XSU 140744型號(hào)轉(zhuǎn)盤軸承驅(qū)動(dòng)齒輪是機(jī)械的重要組成部分，承擔(dān)著傳動(dòng)力傳輸?shù)淖饔茫浞郗h(huán)境復(fù)雜。從動(dòng)齒圈傳遞內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的扭矩，同時(shí)承載交變應(yīng)力，且承受軸系振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷，故其制造過程復(fù)雜，工藝要求較高。本文是洛陽東軸 主要研究了交叉滾子軸承XSU 140744型號(hào)轉(zhuǎn)盤軸承車齒圈感應(yīng)工藝的開發(fā)。
XSU 140744型號(hào)轉(zhuǎn)盤軸承技術(shù)參數(shù)及要求
該轉(zhuǎn)盤軸承從動(dòng)齒輪淬火要求硬化層深3～5mm（進(jìn)出口端硬化層深≥1mm即可），硬度55～64HRC。感應(yīng)淬火過程中，頻率和功率是其硬化層深和金相組織的重要影響因素。
滾動(dòng)體十字交叉排列的設(shè)計(jì)
直線滾道的設(shè)計(jì)必須遵循軸承鋼加熱的集膚效應(yīng)、環(huán)流效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、狹縫效應(yīng)和導(dǎo)磁體的“驅(qū)流”效應(yīng)。
轉(zhuǎn)盤軸承的截面內(nèi)部圓柱滾子單排成十字交叉垂直分布，呈等高線分布在滾道周圍，此為軸承高載荷效應(yīng)和負(fù)游隙應(yīng)，如圖1a所示。在軸承斷面的密封圈附近有灰塵顆?？拷鼤r(shí)，或滲入到滾到里面，滾動(dòng)體分布即發(fā)生改變，即鄰近效應(yīng)，如圖1b所示。此現(xiàn)象帶來的后果是圓柱滾子卡死，終集中軸承滾道i面，邊界形成旋轉(zhuǎn)緩慢狀態(tài)，因?yàn)榇蟛糠只覊m顆粒會(huì)在軸承端面中向工件表面移動(dòng)?；覊m介入時(shí)，其附近傳動(dòng)力將向表層區(qū)域轉(zhuǎn)移，這就是所謂的驅(qū)流效應(yīng)及狹縫效應(yīng)，如圖1c所示。當(dāng)線圈表面集中有大量顆粒時(shí)，其與被感應(yīng)工件的耦合效果會(huì)非常明顯，如圖1d所示。
該交叉滾子軸承的工藝設(shè)計(jì)
根據(jù)技術(shù)要求，通過理論分析，推導(dǎo)出軸承淬火工藝參數(shù)，然后通過金相及硬度分析，確定工藝可行性。
（1）載荷
熱滲透深度D與軸承硬度的關(guān)系見式（1）。
D＝500/f1/2 (1)
為保證軸承套圈滿足工藝要求，熱處理過程中的熱滲透深度D必須大于齒圈淬硬層深度d，即
D ＞d (2)
將式(1)代入式(2)得
500/f1/2＞ d (3)
f＜250000/ d2 (4)
由式(4)推導(dǎo)可得感應(yīng)過程中軸承鋼度的上限值。由上述推導(dǎo)結(jié)果可以看出，軸承加熱滲透深度與軸承成反比。某些偶發(fā)的嚴(yán)重失效現(xiàn)象如斷齒，是由齒圈的脆性形變?cè)斐傻?，原因之一有可能是淬穿，因此理論上電流頻率也存在一個(gè)下限值。理想狀態(tài)下ΔP＜0.4kW/cm2，此時(shí)D與d應(yīng)滿足式（5）：
d ＞0.25D (5)
原因是當(dāng)工件的淬硬層深度較淺時(shí)，感應(yīng)器功率損耗ΔP 較大，此時(shí)要求傳動(dòng)輸出功率穩(wěn)定性較好。
將 D＝500/f1/2 代入式(5)得
d＞0.25×500/f1/2
d2＞15625/f
f＞15625/d2 (6)
由此可得感應(yīng)電流可選頻率范圍為
15625/d2＜f＜250000/d2 (7)
根據(jù)軸承套圈技術(shù)指標(biāo)，內(nèi)齒圈淬硬層深為3～5mm，取中限4mm，由此可推導(dǎo)出電流頻率的范圍為0.977～15.625kHz，取中限可得理想軸承為8.301kHz。
（2）功率
若軸承固定，感應(yīng)淬火時(shí)齒圈次表層的加熱速率與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)設(shè)定軸承轉(zhuǎn)速8～10kHz時(shí)，功率密度ρP、淬硬層深度d和時(shí)間t的關(guān)系見表1。
表1 設(shè)定軸承轉(zhuǎn)速為8～10kHz時(shí)，淬硬層深度、功率密度與時(shí)間的關(guān)系
在感應(yīng)淬火過程中，根據(jù)上述數(shù)值，推算出關(guān)系式（8）：
P＝SρP/η0η1 (8)
式中 η0——變壓器效率，一般為0.8；
η1——感應(yīng)器效率，一般為0.8；
ρP——功率密度(kW/cm2)；
S ——感應(yīng)表面積(cm2)；
P——電源功率(kW)。
根據(jù)齒圈技術(shù)指標(biāo)，取有效硬化層深中限3mm。根據(jù)圖1，可以推算感應(yīng)淬火的功率密度ρP＝0.56～0.7kW/cm2。過程中測得齒圈感應(yīng)表面積為48cm2，代入式(8)計(jì)算轉(zhuǎn)速為P電＝44.25kW。
工藝可行性驗(yàn)證
根據(jù)上述計(jì)算，首先確定了齒圈感應(yīng)淬火的基本參數(shù)，對(duì)齒圈進(jìn)行淬火后，還需對(duì)其進(jìn)行有效硬化層深與金相組織進(jìn)行分析，以確定工藝可行性。
（1）有效硬化層深度與表面硬度
采用顯微硬度梯度法測定試樣有效硬化層深度與表面硬度，其結(jié)果見表2。
表2 感應(yīng)淬火后齒圈的有效硬化層深度及硬度
圖片
齒圈經(jīng)感應(yīng)淬火后，其上中下各部位的表面硬度、有效硬化層深均滿足技術(shù)指標(biāo)，且接近于理論計(jì)算的4mm。
（2）金相組織
除顯微硬度梯度檢測外，還需結(jié)合試樣的金相組織來判定感應(yīng)軸承淬火工藝是否合理。感應(yīng)淬火后，試樣的顯微金相組織如圖3所示。
圖片
圖3 試樣顯微金相組織
從圖3可以觀察到，經(jīng)感應(yīng)淬火后，齒圈表層各部位均已轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，可以有效提高其疲勞性能，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述工藝參數(shù)的合理性。
備注：
本文主要探討了XSU 140744型號(hào)轉(zhuǎn)盤軸承動(dòng)齒圈感應(yīng)器的設(shè)計(jì)、感應(yīng)工藝的理論分析兩個(gè)方面的問題，最后通過有效硬化層深與金相分析驗(yàn)證了上述工藝的可行性。結(jié)合齒圈技術(shù)指標(biāo)，通過理論計(jì)算，可以確定齒圈感應(yīng)淬火的合理工藝參數(shù)為：電流頻率8.301kHz，電源輸出功率44.25kW。
采用顯微硬度梯度法測定試樣的有效硬化層深度和表面硬度，結(jié)合金相組織分析，最終確認(rèn)了理論計(jì)算所得參數(shù)的可行性。
驅(qū)動(dòng)齒輪箱是內(nèi)燃機(jī)車的重要組成部分，承擔(dān)著動(dòng)力傳輸?shù)淖饔茫浞郗h(huán)境復(fù)雜。從動(dòng)齒圈傳遞內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的扭矩，同時(shí)承載交變應(yīng)力，且承受軸系振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷，故其制造過程復(fù)雜，工藝要求較高。本文主要研究了某內(nèi)燃機(jī)車齒圈感應(yīng)工藝的開發(fā)。
技術(shù)參數(shù)及要求
某型機(jī)車從動(dòng)齒輪淬火要求硬化層深3～5mm（進(jìn)出口端硬化層深≥1mm即可），硬度55～64HRC。感應(yīng)淬火過程中，頻率和功率是其硬化層深和金相組織的重要影響因素。
感應(yīng)器的設(shè)計(jì)
感應(yīng)器的設(shè)計(jì)必須遵循感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)、環(huán)流效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、狹縫效應(yīng)和導(dǎo)磁體的“驅(qū)流”效應(yīng)。
無導(dǎo)磁體感應(yīng)器的截面內(nèi)部交流電流分布，呈等高線分布在感應(yīng)器周圍，此為集膚效應(yīng)和環(huán)流效應(yīng)，如圖1a所示。在通電的線圈附近有導(dǎo)體靠近時(shí)，電流在感應(yīng)器內(nèi)分布即發(fā)生改變，即鄰近效應(yīng)，如圖1b所示。此現(xiàn)象帶來的后果是，電流最終集中在感應(yīng)器邊界最終形成平衡狀態(tài)，因?yàn)榇蟛糠蛛娏鲿?huì)在感應(yīng)器中向工件表面移動(dòng)。導(dǎo)磁體介入時(shí)，其附近電流將向表層區(qū)域轉(zhuǎn)移，這就是所謂的驅(qū)流效應(yīng)及狹縫效應(yīng)，如圖1c所示。當(dāng)線圈表面集中有大量電流時(shí)，其與被感應(yīng)工件的耦合效果會(huì)非常明顯，如圖1d所示。
圖1 感應(yīng)器設(shè)計(jì)
根據(jù)如上原則，設(shè)計(jì)了機(jī)車從動(dòng)齒圈感應(yīng)器，如圖2所示。
圖片
圖2 從動(dòng)齒圈感應(yīng)器
感應(yīng)工藝設(shè)計(jì)
根據(jù)技術(shù)要求，通過理論分析，推導(dǎo)出感應(yīng)淬火工藝參數(shù)，然后通過金相及硬度分析，確定工藝可行性。
（1）頻率
熱滲透深度D與頻率f的關(guān)系見式（1）。
D＝500/f1/2 (1)
為保證齒圈滿足工藝要求，熱處理過程中的熱滲透深度D必須大于齒圈淬硬層深度d，即
D ＞d (2)
將式(1)代入式(2)得
500/f1/2＞ d (3)
f＜250000/ d2 (4)
由式(4)推導(dǎo)可得感應(yīng)過程中電源頻率的上限值。由上述推導(dǎo)結(jié)果可以看出，感應(yīng)加熱滲透深度與電流頻率成反比。某些偶發(fā)的嚴(yán)重失效現(xiàn)象如斷齒，是由齒圈的脆性形變?cè)斐傻?，原因之一有可能是淬穿，因此理論上電流頻率也存在一個(gè)下限值。理想狀態(tài)下ΔP＜0.4kW/cm2，此時(shí)D與d應(yīng)滿足式（5）：
d ＞0.25D (5)
原因是當(dāng)工件的淬硬層深度較淺時(shí)，感應(yīng)器功率損耗ΔP 較大，此時(shí)要求電源輸出功率穩(wěn)定性較好。
將 D＝500/f1/2 代入式(5)得
d＞0.25×500/f1/2
d2＞15625/f
f＞15625/d2 (6)
由此可得感應(yīng)電流可選頻率范圍為
15625/d2＜f＜250000/d2 (7)
根據(jù)齒圈技術(shù)指標(biāo)，內(nèi)齒圈淬硬層深為3～5mm，取中限4mm，由此可推導(dǎo)出電流頻率的范圍為0.977～15.625kHz，取中限可得理想電流頻率為8.301kHz。
（2）功率
若電流頻率固定，感應(yīng)淬火時(shí)齒圈次表層的加熱速率與電源功率成正比。當(dāng)設(shè)定電流頻率8～10kHz時(shí)，功率密度ρP、淬硬層深度d和時(shí)間t的關(guān)系見表1。
表1 設(shè)定電流頻率為8～10kHz時(shí)，淬硬層深度、功率密度與時(shí)間的關(guān)系
圖片
圖片
在感應(yīng)淬火過程中，根據(jù)上述數(shù)值，推算出關(guān)系式（8）：
P＝SρP/η0η1 (8)
式中 η0——變壓器效率，一般為0.8；
η1——感應(yīng)器效率，一般為0.8；
ρP——功率密度(kW/cm2)；
S ——感應(yīng)表面積(cm2)；
P——電源功率(kW)。
根據(jù)齒圈技術(shù)指標(biāo)，取有效硬化層深中限3mm。根據(jù)圖1，可以推算感應(yīng)淬火的功率密度ρP＝0.56～0.7kW/cm2。過程中測得齒圈感應(yīng)表面積為48cm2，代入式(8)計(jì)算電源功率為P電＝44.25kW。
圖片
工藝可行性驗(yàn)證
根據(jù)上述計(jì)算，首先確定了齒圈感應(yīng)淬火的基本參數(shù)，對(duì)齒圈進(jìn)行淬火后，還需對(duì)其進(jìn)行有效硬化層深與金相組織進(jìn)行分析，以確定工藝可行性。
（1）有效硬化層深度與表面硬度
采用顯微硬度梯度法測定試樣有效硬化層深度與表面硬度，其結(jié)果見表2。
表2 感應(yīng)淬火后齒圈的有效硬化層深度及硬度
圖片
齒圈經(jīng)感應(yīng)淬火后，其上中下各部位的表面硬度、有效硬化層深均滿足技術(shù)指標(biāo)，且接近于理論計(jì)算的4mm。
（2）金相組織
除顯微硬度梯度檢測外，還需結(jié)合試樣的金相組織來判定感應(yīng)淬火工藝是否合理。感應(yīng)淬火后，試樣的顯微金相組織如圖3所示。
圖3 試樣顯微金相組織
從圖3可以觀察到，經(jīng)感應(yīng)淬火后，齒圈表層各部位均已轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，可以有效提高其疲勞性能，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述工藝參數(shù)的合理性。
結(jié)語
本文主要探討了XSU 140744型號(hào)轉(zhuǎn)盤軸承從動(dòng)齒圈感應(yīng)器的設(shè)計(jì)、感應(yīng)工藝的理論分析兩個(gè)方面的問題，最后通過有效硬化層深與金相分析驗(yàn)證了上述工藝的可行性。結(jié)合齒圈技術(shù)指標(biāo)，通過理論計(jì)算，可以確定齒圈感應(yīng)淬火的合理工藝參數(shù)為：軸承轉(zhuǎn)速8.301kHz，電源輸出功率44.25kW。
采用顯微硬度梯度法測定試樣的有效硬化層深度和表面硬度，結(jié)合金相組織分析，最終確認(rèn)了軸承所得參數(shù)的可行性。
