較高的強(qiáng)度、韌性，溝槽表面要求具有優(yōu)良的耐磨性能。

1. 電鏟卷筒采用感應(yīng)淬火背景

由于雙螺旋溝槽的特殊形狀，表面淬火困難極大。此類產(chǎn)品我公司于1985年在美國PH公司的協(xié)助下，采用火焰淬火進(jìn)行過熱處理。但火焰淬火的質(zhì)量存在不穩(wěn)定性，難以滿足圖樣技術(shù)要求。而電鏟卷筒外委到具有表淬設(shè)備的國內(nèi)某廠家生產(chǎn)，雖已成功交付了兩套，但溝槽淬火質(zhì)量較差，尤其是槽底出現(xiàn)了大量形態(tài)不一的裂紋。

為保障產(chǎn)品進(jìn)度與質(zhì)量，只能立足內(nèi)部設(shè)備改造與技術(shù)創(chuàng)新。基于卷筒不同直徑尺寸，利用公司現(xiàn)有臥式感應(yīng)淬火機(jī)床，設(shè)計(jì)、制作了工裝附具、感應(yīng)器、噴水器、防竄動裝置及合理的工藝參數(shù)，邊試生產(chǎn)邊優(yōu)化工藝參數(shù)。在不影響其他產(chǎn)品件表面淬火的前提下，順利地完成了電鏟卷筒感應(yīng)淬火。同時(shí)，改造后的設(shè)備也兼顧了凹面、凸面的不同類型產(chǎn)品的表面淬火生產(chǎn)。

2. 提升卷筒簡介

（1）卷筒技術(shù)要求和表面淬火情況 28m3電鏟提升卷筒采用45鋼制造，材料臨界溫度見表1。基本外形尺寸：φ1403mm×2209mm（含法蘭），單重10 477kg，溝槽為雙螺旋狀，單側(cè)周長666.75mm，節(jié)距127mm。圖1為其結(jié)構(gòu)示意。卷筒203mm寬油封處表面淬火，硬度大于285HBW，提升卷筒雙螺旋溝槽整個(gè)槽面需表面淬火，淬火硬度50～55HRC，淬硬層深大于2.3mm。

表1 45鋼材料臨界溫度 （℃）

圖1 電鏟提升卷筒尺寸

卷筒生產(chǎn)工序?yàn)椋簾掍摗懺臁旨庸ぁ{(diào)質(zhì)→法蘭焊接→半精加工→表面淬火→精加工→裝配。其中，調(diào)質(zhì)的目的是為了提高卷筒基體強(qiáng)度，調(diào)整組織，為以后表面淬火做準(zhǔn)備。表面淬火工序的目的是提高雙螺旋溝槽表面硬度，保證其耐磨性能。

（2）表面淬火設(shè)備情況 我公司采用臥式軸類淬火機(jī)床，機(jī)床最大生產(chǎn)能力為φ0.7m×5m，感應(yīng)器最大行程4m，功率和頻率分別為250kW、0.5～10kHz。對于螺旋溝槽表面淬火，設(shè)備功率足夠，但淬火機(jī)床不具備三維調(diào)節(jié)裝置，必須設(shè)計(jì)專用輔具。

（3）表面淬火工藝難度 電鏟卷筒雙螺旋溝槽的特殊性決定了其表面淬火難度大。

第一，電鏟卷筒淬火面為特殊的螺旋圓弧溝槽，在淬火過程中，既要保證螺旋圓弧面均勻淬硬（圓弧直徑僅55mm左右），還要防止兩側(cè)相鄰弧頂過熱開裂。

第二，電鏟卷筒螺旋圓弧溝槽頂與槽底外圓周長差別較大，按以往感應(yīng)加熱方式，槽底相對加熱比功率大于槽頂，造成槽底加熱溫度比槽頂高，淬火時(shí)槽底產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力，容易產(chǎn)生淬火裂紋。

第三，因立足公司內(nèi)生產(chǎn)，從附具設(shè)計(jì)、火焰噴嘴形式、托架制作、感應(yīng)器制作及工藝試驗(yàn)等一切都需要從零做起，缺少可參考的資料和經(jīng)驗(yàn)。

3. 提升卷筒設(shè)備方案

（1）淬火設(shè)備組成 考慮到以后可能生產(chǎn)大型電鏟產(chǎn)品，淬火附具設(shè)計(jì)參數(shù)可以滿足外圓φ2500～φ1300mm， 長度3000～1500mm卷筒表面淬火生產(chǎn)。淬火設(shè)備初步由感應(yīng)器（新制作）、噴水器（新制作）、電源及變壓器（原有）、水冷電纜（原有）、托輥、感應(yīng)器夾持裝置（新制作）及淬火機(jī)床（原有）等組成。

（2）感應(yīng)器噴水器的制作 提升卷筒相鄰槽頂處淬火時(shí)會產(chǎn)生尖角效應(yīng)，容易過熱，甚至崩邊造成廢品，為此設(shè)計(jì)了專用淬火感應(yīng)器。感應(yīng)器、噴水器采用仿弧形一體設(shè)計(jì)，近槽頂處收口5mm左右；感應(yīng)器弧形內(nèi)加導(dǎo)磁體，感應(yīng)器下方一定角度鉆孔，用作噴水冷卻；感應(yīng)器上面兩側(cè)配置弧頂預(yù)冷用水冷噴嘴，并可獨(dú)立調(diào)整位置，且可調(diào)節(jié)水壓、水量，如圖2所示，實(shí)物照片見圖3。

圖2 感應(yīng)器示意

圖3 感應(yīng)器照片

（3）感應(yīng)器夾持裝置設(shè)計(jì)制作 感應(yīng)器夾持裝置上必須安裝以下設(shè)備：變壓器及連接水冷電纜（原變壓器及連接水冷電纜固定結(jié)構(gòu)件尺寸為600mm×600mm×1200mm），感應(yīng)器、噴水器夾持裝置，感應(yīng)器三維手動調(diào)節(jié)裝置。

設(shè)計(jì)參數(shù)說明：感應(yīng)器中點(diǎn)與托輥中心距離約950mm，距地面約1700mm；感應(yīng)器、噴水器三維手動調(diào)節(jié)距離為前后±300mm、上下±350mm、左右±100mm；小車承重為變壓器、感應(yīng)器、噴水器及其配套設(shè)施重量，同時(shí)考慮連接水冷電纜移動拉力。

（4）速度匹配 根據(jù)公司臥式淬火機(jī)床功率等因素，卷筒溝槽淬火時(shí)感應(yīng)器沿卷筒圓周移動線速度控制在150～180mm/min，感應(yīng)器橫向移動速度2.1～2.7mm/min，按卷筒直徑1400mm計(jì)，即使加熱單側(cè)一條螺旋溝槽至少需用總淬火時(shí)間240～300min。4條溝槽感應(yīng)淬火總時(shí)間達(dá)到16h，此時(shí)間還沒算預(yù)熱、機(jī)床調(diào)整時(shí)間，因此卷筒在托輥上旋轉(zhuǎn)速度與橫向移動速度匹配很重要。為達(dá)到此目的，特設(shè)計(jì)并加工了一個(gè)新帶輪替換原有帶輪，見圖4。

圖4 速度配比用帶輪

（5）防竄動裝置 由于電鏟卷筒上螺旋溝槽在托輥上長時(shí)間轉(zhuǎn)動時(shí)，必然產(chǎn)生橫向運(yùn)動，夾持感應(yīng)器小車在淬火過程中必須保證感應(yīng)器與電鏟卷筒相對位置穩(wěn)定，不受卷筒橫向運(yùn)動影響，為此設(shè)計(jì)了一套防竄動附具。防竄動附具采用兩個(gè)固定在底座上的輥輪夾持卷筒法蘭兩側(cè)，見圖5、圖6。

圖5 防竄動裝置

圖6 防竄動裝置照片

4. 實(shí)際試生產(chǎn)

（1）淬硬層試驗(yàn) 為節(jié)省成本，按28m3電鏟提升卷筒溝槽形狀及尺寸投制了4件長方形平面試驗(yàn)件，尺寸500mm×520mm。按表2方案進(jìn)行感應(yīng)淬火試驗(yàn)。

按表2條件進(jìn)行試驗(yàn)件表面淬火試驗(yàn)，淬火后沒進(jìn)行回火，試驗(yàn)件表面拋光后用HL-80數(shù)顯硬度計(jì)進(jìn)行淬火硬度檢測及滲透檢查。然后切開試驗(yàn)件（見圖7），磨削截面，酸洗并測淬硬層深度。結(jié)果見表3。

表2 感應(yīng)淬火試驗(yàn)方案

表3 感應(yīng)加熱淬火試驗(yàn)結(jié)果

圖7 試驗(yàn)件

由上述試驗(yàn)結(jié)果分析，卷筒溝槽表面淬火仿弧形感應(yīng)器設(shè)計(jì)基本成功，頻率5000～8000Hz，功率36～40kW，可以滿足技術(shù)要求。表面淬火前預(yù)熱可以改善淬火質(zhì)量，減輕淬裂性傾向。

（2）試生產(chǎn)工藝參數(shù) 試生產(chǎn)還投制了感應(yīng)器夾持裝置、專用噴水器、感應(yīng)器等設(shè)備。試生產(chǎn)工藝參數(shù)：卷筒先用平板感應(yīng)器淬火203mm寬油封，淬火后轉(zhuǎn)臺車爐回火，回火保溫后空冷到200℃轉(zhuǎn)中頻感應(yīng)淬火機(jī)床利用余熱進(jìn)行溝槽淬火，頻率6300Hz、功率39kW，加熱溫度870～910℃，冷卻水溫20～40℃；淬火后190℃回火。

（3）檢查結(jié)果 第一件卷筒：203mm寬油封表面硬度40HRC左右；溝槽表面硬度47～50HRC，無明顯軟帶。卷筒表面打磨、著色檢查，非法蘭端第一槽有明顯淬火裂紋，長度斷續(xù)500mm，同螺旋其他槽有微裂；法蘭側(cè)第一槽有淬火裂紋，托輥橫向抖動時(shí)淬火處有明顯橫紋。打磨檢查非法蘭端第一槽裂紋較深，至少深2mm以上，其他裂紋深度較淺。如圖8所示。

圖8 第一件卷筒滲透檢查照片

第二件卷筒：203mm寬油封表面硬度40HRC左右；溝槽表面硬度48～51HRC，非法蘭側(cè)第三、第五道溝底寬15mm、長300mm左右存在軟點(diǎn)。卷筒表面經(jīng)打磨、著色檢查，法蘭側(cè)第六、八槽，基本裂一周，淬火過程中感應(yīng)器停止處有橫裂；非法蘭側(cè)1～2槽有縱向裂紋，斷續(xù)1/4圓周，如圖9所示。

圖9 第二件卷筒滲透檢查照片

（4）原因分析 第一，卷筒表面淬火托輥非專用托輥，速度調(diào)整精確度不高，長時(shí)間旋轉(zhuǎn)抖動明顯。托輥雖有無級調(diào)速裝置，但托輥旋轉(zhuǎn)速度不穩(wěn)，嚴(yán)重影響淬火質(zhì)量。另外，兩托輥獨(dú)立放置，兩托輥同心度及兩托輥中心線與機(jī)床導(dǎo)軌平行度很難控制，影響卷筒淬火質(zhì)量。

第二，卷筒利用臺車爐回火余熱淬火，由于表面淬火時(shí)間長，卷筒表面溫度降低明顯，導(dǎo)致淬火應(yīng)力過大。

第三，卷筒雙螺旋溝槽底與槽頂圓周長差別大，以直徑1400mm計(jì)算，槽頂周長4396mm，槽底周長4000.36mm，仿弧形感應(yīng)器加熱弧頂與弧底的線速度不一樣，導(dǎo)致卷筒溝槽底加熱溫度高，槽底淬火應(yīng)力大。

（5）改進(jìn)措施 定制一體專用底座、托輥間距可調(diào)、精確調(diào)速托輥。采用火焰預(yù)熱，定制兩把大功率火焰加熱器，加熱器放置在卷筒兩側(cè)內(nèi)孔中，卷筒淬火前先預(yù)熱，待螺旋溝槽表面溫度達(dá)120～180℃時(shí)，進(jìn)行淬火。同時(shí)利用余熱自回火，減少溝槽淬火后停留時(shí)間。

感應(yīng)加熱速度極快，幾秒內(nèi)將工件表面溫度由室溫加熱到850℃以上，感應(yīng)器形式對加熱效果影響極大。尤其圓形溝槽表面感應(yīng)加熱，槽頂與槽底圓周長度的差距、導(dǎo)磁體布置形式等因素必須考慮。改進(jìn)后感應(yīng)器如圖10所示（W1≈W2+2～4mm）。

5. 實(shí)際生產(chǎn)

（1）工藝參數(shù) 油封面滾壓取代原感應(yīng)淬火工序，保證其表面硬度達(dá)到圖樣要求；火焰預(yù)熱溫度≥120℃時(shí)開始感應(yīng)淬火。淬火過程中感應(yīng)器上部預(yù)熱溫度保持在120～170℃。卷筒沿圓周旋轉(zhuǎn)線速度150mm/min，感應(yīng)器橫向移動速度5mm/min。

淬火時(shí)感應(yīng)器與卷筒成形溝槽表面間距控制在3～4mm，感應(yīng)器加熱頻率6300Hz，加熱功率根據(jù)實(shí)際溝槽預(yù)熱溫度在35～40kW內(nèi)適當(dāng)調(diào)整，感應(yīng)加熱溫度870～910℃、冷卻水溫20～40℃。表面淬火過程中成形螺旋溝槽頂端5～8mm范圍內(nèi)用淋齒冷卻管進(jìn)行充預(yù)冷，淬火過程保證完整螺旋溝槽一次完成。卷筒一側(cè)溝槽淬火后，按上述參數(shù)淬火卷筒的另一側(cè)溝槽。淬火后卷筒利用預(yù)熱熱量自回火，不再進(jìn)行整體回火處理。

圖11為卷筒感應(yīng)淬火裝置示意。圖12為卷筒火焰加熱裝置。

圖10 改進(jìn)后感應(yīng)器示意

圖11 卷筒感應(yīng)淬火裝置示意

圖12 火焰加熱裝置照片

（2）檢查結(jié)果 按上述工藝進(jìn)行了兩件卷筒表面淬火，硬度結(jié)果見表4、表5。淬火面經(jīng)表面滲透檢查（見圖13、圖14），除法蘭側(cè)有少許斷續(xù)裂紋，其余處均未發(fā)現(xiàn)裂紋。斷續(xù)裂紋經(jīng)手工打磨0.2mm左右清除干凈，其產(chǎn)生原因是非法蘭端第一槽由于處于火焰加熱死角而溫度偏低所致。

表4 第三件卷筒感應(yīng)淬火后表面硬度 （HRC）

表5 第四件卷筒感應(yīng)淬火后表面硬度 （HRC）

圖13 第三件卷筒滲透檢查照片

圖14 第四件卷筒滲透檢查照片

6. 發(fā)明及創(chuàng)新點(diǎn)

（1）淬火過程卷筒成形溝槽頂部預(yù)冷 卷筒成形溝槽頂部由于尖角效應(yīng)，感應(yīng)加熱時(shí)溫度相對于溝槽其他加熱表面淬火應(yīng)力高，再進(jìn)行下一次相鄰溝槽淬火時(shí)產(chǎn)生二次淬火現(xiàn)象，造成崩邊。通過感應(yīng)器兩側(cè)安裝淋齒預(yù)冷裝置，感應(yīng)加熱時(shí)預(yù)冷成形溝槽頂部，可防止尖角過熱現(xiàn)象。

（2）仿形感應(yīng)器設(shè)計(jì)與制作 制作螺旋溝槽仿形感應(yīng)器及噴水器，并按溝槽頂、溝槽底的圓周差，適當(dāng)增加感應(yīng)器對應(yīng)槽底距離，并合理布置導(dǎo)磁體，使感應(yīng)產(chǎn)生的渦流在溝槽表面均勻化。

（3）卷筒感應(yīng)淬火參數(shù)的制訂 螺旋溝槽感應(yīng)加熱后產(chǎn)生的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力分布狀態(tài)很復(fù)雜，加上加熱、冷卻不確定因素，溝槽淬火后開裂傾向很大。卷筒淬火前預(yù)熱，并通過預(yù)熱熱量控制表面淬火冷卻終冷溫度，以控制馬氏體的轉(zhuǎn)變量，進(jìn)而達(dá)到減少淬火應(yīng)力及自回火的目的。

此卷筒的生產(chǎn)工藝與成品質(zhì)量，經(jīng)外方代表認(rèn)定，與PH公司不相上下，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。尤其實(shí)現(xiàn)卷筒表面感應(yīng)加熱生產(chǎn)自動化，使卷筒溝槽表面淬火硬度、淬硬層深度均勻化，提高了產(chǎn)品使用壽命。而卷筒的自回火方法又節(jié)省了生產(chǎn)成本，減少了占爐周期。