隨著可再生能源逐漸成為潮流，大型齒輪和軸承套圈(風(fēng)力渦輪機(jī)部件)的生產(chǎn)變得越來越重要。

　　僅僅在若干年前，像這樣的大型部件通常還只是根據(jù)訂單而定制生產(chǎn)。如今，它們更多地采用小批量生產(chǎn)。結(jié)果，諸如降低成本、提高質(zhì)量和采用工藝自動化等方面的要求應(yīng)運(yùn)而生。

　　對于表面硬化的變速器和滾柱軸承部件，目前要求硬化層深度達(dá)到幾毫米，以便能夠在傳統(tǒng)的淬火工藝之后通過時間長、成本高的修磨工藝來消除淬火造成的變形。

　　除了重新加工的高成本，為了達(dá)到如此大的滲碳層深度必須顯著延長部件在爐內(nèi)的處理時間，也進(jìn)一步加大了制造商的成本負(fù)擔(dān)。

　　研究課題

　　作為夾具淬火設(shè)備的一家領(lǐng)先制造商，HEESS決定同德國不來梅材料科學(xué)研究所(IWT)聯(lián)合研究一項(xiàng)課題，對大型齒輪和軸承套圈的夾具淬火工藝進(jìn)行深入分析。根據(jù)該課題的研究成果，能夠?qū)Υ慊鸸に囋斐傻男螤钭兓?比如橢圓度和錐度)采取相應(yīng)的對策，從而大幅度減少變形。

　　設(shè)備設(shè)計

　　為了滿足研究的需要，設(shè)計了一臺能夠處理外徑達(dá)到1,500毫米的工件的淬火機(jī)(圖1)。在設(shè)計的前期，不來梅材料研究所對部件周圍的流場進(jìn)行了模擬(圖2)。

圖1. HEESS推出的SP1500型大型部件夾具淬火機(jī)

圖2. 淬火流場的優(yōu)化模擬

　　模擬的結(jié)果被用于淬火機(jī)和夾具的設(shè)計，使部件周圍的流場分布達(dá)到了均勻。

　　夾具固定在淬火機(jī)上部的活動式操作臺上。淬火機(jī)的下部設(shè)計成油池，并帶有幾個淬火油出入孔。

　　夾具

圖3. 夾具的原理(薄片芯軸式)

　　淬火夾具(圖3)的結(jié)構(gòu)原理是，在一個底盤上，薄片被一個錐體從內(nèi)向外沿徑向壓緊在被硬化的部件上。為了將部件軸向固定，可以使用兩個獨(dú)立的壓緊裝置。

　　通過改變錐體和/或薄片，夾具可以用于各種不同的部件。當(dāng)高溫部件被放入后，淬火機(jī)操作臺將移動就位。部件上方裝有壓緊裝置和液壓缸的承板降下，液壓缸向錐體和壓緊裝置施加達(dá)到期望擴(kuò)張幅度所需要的預(yù)設(shè)液壓力和壓緊力。

　　工藝

　　在隨后的受控和可重現(xiàn)的淬火工藝中，一個限流罩蓋到承板上，以限制部件周圍淬火油的流動范圍，從而縮短填充時間。

　　淬火油通過夾具底盤上的溝槽流到部件的內(nèi)表面、外表面和下表面。部件周圍的流速很高，使整個部件沿高度方向都達(dá)到非常均勻的冷卻。內(nèi)表面和外表面的淬火油分配比可以針對每種部件設(shè)置為最佳值。

　　試驗(yàn)

　　在一組測試中，對6個用18CrNiMo7-6鋼制成的環(huán)件進(jìn)行了處理。它們的外徑為1,100毫米，內(nèi)徑為800毫米，高度為250毫米。其中的5個環(huán)件經(jīng)過了滲碳，第6個則分別在環(huán)件橫截面上靠近內(nèi)表面和外表面邊緣的上方和下方以及中心部位開孔，以安裝熱電偶(圖4)。

圖4. 試驗(yàn)環(huán)件上熱電偶的布置(橫截面)

　　這個環(huán)件被用來在初步試驗(yàn)中測量冷卻時溫度變化與位置的關(guān)系。比如，根據(jù)這些冷卻曲線(圖5)能夠確定，對于這種尺寸的環(huán)件，將淬火油的流量分配設(shè)定為60%經(jīng)過內(nèi)表面和40%經(jīng)過外表面，能夠達(dá)到更均勻的冷卻效果。這是因?yàn)檫@樣一個事實(shí)：環(huán)件的外表面比內(nèi)表面的傳熱面積更大。

圖5. 試驗(yàn)環(huán)件上熱電偶測出的冷卻曲線

　　據(jù)推測，更均勻的冷卻也意味著更少的變形。因此，這一設(shè)定被用在進(jìn)一步的試驗(yàn)中。

　　在進(jìn)行熱處理之前和每次改變條件之后，用一臺三維測量裝置對每個環(huán)件的內(nèi)表面和外表面分別在3個不同的高度水平上進(jìn)行測量，并根據(jù)這些測量結(jié)果確定內(nèi)徑和外徑以及橢圓度。上部和下部直徑之差也被計算出來，以作為衡量錐度的指標(biāo)。

　　為了更好地分析工藝的時間進(jìn)程，還在7個位置進(jìn)行了原位半徑測量。為此，采用了帶有一體式位移測量裝置的氣動缸。這樣，直徑、橢圓度和錐度在冷卻過程中隨時間的變化都被記錄下來，以供后續(xù)分析。

　　部件在熱處理之前的最大橢圓度約為0.34毫米，錐度計算得到的最大值為0.8毫米。經(jīng)過夾具淬火后，橢圓度的最大值為0.64毫米。隨壓緊力和淬火流量的不同，錐度的變化值在最糟糕的情況下約為0.7毫米，在最好的情況下為0.2毫米。

　　相比之下，這種類型的部件采用自由淬火時的橢圓度一般都在3 – 5毫米。這表明，在工藝開始時圓度良好的環(huán)件在淬火工藝中通常能夠繼續(xù)保持其圓度。

　　有可能修復(fù)嗎?

　　不過，現(xiàn)在的問題是，是否有可能通過夾具淬火而“修復(fù)”圓度不佳(數(shù)毫米)的部件。為了研究這個問題，有意用淬火機(jī)使一個環(huán)件產(chǎn)生變形，使其橢圓度達(dá)到3.3毫米。

　　在下面的試驗(yàn)中，將這個環(huán)件放入夾具中進(jìn)行淬火。結(jié)果，這個本已變形的環(huán)件的橢圓度從3.3毫米減小到1.9毫米。這表明，確實(shí)有可能使變形的環(huán)件在一定程度上恢復(fù)圓度(圖6)。

圖6. 淬火試驗(yàn) – 部件進(jìn)入淬火機(jī)之前的情況

　　這一作用產(chǎn)生的機(jī)理是，對于變形的環(huán)件，一開始只會有少數(shù)薄片與其緊密接觸。作用力全部集中在這些少數(shù)薄片上，直到最后所有薄片都同部件緊密接觸，從而在淬火過程中提供了一個有針對性的夾持力。

　　目前尚未確定，通過在淬火之前的高溫狀態(tài)下超過屈服點(diǎn)或利用蠕變能夠達(dá)到多大的圓度改善幅度，以及在隨后的冷卻過程中利用相變塑性又能取得多大幅度的改善。這方面的進(jìn)一步研究已經(jīng)制定了計劃。

　　影響變形的另一個因素是部件周圍淬火油流場的設(shè)計。由于擴(kuò)張錐體的圓錐形設(shè)計，在薄片和部件內(nèi)表面之間的空間內(nèi)產(chǎn)生了一定的流動模式。這種模式的特點(diǎn)是，內(nèi)表面下部是一開始的低流速，而內(nèi)表面上部是高流速(流體的截面積從下往上遞減)。通過在薄片之間使用不同形狀的導(dǎo)流板，能夠有效地控制流場，從而優(yōu)化錐度。

　　這些已得到試驗(yàn)證實(shí)的趨勢，同HEESS淬火機(jī)工業(yè)用戶的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)十分符合。

　　結(jié)論

　　根據(jù)研究課題的發(fā)現(xiàn)，可以得出如下結(jié)論：

　　•采用夾具淬火的環(huán)件橢圓度指標(biāo)明顯好于自由淬火的報道指標(biāo)，而且結(jié)果具有重現(xiàn)性。

　　•通過采用夾具淬火，變形的環(huán)件能夠在一定程度上恢復(fù)圓度。

　　•使用淬火機(jī)能夠降低部件的廢品率。

　　•變形的部件能夠被加工成合格部件。

　　•最佳流量和壓力的組合對橢圓度指標(biāo)有積極影響。

　　•除了橢圓度，夾具淬火還能影響錐度變化。淬火時的擴(kuò)張力和流量控制對結(jié)果的影響非常明顯。

　　•使用淬火機(jī)能夠顯著降低成本。

　　•熱處理爐和磨床的投資能夠大幅度節(jié)省。

　　關(guān)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)資料可按要求提供。