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        頻率因素在預(yù)防齒圈中頻感應(yīng)淬火開(kāi)裂的作用

        2021-05-27 10:53:06黃星陳亮張京陳金龍
        金屬加工(熱加工) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:裂紋效應(yīng)工藝

        黃星,陳亮,張京,陳金龍

        中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究有限公司 江蘇常州 213011

        1 序言

        風(fēng)電作為應(yīng)用最廣泛和發(fā)展最快的新能源發(fā)電技術(shù),已在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)發(fā)應(yīng)用。2019年,全國(guó)風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)2574萬(wàn)kW,風(fēng)電裝機(jī)占全部發(fā)電裝機(jī)的10.4%,風(fēng)電發(fā)電量4057億kW·h,首次突破4000億kW·h,占全部發(fā)電量的5.5%,風(fēng)電已成為部分國(guó)家新增電力供應(yīng)的重要組成部分。隨著全球發(fā)展可再生能源的共識(shí)不斷增強(qiáng),風(fēng)電在未來(lái)能源電力系統(tǒng)中將發(fā)揮更加重要的作用。

        增速齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電裝置中的一個(gè)重要部件,其內(nèi)齒圈是齒輪箱行星級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要零件。為了保證長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)的使用要求,針對(duì)內(nèi)齒圈的生產(chǎn)制造工藝,目前大功率風(fēng)電增速箱已基本不再使用以單純調(diào)質(zhì)作為最終熱處理,齒圈的表面強(qiáng)化工藝主要采用中頻感應(yīng)淬火、滲氮,也有少數(shù)廠家使用滲碳淬火工藝作為表面強(qiáng)化的手段。其中,中頻感應(yīng)淬火具有周期短、效率高、無(wú)脫碳、變形小、生產(chǎn)成本低,以及容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)的特點(diǎn)[1]。尤其是對(duì)于更高功率的增速箱,齒圈模數(shù)在16以上,由于滲氮工藝的滲氮層深偏淺,因此滲氮工藝顯得不再合適,而滲碳對(duì)于更大模數(shù)的齒圈則意味著更大的熱處理變形,以及更大的輪齒磨削量[2]。對(duì)于大模數(shù)齒圈的表面強(qiáng)化而言,中頻感應(yīng)淬火相對(duì)于滲氮和滲碳淬火技術(shù)有更大的優(yōu)勢(shì)。但是,感應(yīng)淬火也有自身的技術(shù)缺陷,主要是感應(yīng)熱處理存在熱影響區(qū)和容易產(chǎn)生淬火開(kāi)裂的問(wèn)題。熱影響區(qū)的問(wèn)題主要靠材料的淬透性、淬火冷卻介質(zhì)加以改善,淬火裂紋則需要進(jìn)行一系列的參數(shù)組合優(yōu)化來(lái)解決。影響感應(yīng)淬火有眾多因素,整體來(lái)說(shuō),工藝參數(shù)分為熱參數(shù)(包括加熱溫度、加熱時(shí)間、加熱速度)和電參數(shù)(包括頻率、表面功率、電流)。本文通過(guò)工藝參數(shù)組合試驗(yàn),闡述頻率因素在預(yù)防齒圈中頻感應(yīng)淬火開(kāi)裂中的作用。

        2 試驗(yàn)材料及方法

        2.1 產(chǎn)品材料及關(guān)鍵參數(shù)

        某型風(fēng)電齒圈材料為42CrMo4鋼,模數(shù)17,齒數(shù)96,螺旋角8°,感應(yīng)淬火層深3.2~4.2mm,采用單齒感應(yīng)淬火,經(jīng)過(guò)感應(yīng)淬火解剖后,檢測(cè)節(jié)圓部位淬火層深為3.4mm,表面硬度為56HRC。生產(chǎn)工藝路線為:輾環(huán)鍛造→粗車→調(diào)質(zhì)→銑齒→感應(yīng)淬火→精加工→磨齒。感應(yīng)淬火工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 感應(yīng)淬火參數(shù)

        由于淬硬層較深,在感應(yīng)淬火后容易產(chǎn)生裂紋(見(jiàn)圖1箭頭處),且裂紋分布在齒頂處。從裂紋的形貌可看出,開(kāi)口較大,無(wú)法在后續(xù)加工中去除,只能報(bào)廢處理,帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)損失。為了解決該問(wèn)題,同時(shí)考慮到淬硬層深符合技術(shù)要求,因此對(duì)感應(yīng)器沒(méi)有重新設(shè)計(jì),僅對(duì)電參數(shù)進(jìn)行了組合優(yōu)化試驗(yàn)。

        2.2 試驗(yàn)方法

        (1)重新測(cè)定淬火機(jī)床精度 由于淬火機(jī)床的精度可能影響感應(yīng)器和齒圈齒面的間隙,淬火機(jī)床的精度如果不能保證,會(huì)直接造成有的區(qū)域感應(yīng)器和齒圈的間隙過(guò)小,從而導(dǎo)致感應(yīng)淬火的加熱溫度過(guò)高,淬火應(yīng)力過(guò)大,最終造成淬火裂紋。經(jīng)過(guò)對(duì)超過(guò)全齒高范圍內(nèi)的淬火機(jī)床垂直度、圓度、平面度進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果表明,淬火機(jī)床垂直度在0.09mm、圓度在0.12mm、平面度在0.06mm,對(duì)淬火機(jī)床的精度而言,其精度在可控范圍內(nèi),因此不是造成齒頂裂紋的原因。

        (2)排查原材料及鍛造過(guò)程 對(duì)生產(chǎn)原材料的鋼廠冶煉方式以及進(jìn)廠的復(fù)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行排查,從化學(xué)成分、夾雜物等級(jí)、鍛造工藝方面等可能對(duì)產(chǎn)生淬火裂紋的影響因素進(jìn)行分析,均未發(fā)現(xiàn)異常情況。

        (3)感應(yīng)淬火工藝試驗(yàn) 由于淬火機(jī)床精度、原材料、鍛造均未發(fā)現(xiàn)異常,因此從感應(yīng)淬火參數(shù)方面進(jìn)行優(yōu)化更具有可行性。對(duì)感應(yīng)淬火參數(shù)而言,主要有熱參數(shù)和電參數(shù),影響加熱的因素有加熱功率、掃描移動(dòng)速度和感應(yīng)器與齒圈的間隙;而電參數(shù)則是通過(guò)合理的調(diào)整頻率、電流、電壓來(lái)獲得希望的淬硬層深和硬度值。

        要避免淬火開(kāi)裂,必須對(duì)感應(yīng)淬火的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,降低可能產(chǎn)生裂紋的傾向。很明顯,功率、移動(dòng)速度、間隙、頻率等都可以對(duì)感應(yīng)淬火的淬硬層深、硬度、開(kāi)裂造成一定影響。為了驗(yàn)證各個(gè)工藝參數(shù)的影響,我們進(jìn)行了以下工藝參數(shù)調(diào)整的優(yōu)化試驗(yàn),具體調(diào)整方案的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。試驗(yàn)的齒數(shù)為50個(gè)齒,感應(yīng)淬火后進(jìn)行了190℃×5h回火。

        表2 試驗(yàn)感應(yīng)淬火參數(shù)

        3 結(jié)果與討論

        3.1 試驗(yàn)結(jié)果

        感應(yīng)淬火、回火后,經(jīng)過(guò)解剖檢測(cè)、磁粉檢測(cè)的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

        表3 試驗(yàn)感應(yīng)淬火檢測(cè)結(jié)果

        為了驗(yàn)證降低頻率方案的可靠性,對(duì)5個(gè)齒圈(每個(gè)齒圈96個(gè)齒)進(jìn)行了淬火工藝試驗(yàn),并進(jìn)行了190℃×5h回火,冷卻后經(jīng)過(guò)磁粉檢測(cè),齒頂、齒面均無(wú)裂紋。在試驗(yàn)完5個(gè)齒圈后,進(jìn)行了20個(gè)齒圈的感應(yīng)淬火,對(duì)每件齒圈都在淬火、回火后進(jìn)行了磁粉檢測(cè),證明了通過(guò)降低頻率且保持其他工藝參數(shù)不變的情況下,可以解決齒圈齒頂開(kāi)裂問(wèn)題。

        3.2 結(jié)果討論

        1)從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,降低功率同樣會(huì)使淬硬層深降低,這是因?yàn)榻档凸β蕰?huì)直接降低淬火溫度,而淬火溫度的下降,會(huì)影響到齒圈的淬硬深度,使淬硬層深不符合技術(shù)要求,同時(shí)產(chǎn)生齒頂裂紋,因此降低功率方案不可行。

        2)感應(yīng)器和齒圈間隙的關(guān)系是:間隙大,層深淺,硬度低,淬火開(kāi)裂的傾向低;反之,則容易開(kāi)裂。為了減少開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn),可以增加感應(yīng)器和齒面的間隙,但從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,節(jié)圓的淬硬層深更淺了,雖然無(wú)裂紋,但不符合技術(shù)要求。

        3)增加淬火機(jī)床的移動(dòng)速度,相當(dāng)于降低淬火溫度,可以降低開(kāi)裂傾向,但加快移動(dòng)速度,理論上會(huì)使淬火溫度下降,淬硬層深下降。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,淬硬層深下降不多,在技術(shù)要求的下限,工藝的可靠性不夠。另外,在磁粉檢測(cè)后,仍然存在開(kāi)放性的淬火裂紋,因此增加淬火機(jī)床移動(dòng)速度的方案也不可取。

        4)降低淬火頻率,由9.6k H z降到8.0k H z,從檢測(cè)結(jié)果看,淬硬層深由原先的3.4m m增加到3.6mm,且齒圈表面沒(méi)有裂紋產(chǎn)生。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,該技術(shù)方案可行,在隨后經(jīng)5個(gè)齒圈小批量試生產(chǎn)、20個(gè)齒圈中批量試生產(chǎn)中也得到了驗(yàn)證,該方案確實(shí)可行,既增加了感應(yīng)淬火淬硬層深,同時(shí)又避免了齒圈裂紋的產(chǎn)生。

        眾所周知,感應(yīng)淬火是利用交流電流通過(guò)感應(yīng)器,在感應(yīng)器和零件之間產(chǎn)生感應(yīng)電流并形成封閉回路即形成渦流。渦流有四種特性,分別是集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、環(huán)流效應(yīng)及尖角效應(yīng)[1]。根據(jù)集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),電流的頻率越高,集膚效應(yīng)越顯著,也就是感應(yīng)淬火的淬硬層深越小,熱量會(huì)集中在齒輪表面,同時(shí)集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)會(huì)在感應(yīng)加熱過(guò)程中產(chǎn)生疊加效應(yīng),會(huì)使感應(yīng)加熱的熱量集中在工件表面。當(dāng)熱量過(guò)于集中在表面時(shí),工件表面的溫度要比心部高,由于表面的冷卻效果比心部更好,因此感應(yīng)淬火中在表面易產(chǎn)生裂紋,尤其是在倒角、齒根過(guò)渡圓弧處,或存在齒面銑刀痕、銑齒多肉等情況,對(duì)感應(yīng)淬火產(chǎn)生裂紋有很強(qiáng)的敏感性。因此,為了降低集中在表面的熱量,降低電流頻率是一個(gè)較好的選項(xiàng)。但是,如何找到合適的頻率,是值得探討的。如果頻率過(guò)高,則容易產(chǎn)生嚴(yán)重的集膚效應(yīng),熱量集中于工件表面,容易產(chǎn)生裂紋;如果頻率過(guò)低,則會(huì)影響到表面的硬度。

        確定一個(gè)合適的頻率,一般可以按照下式進(jìn)行計(jì)算:

        式中Δ熱——電流的熱透深度(mm);

        f——電流頻率(Hz)。

        但是,按照該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的是熱透深度,而熱透深度和感應(yīng)淬火淬硬層深的關(guān)系,需要結(jié)合材料的淬透性、感應(yīng)淬火機(jī)床的淬火冷卻介質(zhì)的冷卻特性來(lái)確定。一般的經(jīng)驗(yàn)是,淬硬層深介于透熱深度的 0.25~0.6mm之間比較好,按照工藝層深滿足最低層深3.2mm計(jì)算,頻率按照0.25透熱系數(shù)計(jì)算時(shí),對(duì)應(yīng)的頻率是12.8kHz,按照0.6透熱系數(shù)計(jì)算時(shí),對(duì)應(yīng)的頻率是5.3kHz。但頻率按照這個(gè)范圍的選擇比較寬,因此需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行工藝的試驗(yàn)驗(yàn)證。本次工藝試驗(yàn)是在原有頻率9.6kHz的基礎(chǔ)上降到8.0kHz,如果進(jìn)行過(guò)大的修正,容易出現(xiàn)表面硬度不夠的情況,則試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生失敗的風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行工藝參數(shù)的組合優(yōu)化時(shí),除了理論上的計(jì)算,同時(shí)還需要結(jié)合以往的工藝數(shù)據(jù),進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整,并且要盡量有針對(duì)性地進(jìn)行單一參數(shù)的調(diào)整。如果一次試驗(yàn),進(jìn)行了兩個(gè)以上參數(shù)調(diào)整,一旦工藝試驗(yàn)結(jié)果不符合要求,容易導(dǎo)致分析的誤判,尤其是大型齒圈需要經(jīng)過(guò)感應(yīng)器設(shè)計(jì)、制作、試驗(yàn)、線切割、試樣制樣及檢測(cè)環(huán)節(jié),工序眾多,往往試驗(yàn)周期需要10天左右,試驗(yàn)的成本巨大。因此,理論計(jì)算、理論分析要與實(shí)際積累的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,以確保試驗(yàn)成功的概率。

        綜上所述,對(duì)于感應(yīng)淬火出現(xiàn)表面裂紋的情況,影響的因素主要有功率、間隙、頻率及淬火冷卻介質(zhì)等,在其他指標(biāo)如淬硬層深、表面硬度符合技術(shù)條件的情況下,可以優(yōu)先考慮降低電流頻率,這樣對(duì)表面硬度、淬硬層深的影響較小,可以有效地減小感應(yīng)淬火中固有的集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、環(huán)流效應(yīng)及尖角效應(yīng)產(chǎn)生裂紋的可能性。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        齒圈感應(yīng)淬火的熱處理指標(biāo)由多重因素制約和影響,如果出現(xiàn)感應(yīng)淬火開(kāi)裂現(xiàn)象,需要綜合分析和判定。感應(yīng)淬火工藝參數(shù)中的功率、頻率、間隙、速度對(duì)裂紋的產(chǎn)生均有一定影響,但單純從減少淬火開(kāi)裂而言,在集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、環(huán)流效應(yīng)及尖角效應(yīng)的固有特性影響下,頻率因素對(duì)減少淬火裂紋有更明顯的作用。

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