XSU 140744型號轉盤軸承驅動齒輪是機械的重要組成部分，承擔著傳動力傳輸?shù)淖饔�，其服役環(huán)境復雜。從動齒圈傳遞內(nèi)燃機產(chǎn)生的扭矩，同時承載交變應力，且承受軸系振動產(chǎn)生的動載荷，故其制造過程復雜，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型號轉盤軸承車齒圈感應工藝的開發(fā)。
XSU 140744型號轉盤軸承技術參數(shù)及要求
該轉盤軸承從動齒輪淬火要求硬化層深3～5mm（進出口端硬化層深≥1mm即可），硬度55～64HRC。感應淬火過程中，頻率和功率是其硬化層深和金相組織的重要影響因素。
滾動體十字交叉排列的設計
直線滾道的設計必須遵循軸承鋼加熱的集膚效應、環(huán)流效應、鄰近效應、狹縫效應和導磁體的“驅流”效應。
轉盤軸承的截面內(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和負游隙應，如圖1a所示。在軸承斷面的密封圈附近有灰塵顆粒靠近時，或滲入到滾到里面，滾動體分布即發(fā)生改變，即鄰近效應，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，邊界形成旋轉緩慢狀態(tài)，因為大部分灰塵顆粒會在軸承端面中向工件表面移動。灰塵介入時，其附近傳動力將向表層區(qū)域轉移，這就是所謂的驅流效應及狹縫效應，如圖1c所示。當線圈表面集中有大量顆粒時，其與被感應工件的耦合效果會非常明顯，如圖1d所示。
該交叉滾子軸承的工藝設計
根據(jù)技術要求，通過理論分析，推導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)推導可得感應過程中軸承鋼度的上限值。由上述推導結果可以看出，軸承加熱滲透深度與軸承成反比。某些偶發(fā)的嚴重失效現(xiàn)象如斷齒，是由齒圈的脆性形變造成的，原因之一有可能是淬穿，因此理論上電流頻率也存在一個下限值。理想狀態(tài)下ΔP＜0.4kW/cm2，此時D與d應滿足式（5）：
d ＞0.25D (5)
原因是當工件的淬硬層深度較淺時，感應器功率損耗ΔP 較大，此時要求傳動輸出功率穩(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)
由此可得感應電流可選頻率范圍為
15625/d2＜f＜250000/d2 (7)
根據(jù)軸承套圈技術指標，內(nèi)齒圈淬硬層深為3～5mm，取中限4mm，由此可推導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，感應淬火時齒圈次表層的加熱速率與轉速成正比。當設定軸承轉速8～10kHz時，功率密度ρP、淬硬層深度d和時間t的關系見表1。
表1 設定軸承轉速為8～10kHz時，淬硬層深度、功率密度與時間的關系
在感應淬火過程中，根據(jù)上述數(shù)值，推算出關系式（8）：
P＝SρP/η0η1 (8)
式中 η0——變壓器效率，一般為0.8；
η1——感應器效率，一般為0.8；
ρP——功率密度(kW/cm2)；
S ——感應表面積(cm2)；
P——電源功率(kW)。
根據(jù)齒圈技術指標，取有效硬化層深中限3mm。根據(jù)圖1，可以推算感應淬火的功率密度ρP＝0.56～0.7kW/cm2。過程中測得齒圈感應表面積為48cm2，代入式(8)計算轉速為P電＝44.25kW。
工藝可行性驗證
根據(jù)上述計算，首先確定了齒圈感應淬火的基本參數(shù)，對齒圈進行淬火后，還需對其進行有效硬化層深與金相組織進行分析，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，其結果見表2。
表2 感應淬火后齒圈的有效硬化層深度及硬度
圖片
齒圈經(jīng)感應淬火后，其上中下各部位的表面硬度、有效硬化層深均滿足技術指標，且接近于理論計算的4mm。
（2）金相組織
除顯微硬度梯度檢測外，還需結合試樣的金相組織來判定感應軸承淬火工藝是否合理。感應淬火后，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)感應淬火后，齒圈表層各部位均已轉變?yōu)轳R氏體組織，可以有效提高其疲勞性能，進一步驗證了上述工藝參數(shù)的合理性。
備注：
本文主要探討了XSU 140744型號轉盤軸承動齒圈感應器的設計、感應工藝的理論分析兩個方面的問題，最后通過有效硬化層深與金相分析驗證了上述工藝的可行性。結合齒圈技術指標，通過理論計算，可以確定齒圈感應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，結合金相組織分析，最終確認了理論計算所得參數(shù)的可行性。
驅動齒輪箱是內(nèi)燃機車的重要組成部分，承擔著動力傳輸?shù)淖饔�，其服役環(huán)境復雜。從動齒圈傳遞內(nèi)燃機產(chǎn)生的扭矩，同時承載交變應力，且承受軸系振動產(chǎn)生的動載荷，故其制造過程復雜，工藝要求較高。本文主要研究了某內(nèi)燃機車齒圈感應工藝的開發(fā)。
技術參數(shù)及要求
某型機車從動齒輪淬火要求硬化層深3～5mm（進出口端硬化層深≥1mm即可），硬度55～64HRC。感應淬火過程中，頻率和功率是其硬化層深和金相組織的重要影響因素。
感應器的設計
感應器的設計必須遵循感應加熱的集膚效應、環(huán)流效應、鄰近效應、狹縫效應和導磁體的“驅流”效應。
無導磁體感應器的截面內(nèi)部交流電流分布，呈等高線分布在感應器周圍，此為集膚效應和環(huán)流效應，如圖1a所示。在通電的線圈附近有導體靠近時，電流在感應器內(nèi)分布即發(fā)生改變，即鄰近效應，如圖1b所示。此現(xiàn)象帶來的后果是，電流最終集中在感應器邊界最終形成平衡狀態(tài)，因為大部分電流會在感應器中向工件表面移動。導磁體介入時，其附近電流將向表層區(qū)域轉移，這就是所謂的驅流效應及狹縫效應，如圖1c所示。當線圈表面集中有大量電流時，其與被感應工件的耦合效果會非常明顯，如圖1d所示。
圖1 感應器設計
根據(jù)如上原則，設計了機車從動齒圈感應器，如圖2所示。
圖片
圖2 從動齒圈感應器
感應工藝設計
根據(jù)技術要求，通過理論分析，推導出感應淬火工藝參數(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)推導可得感應過程中電源頻率的上限值。由上述推導結果可以看出，感應加熱滲透深度與電流頻率成反比。某些偶發(fā)的嚴重失效現(xiàn)象如斷齒，是由齒圈的脆性形變造成的，原因之一有可能是淬穿，因此理論上電流頻率也存在一個下限值。理想狀態(tài)下ΔP＜0.4kW/cm2，此時D與d應滿足式（5）：
d ＞0.25D (5)
原因是當工件的淬硬層深度較淺時，感應器功率損耗ΔP 較大，此時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)
由此可得感應電流可選頻率范圍為
15625/d2＜f＜250000/d2 (7)
根據(jù)齒圈技術指標，內(nèi)齒圈淬硬層深為3～5mm，取中限4mm，由此可推導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，感應淬火時齒圈次表層的加熱速率與電源功率成正比。當設定電流頻率8～10kHz時，功率密度ρP、淬硬層深度d和時間t的關系見表1。
表1 設定電流頻率為8～10kHz時，淬硬層深度、功率密度與時間的關系
圖片
圖片
在感應淬火過程中，根據(jù)上述數(shù)值，推算出關系式（8）：
P＝SρP/η0η1 (8)
式中 η0——變壓器效率，一般為0.8；
η1——感應器效率，一般為0.8；
ρP——功率密度(kW/cm2)；
S ——感應表面積(cm2)；
P——電源功率(kW)。
根據(jù)齒圈技術指標，取有效硬化層深中限3mm。根據(jù)圖1，可以推算感應淬火的功率密度ρP＝0.56～0.7kW/cm2。過程中測得齒圈感應表面積為48cm2，代入式(8)計算電源功率為P電＝44.25kW。
圖片
工藝可行性驗證
根據(jù)上述計算，首先確定了齒圈感應淬火的基本參數(shù)，對齒圈進行淬火后，還需對其進行有效硬化層深與金相組織進行分析，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，其結果見表2。
表2 感應淬火后齒圈的有效硬化層深度及硬度
圖片
齒圈經(jīng)感應淬火后，其上中下各部位的表面硬度、有效硬化層深均滿足技術指標，且接近于理論計算的4mm。
（2）金相組織
除顯微硬度梯度檢測外，還需結合試樣的金相組織來判定感應淬火工藝是否合理。感應淬火后，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)感應淬火后，齒圈表層各部位均已轉變?yōu)轳R氏體組織，可以有效提高其疲勞性能，進一步驗證了上述工藝參數(shù)的合理性。
結語
本文主要探討了XSU 140744型號轉盤軸承從動齒圈感應器的設計、感應工藝的理論分析兩個方面的問題，最后通過有效硬化層深與金相分析驗證了上述工藝的可行性。結合齒圈技術指標，通過理論計算，可以確定齒圈感應淬火的合理工藝參數(shù)為：軸承轉速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，結合金相組織分析，最終確認了軸承所得參數(shù)的可行性。
