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        大型鏈輪感應(yīng)淬火熱處理

        2021-08-31 07:31:14向志華趙紅利范謙汪利俊聶羽婕周茂林余博文
        汽車零部件 2021年8期
        關(guān)鍵詞:深度檢測

        向志華,趙紅利,范謙,2,汪利俊,聶羽婕,周茂林,余博文

        (1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院,湖北十堰 442002;2.十堰天舒感應(yīng)設(shè)備有限公司,湖北十堰 442003)

        0 引言

        鏈輪是一種新型的動(dòng)力傳輸部件,鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),輪齒承受扭矩彎曲的交變載荷,齒面承受強(qiáng)烈的摩擦,因此要求有足夠大的抗拉、抗彎、抗疲勞及耐磨損性能,并兼顧較高的塑性和韌性。感應(yīng)熱處理特點(diǎn)為快速加熱,只對(duì)要求耐磨抗疲勞的表面進(jìn)行加熱,心部位置不加熱,然后快速淬火,從而實(shí)現(xiàn)表面高硬度和心部塑韌性的目標(biāo),由于加熱時(shí)間短,可以大大減少變形[1-2]。本文作者采用感應(yīng)熱處理方式對(duì)大型鏈輪齒廓部分表面強(qiáng)化,根據(jù)鏈輪特點(diǎn)設(shè)計(jì)合適的淬火感應(yīng)器及感應(yīng)淬火工藝調(diào)試,并對(duì)調(diào)試的零件進(jìn)行檢測分析,確保最佳工藝參數(shù)。

        1 鏈輪材料及技術(shù)要求

        大型鏈輪材料35Mn鋼,其化學(xué)成分及相關(guān)重要幾何尺寸見表1和表2。

        表2 鏈輪相關(guān)重要幾何尺寸

        鏈輪的感應(yīng)淬火技術(shù)要求:鏈輪的齒面部位感應(yīng)淬火,要求硬化層深度不小于1.5 mm,硬化層硬度不小于45 HRC。

        2 實(shí)驗(yàn)部分

        2.1 感應(yīng)淬火相關(guān)工藝參數(shù)的選擇

        影響感應(yīng)淬火質(zhì)量的參數(shù)主要有電流頻率、功率和加熱時(shí)間,淬火冷卻介質(zhì)等,其參數(shù)值見表3。

        表3 工藝調(diào)試鏈輪選取的感應(yīng)淬火參數(shù)

        選擇電流頻率時(shí),首先選擇加熱方式,電流透入深度大于淬硬層深度為透入式加熱,其生產(chǎn)率高、表面過熱度小;電流透入深度小于淬硬層深度為傳導(dǎo)式加熱,其效率低且表面過熱度大。根據(jù)生產(chǎn)要求,選擇透入式加熱[3]。不同的硬化層深度和不同的工件直徑需要搭配不同的電流頻率,才能達(dá)到兼顧質(zhì)量的同時(shí)兼顧熱效率[4]。不同硬化層深度所需的電流頻率建議表中,硬化層深度在1.5~2.3 mm之間,且工件直徑大于100 mm時(shí),選擇10 kHz左右的電流頻率為鏈輪進(jìn)行感應(yīng)加熱。

        加熱功率的選擇取決于功率密度值和加熱面積的乘積,碳鋼在不同頻率及功率密度下得到的硬化層深度不同,根據(jù)所選電流頻率和所需要的硬化層深度,選擇電源功率密度1.24 kW/cm2,電源功率為電源功率密度和一次加熱面積的乘積,文中鏈輪的一次加熱面積約為45 cm2,所需功率應(yīng)大于55 kW。

        不同的加熱功率和不同的加熱時(shí)間搭配可以達(dá)到相同的硬化層深度[4]。從節(jié)能的角度和控制工件硬化層過渡區(qū)厚度兩個(gè)方面考慮,表面淬火加熱時(shí)間一般為5~20 s,有特殊要求的零件例外。

        鏈輪的淬火劑為8%PAG水基淬火劑,PAG淬火劑是由有機(jī)聚合物和腐蝕抑制劑組成的水溶液,它克服了水冷快速、工件易開裂、油冷卻緩慢、淬火效果差等缺點(diǎn)。此外,PAG水基淬火劑在使用過程中不會(huì)釋放有害氣體,不會(huì)燃燒,具有良好的工作環(huán)境。

        淬火冷卻時(shí),在介質(zhì)中冷卻時(shí)間不宜過長,要及時(shí)取出帶溫回火,以消除熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。防止零件淬火后發(fā)生較大變形或開裂。

        2.2 感應(yīng)器的形狀及參數(shù)確定

        回轉(zhuǎn)感應(yīng)淬火在合適的感應(yīng)加熱條件下可以使齒頂和齒根都得到硬化[5-6]。對(duì)于文中所研究的鏈輪,要使齒頂和齒根都獲得高硬度的效果,考慮選擇回轉(zhuǎn)感應(yīng)淬火的方式。根據(jù)鏈輪的形狀和硬化層要求,采用環(huán)形感應(yīng)器一次加熱的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        感應(yīng)器是感應(yīng)淬火終端設(shè)備,通過感應(yīng)加熱原理加熱工件。為滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求,感應(yīng)器一般分為有效圈、導(dǎo)電板和極板三部分組成[4],有效圈和導(dǎo)電板需要具備通循環(huán)冷卻水的管路,以保證在感應(yīng)加熱的過程中感應(yīng)器不會(huì)因?yàn)殡娏骱痛艌龅挠绊?,產(chǎn)生過高的溫度從而產(chǎn)生熔化或其他形式的失效。

        制造感應(yīng)器的材料必須有優(yōu)良的導(dǎo)電性。T3銅含有99.70%的銅,具有低電阻率、易于成形、特定的耐腐蝕性和良好的導(dǎo)熱性。感應(yīng)器的有效圈一般采用紫銅管繞制而成,銅管的形狀采用方管或者矩形管,是因?yàn)榫匦喂茉诩訜峁ぜr(shí)可以得到理想的電流分布[6]。

        感應(yīng)器有效圈使用的管材厚度應(yīng)該大于1.57d銅(d銅是電流在銅中的透入深度),如10 kHz電流下的1.57d,銅約為1.1 mm,選擇的管材厚度至少為1.5 mm。

        同時(shí)加熱感應(yīng)器的有效圈高度應(yīng)略高于零件厚度,以保證加熱效率和加熱均勻[7]。鏈輪齒根部位厚度29 mm,齒輪形狀復(fù)雜,為了保證加熱均勻并且避免尖角效應(yīng),根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)感應(yīng)器高度為40 mm。

        根據(jù)不同頻率和不同工件直徑與有效圈之間的間隙選擇原則,在10 kHz電流下工件直徑大于400 mm時(shí),加熱間隙應(yīng)為4.0~10.0 mm,并且考慮尖角效應(yīng)和實(shí)際生產(chǎn)情況后,確定有效圈的內(nèi)徑為460 mm。

        為保證感應(yīng)器的精度、質(zhì)量以及使用壽命,感應(yīng)器的生產(chǎn)制造應(yīng)遵循一定的工藝要求。感應(yīng)器有效圈一般為彎折成形,并且應(yīng)借助模具以保證精度,有效圈和冷卻水管之間的焊接可以采用乙炔焊,焊條采用純銅材料,以保證焊接強(qiáng)度和密封性。焊接工作完成之后需要對(duì)感應(yīng)器進(jìn)行矯正,然后進(jìn)行噴砂處理,去除表面雜質(zhì)。最后檢測感應(yīng)器的氣密性,并對(duì)感應(yīng)器進(jìn)行絕緣處理,用聚四氟乙烯板夾在導(dǎo)電板之間,使用聚四氟乙烯緊固螺桿絕緣螺桿緊固。

        根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)制造的感應(yīng)器如圖1所示。

        圖1 感應(yīng)器實(shí)物圖片

        2.3 實(shí)驗(yàn)過程

        檢查淬火機(jī)床及加熱電源是否可以正常工作;將感應(yīng)器安裝到淬火變壓器輸出端,并確保連接可靠牢固,貼合面平直,并連接冷卻水管,安裝夾具,放好鏈輪,調(diào)整感應(yīng)器與鏈輪之間的間隙和相對(duì)的高度位置。

        啟動(dòng)設(shè)備,打開冷卻水泵和淬火泵,檢查冷卻水管流量。選擇合適的加熱功率、加熱時(shí)間和鏈輪的移動(dòng)速度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定的參數(shù)對(duì)鏈輪按加熱時(shí)間不同,進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火實(shí)驗(yàn),按照規(guī)定方法對(duì)鏈輪進(jìn)行宏觀檢查,記錄淬火的各項(xiàng)參數(shù)。初步檢測合格則做進(jìn)一步檢測。

        3 結(jié)果分析

        3.1 宏觀形貌檢測

        圖2所示為15 s加熱的鏈輪宏觀照片。4個(gè)實(shí)驗(yàn)方案為:加熱5 s,鏈輪淬火后齒廓顏色不均勻,齒根顏色變化不明顯,齒頂處顏色變?yōu)楹谏冶容^均勻;加熱10 s,鏈輪齒頂和齒根均變?yōu)楹谏?,且顏色均勻;加?5 s,鏈輪在淬火后齒廓變色均勻(圖2);加熱20 s,鏈輪淬火后齒頂處出現(xiàn)小裂紋且有明顯過燒現(xiàn)象。

        圖2 15 s加熱的鏈輪宏觀照片

        對(duì)4種不同時(shí)間加熱的鏈輪齒頂和齒根附近,使用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測,結(jié)果見表4。

        表4 鏈輪表面洛氏硬度檢測結(jié)果

        由表4洛氏硬度測試表明:1號(hào)鏈輪硬度偏低;2號(hào)鏈輪齒根處硬度偏低;3號(hào)鏈輪和4號(hào)鏈輪齒頂和齒根處硬度均大于45 HRC,但是4號(hào)鏈輪出現(xiàn)裂紋,不合格;接下來對(duì)3號(hào)鏈輪進(jìn)行取樣,并做進(jìn)一步檢測。

        3.2 金相組織觀察

        表面淬火工件一般分為硬化層區(qū)、過渡區(qū)和芯部區(qū)域3部分。金相取樣的部位要能夠清楚地觀察到這3個(gè)部位的剖面,對(duì)取樣部位進(jìn)行金相制樣和拋光,4%硝酸酒精溶液腐蝕。

        對(duì)3號(hào)鏈輪試樣宏觀腐蝕形貌及不同區(qū)域的顯微金相組織拍照,如圖3所示。

        圖3 3號(hào)鏈輪腐蝕形貌及齒根部位金相組織

        圖3(a)為宏觀形貌,通過對(duì)試樣測量分析,腐蝕后的不同區(qū)域,顏色略有區(qū)別。鏈輪齒頂部位淬硬層形狀良好,顏色呈現(xiàn)均勻的淺灰色,過渡區(qū)的顏色是以暗黑色為主,芯部的顏色不同于硬化層和過渡區(qū),呈銀灰色。3號(hào)鏈輪的齒根處硬化層深度均勻,深度約為2.2 mm。

        觀察鏈輪淬火后的試樣顯微組織,3號(hào)鏈輪的硬化層部位(圖3(b)),組織為均勻細(xì)密針狀馬氏體,過渡區(qū)(圖3(c))金相組織為馬氏體+托氏體+索氏體+鐵素體等組織共同存在。試樣的芯部組織(圖3(d))是較為細(xì)小的鐵素體和索氏體,分布均勻。

        3.3 顯微硬度檢測

        鏈輪技術(shù)要求硬化層的硬度大于45 HRC,通過查閱洛氏硬度、維氏硬度對(duì)照表得知洛氏硬度45 HRC相當(dāng)于維氏硬度450 HV。鏈輪主要受力部位是齒根和分度圓位置,這兩個(gè)部位的硬度和硬化層深度決定了鏈輪的耐磨性和抗疲勞能力,所以對(duì)齒根、分度圓和過渡位置進(jìn)行硬度分布檢測,具體的硬度檢測結(jié)果如圖4所示。

        圖4 3號(hào)鏈輪硬度分布

        由圖4可以看出,鏈輪硬度分布是由表面向芯部逐漸降低,鏈輪的表面硬度均大于450 HV,符合對(duì)鏈輪硬化層硬度的要求。3號(hào)鏈輪的齒根部位硬化層深度為2.4 mm,過渡位置硬化層深度為3.2 mm,分度圓位置硬化層深度大于3 mm,硬化層深度達(dá)標(biāo)。

        鏈輪表面的硬度高具有更好的耐磨性,硬化層的深度合適,確保鏈輪足夠高的彎曲疲勞強(qiáng)度,可承受更大載荷。

        綜合上述金相檢測和硬度檢測可以得出,3號(hào)鏈輪所采用的感應(yīng)加熱參數(shù)可以得到理想的硬化層深度和硬度。

        4 結(jié)論

        (1)感應(yīng)器的設(shè)計(jì)要考慮工件的大小及厚度等形狀特點(diǎn),避免尖角效應(yīng)給形狀復(fù)雜工件帶來的不利影響,文中感應(yīng)器內(nèi)徑為461 mm,有效圈銅管壁厚為2 mm,有效圈高度為40 mm。

        (2)當(dāng)確定加熱功率和電流頻率,改變加熱時(shí)間主要影響鏈輪齒根的硬化層深度,加熱時(shí)間長,得到的硬化層較深,但加熱時(shí)間也不宜過長。鏈輪經(jīng)過感應(yīng)淬火后表面硬度有所提升,硬度的變化趨勢都是由表面向芯部逐漸降低。

        (3)對(duì)于文中的大型鏈輪,較合適的感應(yīng)淬火參數(shù)是:加熱功率60 kW,電流頻率10 kHz,加熱時(shí)間15 s,選擇濃度為8%的PAG水基淬火劑進(jìn)行淬火,質(zhì)量檢測結(jié)果滿足鏈輪的技術(shù)要求。實(shí)際生產(chǎn)中要多次總結(jié)經(jīng)驗(yàn),調(diào)整合適的工藝參數(shù),才能確保生產(chǎn)出合格的硬化層且無裂紋的工件。

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