低噪長壽命齒圈關鍵工序工藝研究及應用
齒圈是各類柴油機或汽油機的重要部件。齒圈與為發動機提供轉動慣量的圓盤組成一個部件，在發動機起動時，通過飛輪齒圈與起動機的齒輪嚙合，帶動曲軸旋轉，使發動機正常工作。發動機起動時，齒圈與齒輪嚙合的瞬間沖擊較大，齒間發出撞擊聲，因此如何在齒圈設計與制造過程中提高產品的抗沖擊能力、減少嚙合噪聲等方面，同時提高生產效率、延長齒圈使用壽命上已經成為提高產品競爭能力的核心技術。
齒圈在機加工完成后都要進行熱處理，以提高其表面硬度及耐磨性能。目前常用熱處理工藝為高頻感應淬火，多數用于工業金屬零件表面淬火，是使工件表面產生一定的感應電流，迅速加熱零件表面，然后迅速淬火的一種金屬熱處理方法。使用的設備為高頻淬火感應器，感應加熱的原理：工件放到感應器內，感應器一般是輸入中頻或高頻交流電(1000～300000Hz或更高)的空心銅管，銅管制作成方管形狀，通過設計好的胎具在加熱變形的條件下快速完成整形，做成想要的圓柱形感應器，產生交變磁場在工件中產生出同頻率的感應電流，這種感應電流在工件的分布是不均勻的，在表面強，而在內部很弱，到心部接近于0，利用這個集膚效應，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內表面溫度上升到800～1000℃，而心部溫度升高很小。普通的齒圈淬火要求一般為淬透件，齒圈的兩端面淬硬層深度、硬度及金相等級均相同，此結構能夠滿足普通齒圈的淬火要求，淬出來的工件淬硬層深度上下一致。
一、倒梯結構齒圈淬火感應器的應用延長齒圈使用周期
國內齒圈熱處理主要應用高頻感應淬火工藝，但是因感應器的結構會帶來不同的淬硬效果。通常齒圈上下兩端面的淬硬層深度相同，即兩端面的淬硬層硬度也相同，硬度高了就會產生齒心部脆易斷裂的缺陷，大大降低齒的耐用性。在齒圈的實際工作時，僅僅與嚙合齒輪接近的端面受較大的沖擊，而與飛輪連接貼合的端面應該保持較軟具有緩沖的功用最佳。這樣歸結起來就是齒面硬、齒心部相對較軟才是最佳的齒圈淬火狀態，倒梯結構的淬火感應器可以達到這個“外硬內軟”的理想狀態。
根據齒圈的實際使用情況，與起動機齒輪嚙合時的進入端受沖擊力較大，工作頻次大，即齒圈的倒角端與齒圈的非倒角端面承受不同的載荷，對齒圈兩端面的淬硬層深度要求不同，硬度也不相同，并且為了保證齒的使用壽命，且淬硬層不能過齒根圓，這就是所謂的“陰陽臉”。在實際加工過程中雖然由于某些因素會導致“陰陽臉”的產生，但是這些“陰陽臉”屬于熱處理缺陷，無法精確控制。
采用倒梯結構齒圈淬火感應器，很好地解決了傳統高頻感應淬火工藝無法實現齒圈“陰陽臉”的技術問題，從而大幅提高了齒圈件的使用壽命。
下面結合圖1、圖2和實施案例對此特殊高頻感應淬火工藝進一步說明。
一種齒圈高頻感應淬火工藝，包括以下步驟：
（1）調整淬火感應圈1的截面形狀，使淬火感應圈的截面形狀為直角梯形（見圖2b），淬火感應圈的三個直角邊的外周均包覆有導磁體4，導磁體進行磁場屏蔽，減少能量損失，起到了節能作用，淬火感應圈1水平放置且淬火感應圈的長直角邊5朝上，將齒圈2放置于淬火感應圈1內且齒圈2的倒角端面6朝上。
（2）第一次淬火，淬火感應圈1的長直角邊5到齒圈2的倒角端面6的落差為第一設定距離，加熱時間設定為第一設定時間，冷卻時間設定為第二設定時間。
（3）第二次淬火，淬火感應圈1的短直角邊8到齒圈2的非倒角端面7的落差為第二設定距離，加熱時間設定為第三設定時間，冷卻時間設定為第四設定時間。
本方案可以根據齒圈2兩端面的硬度要求以及淬火深度的要求，調整第一次淬火和第二次淬火的工藝參數，使得“陰陽臉”可以通過參數調整來控制，解決了長期困擾本領域員的技術難題。
下面，以齒圈2的厚度為17.5mm、淬火感應圈1的厚度為26mm為例詳細介紹以上特殊工藝過程。
使用工裝撐緊齒圈2的內圈，使得齒圈2的倒角端面6朝上放置于淬火感應圈1中，齒圈2與淬火感應圈1同心設置，淬火感應圈1的長直角邊5朝上設置，位于淬火感應圈1的短直角邊8一側設有矩形截面結構的噴水圈3，噴水圈3通過緊固件與淬火感應圈1連接在一起，用于噴水冷卻，淬火冷卻介質濃度3%～5%，濃度太小淬火件易出現裂紋現象，濃度太大淬火件的硬度不夠。
第一次淬火時，淬火感應圈1的長直角邊5到齒圈2的倒角端面6的落差為3.5mm，加熱時間設定為5.8s，冷卻時間設定為10s，冷卻時間即噴水時間，也需要控制，時間短易出現托氏體，甚至是噴水壓力也應該有效控制，通常壓力控制在0.3～0.45MPa，壓力小易導致淬火件金相組織不均勻，易出現托氏體，降低金相等級。
冷卻后調整齒圈2位置，然后進行第二次淬火，淬火感應圈1的短直角邊8到齒圈2的非倒角端面7的落差為2mm，加熱時間設定為5.7s，冷卻時間設定為10s，同樣，冷卻時間和噴水壓力參考第一次淬火。
齒圈2一次淬火不能加工出想要的淬硬層，中間有斷層，通過兩次淬火，齒圈2兩端面的淬硬層深度不同，并且齒圈2的倒角端面6的硬度為50～56HRC，齒圈2的非倒角端面7的硬度為25～35HRC，倒角端面6的淬硬層深度為齒根以下0.5～2.0mm，齒寬中心剖面的淬硬層不超過齒根圓，很好地控制實現了“陰陽臉”。
本方案不僅適應于齒圈2的淬火工藝，還適合于其他產品的“陰陽臉”處理工藝，這些產品具有兩個端面，且兩端面的淬硬層的深度和硬度都有要求，例如鏈輪、礦山設備中的耐磨圈等，不一一舉例。
二、減少齒圈裝配時加熱帶來的二次能源浪費以及齒圈淬火余熱浪費
在齒圈淬火處理時根據供應形式的不同，可以通過淬火機床程序設定相應工藝參數完成自回火處理，還可以利用淬火余熱實現齒圈與飛輪件的熱裝，減少整機廠齒圈熱裝工序二次加熱帶來的能源浪費，雙方實現經濟效益最大化；同時減小齒圈二次（重復）加熱導致硬度降低退火的風險。
1.齒圈自回火工藝研究
通過減小冷卻時間，利用淬火加熱產生的余熱進行齒圈自回火，把淬火工序與回火工序合并，省掉回火工序動能費用及人工成本。
試驗設備：使用ZT-250淬火機床，如圖3所示。檢測工具使用TM-902C溫度檢測儀，如圖4所示。
自回火試驗數據記錄見表1，自回火試驗件2金相檢測數據見表2，自回火試驗件3金相檢測數據見表3。金相檢測如圖5所示。
2.齒圈淬火余熱熱裝工藝研究
利用飛輪齒圈高頻感應淬火余熱實現齒圈壓裝工藝的工序可以并入到飛輪機加工線形成連線的生產模式。縮短飛輪總成加工線的物流距離，減少不必要的資源浪費，增加產品收益。另外，由于采用總成件方式的供應，一方面減少了整機廠分裝線的投入，另一方面作為飛輪組件供應方，為公司增加了銷售收入。
國內的發動機整機廠多數還是以傳統的分裝形式完成飛輪齒圈的壓裝，再以飛輪組件的形式送到整機裝配線完成發動機的組裝。如濰柴發動機裝配線，其總裝線旁邊還設立飛輪部件的分裝預裝線，承擔飛輪部件上線前的預裝任務。
當前，國內外齒圈制造工藝普遍存在能耗壓力大、環保不達標等諸多弊端，研發、制造水平均處于較低的水準。而該工藝方案可降低齒圈加工能耗，節約勞動成本，有著廣闊的推廣應用前景。
作者：李金年
單位：盛瑞傳動股份有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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