電鏟提升卷筒雙螺旋溝槽表面淬火技術

第一重型機械集團公司有限公司 （黑龍江齊齊哈爾 161042） 劉時雨 蔣 波 李 強

礦山用大型電鏟用于露天礦開采、裝卸，工作場地復雜，裝載量大，按鏟斗裝載量主要分為28～51m3不等型號。卷筒是其關鍵部件之一，采用卷筒雙螺旋溝槽形式，實際使用時，卷筒與提升鏟斗鋼絲繩反復強烈摩擦，故要求卷筒基體具有較高的強度、韌性，溝槽表面要求具有優良的耐磨性能。

1. 電鏟卷筒采用感應淬火背景

由于雙螺旋溝槽的特殊形狀，表面淬火困難極大。此類產品我公司于1985年在美國PH公司的協助下，采用火焰淬火進行過熱處理。但火焰淬火的質量存在不穩定性，難以滿足圖樣技術要求。而電鏟卷筒外委到具有表淬設備的國內某廠家生產，雖已成功交付了兩套，但溝槽淬火質量較差，尤其是槽底出現了大量形態不一的裂紋。

為保障產品進度與質量，只能立足內部設備改造與技術創新。基于卷筒不同直徑尺寸，利用公司現有臥式感應淬火機床，設計、制作了工裝附具、感應器、噴水器、防竄動裝置及合理的工藝參數，邊試生產邊優化工藝參數。在不影響其他產品件表面淬火的前提下，順利地完成了電鏟卷筒感應淬火。同時，改造后的設備也兼顧了凹面、凸面的不同類型產品的表面淬火生產。

2. 提升卷筒簡介

（1）卷筒技術要求和表面淬火情況 28m3電鏟提升卷筒采用45鋼制造，材料臨界溫度見表1。基本外形尺寸：φ1403mm×2209mm（含法蘭），單重10 477kg，溝槽為雙螺旋狀，單側周長666.75mm，節距127mm。圖1為其結構示意。卷筒203mm寬油封處表面淬火，硬度大于285HBW，提升卷筒雙螺旋溝槽整個槽面需表面淬火，淬火硬度50～55HRC，淬硬層深大于2.3mm。

表1 45鋼材料臨界溫度 （℃）

圖1 電鏟提升卷筒尺寸

卷筒生產工序為：煉鋼→鍛造→粗加工→調質→法蘭焊接→半精加工→表面淬火→精加工→裝配。其中，調質的目的是為了提高卷筒基體強度，調整組織，為以后表面淬火做準備。表面淬火工序的目的是提高雙螺旋溝槽表面硬度，保證其耐磨性能。

（2）表面淬火設備情況 我公司采用臥式軸類淬火機床，機床最大生產能力為φ0.7m×5m，感應器最大行程4m，功率和頻率分別為250kW、0.5～10kHz。對于螺旋溝槽表面淬火，設備功率足夠，但淬火機床不具備三維調節裝置，必須設計專用輔具。

（3）表面淬火工藝難度 電鏟卷筒雙螺旋溝槽的特殊性決定了其表面淬火難度大。

第一，電鏟卷筒淬火面為特殊的螺旋圓弧溝槽，在淬火過程中，既要保證螺旋圓弧面均勻淬硬（圓弧直徑僅55mm左右），還要防止兩側相鄰弧頂過熱開裂。

第二，電鏟卷筒螺旋圓弧溝槽頂與槽底外圓周長差別較大，按以往感應加熱方式，槽底相對加熱比功率大于槽頂，造成槽底加熱溫度比槽頂高，淬火時槽底產生較大的熱應力、組織應力，容易產生淬火裂紋。

第三，因立足公司內生產，從附具設計、火焰噴嘴形式、托架制作、感應器制作及工藝試驗等一切都需要從零做起，缺少可參考的資料和經驗。

3. 提升卷筒設備方案

（1）淬火設備組成 考慮到以后可能生產大型電鏟產品，淬火附具設計參數可以滿足外圓φ2500～φ1300mm， 長度3000～1500mm卷筒表面淬火生產。淬火設備初步由感應器（新制作）、噴水器（新制作）、電源及變壓器（原有）、水冷電纜（原有）、托輥、感應器夾持裝置（新制作）及淬火機床（原有）等組成。

（2）感應器噴水器的制作 提升卷筒相鄰槽頂處淬火時會產生尖角效應，容易過熱，甚至崩邊造成廢品，為此設計了專用淬火感應器。感應器、噴水器采用仿弧形一體設計，近槽頂處收口5mm左右；感應器弧形內加導磁體，感應器下方一定角度鉆孔，用作噴水冷卻；感應器上面兩側配置弧頂預冷用水冷噴嘴，并可獨立調整位置，且可調節水壓、水量，如圖2所示，實物照片見圖3。

圖2 感應器示意

圖3 感應器照片

（3）感應器夾持裝置設計制作 感應器夾持裝置上必須安裝以下設備：變壓器及連接水冷電纜（原變壓器及連接水冷電纜固定結構件尺寸為600mm×600mm×1200mm），感應器、噴水器夾持裝置，感應器三維手動調節裝置。

設計參數說明：感應器中點與托輥中心距離約950mm，距地面約1700mm；感應器、噴水器三維手動調節距離為前后±300mm、上下±350mm、左右±100mm；小車承重為變壓器、感應器、噴水器及其配套設施重量，同時考慮連接水冷電纜移動拉力。

（4）速度匹配 根據公司臥式淬火機床功率等因素，卷筒溝槽淬火時感應器沿卷筒圓周移動線速度控制在150～180mm/min，感應器橫向移動速度2.1～2.7mm/min，按卷筒直徑1400mm計，即使加熱單側一條螺旋溝槽至少需用總淬火時間240～300min。4條溝槽感應淬火總時間達到16h，此時間還沒算預熱、機床調整時間，因此卷筒在托輥上旋轉速度與橫向移動速度匹配很重要。為達到此目的，特設計并加工了一個新帶輪替換原有帶輪，見圖4。

圖4 速度配比用帶輪

（5）防竄動裝置 由于電鏟卷筒上螺旋溝槽在托輥上長時間轉動時，必然產生橫向運動，夾持感應器小車在淬火過程中必須保證感應器與電鏟卷筒相對位置穩定，不受卷筒橫向運動影響，為此設計了一套防竄動附具。防竄動附具采用兩個固定在底座上的輥輪夾持卷筒法蘭兩側，見圖5、圖6。

圖5 防竄動裝置

圖6 防竄動裝置照片

4. 實際試生產

（1）淬硬層試驗 為節省成本，按28m3電鏟提升卷筒溝槽形狀及尺寸投制了4件長方形平面試驗件，尺寸500mm×520mm。按表2方案進行感應淬火試驗。

按表2條件進行試驗件表面淬火試驗，淬火后沒進行回火，試驗件表面拋光后用HL-80數顯硬度計進行淬火硬度檢測及滲透檢查。然后切開試驗件（見圖7），磨削截面，酸洗并測淬硬層深度。結果見表3。

表2 感應淬火試驗方案

表3 感應加熱淬火試驗結果

圖7 試驗件

由上述試驗結果分析，卷筒溝槽表面淬火仿弧形感應器設計基本成功，頻率5000～8000Hz，功率36～40kW，可以滿足技術要求。表面淬火前預熱可以改善淬火質量，減輕淬裂性傾向。

（2）試生產工藝參數 試生產還投制了感應器夾持裝置、專用噴水器、感應器等設備。試生產工藝參數：卷筒先用平板感應器淬火203mm寬油封，淬火后轉臺車爐回火，回火保溫后空冷到200℃轉中頻感應淬火機床利用余熱進行溝槽淬火，頻率6300Hz、功率39kW，加熱溫度870～910℃，冷卻水溫20～40℃；淬火后190℃回火。

（3）檢查結果 第一件卷筒：203mm寬油封表面硬度40HRC左右；溝槽表面硬度47～50HRC，無明顯軟帶。卷筒表面打磨、著色檢查，非法蘭端第一槽有明顯淬火裂紋，長度斷續500mm，同螺旋其他槽有微裂；法蘭側第一槽有淬火裂紋，托輥橫向抖動時淬火處有明顯橫紋。打磨檢查非法蘭端第一槽裂紋較深，至少深2mm以上，其他裂紋深度較淺。如圖8所示。

圖8 第一件卷筒滲透檢查照片

第二件卷筒：203mm寬油封表面硬度40HRC左右；溝槽表面硬度48～51HRC，非法蘭側第三、第五道溝底寬15mm、長300mm左右存在軟點。卷筒表面經打磨、著色檢查，法蘭側第六、八槽，基本裂一周，淬火過程中感應器停止處有橫裂；非法蘭側1～2槽有縱向裂紋，斷續1/4圓周，如圖9所示。

圖9 第二件卷筒滲透檢查照片

（4）原因分析 第一，卷筒表面淬火托輥非專用托輥，速度調整精確度不高，長時間旋轉抖動明顯。托輥雖有無級調速裝置，但托輥旋轉速度不穩，嚴重影響淬火質量。另外，兩托輥獨立放置，兩托輥同心度及兩托輥中心線與機床導軌平行度很難控制，影響卷筒淬火質量。

第二，卷筒利用臺車爐回火余熱淬火，由于表面淬火時間長，卷筒表面溫度降低明顯，導致淬火應力過大。

第三，卷筒雙螺旋溝槽底與槽頂圓周長差別大，以直徑1400mm計算，槽頂周長4396mm，槽底周長4000.36mm，仿弧形感應器加熱弧頂與弧底的線速度不一樣，導致卷筒溝槽底加熱溫度高，槽底淬火應力大。

（5）改進措施 定制一體專用底座、托輥間距可調、精確調速托輥。采用火焰預熱，定制兩把大功率火焰加熱器，加熱器放置在卷筒兩側內孔中，卷筒淬火前先預熱，待螺旋溝槽表面溫度達120～180℃時，進行淬火。同時利用余熱自回火，減少溝槽淬火后停留時間。

感應加熱速度極快，幾秒內將工件表面溫度由室溫加熱到850℃以上，感應器形式對加熱效果影響極大。尤其圓形溝槽表面感應加熱，槽頂與槽底圓周長度的差距、導磁體布置形式等因素必須考慮。改進后感應器如圖10所示（W1≈W2+2～4mm）。

5. 實際生產

（1）工藝參數 油封面滾壓取代原感應淬火工序，保證其表面硬度達到圖樣要求；火焰預熱溫度≥120℃時開始感應淬火。淬火過程中感應器上部預熱溫度保持在120～170℃。卷筒沿圓周旋轉線速度150mm/min，感應器橫向移動速度5mm/min。

淬火時感應器與卷筒成形溝槽表面間距控制在3～4mm，感應器加熱頻率6300Hz，加熱功率根據實際溝槽預熱溫度在35～40kW內適當調整，感應加熱溫度870～910℃、冷卻水溫20～40℃。表面淬火過程中成形螺旋溝槽頂端5～8mm范圍內用淋齒冷卻管進行充預冷，淬火過程保證完整螺旋溝槽一次完成。卷筒一側溝槽淬火后，按上述參數淬火卷筒的另一側溝槽。淬火后卷筒利用預熱熱量自回火，不再進行整體回火處理。

圖11為卷筒感應淬火裝置示意。圖12為卷筒火焰加熱裝置。

圖10 改進后感應器示意

圖11 卷筒感應淬火裝置示意

圖12 火焰加熱裝置照片

（2）檢查結果 按上述工藝進行了兩件卷筒表面淬火，硬度結果見表4、表5。淬火面經表面滲透檢查（見圖13、圖14），除法蘭側有少許斷續裂紋，其余處均未發現裂紋。斷續裂紋經手工打磨0.2mm左右清除干凈，其產生原因是非法蘭端第一槽由于處于火焰加熱死角而溫度偏低所致。

表4 第三件卷筒感應淬火后表面硬度 （HRC）

表5 第四件卷筒感應淬火后表面硬度 （HRC）

圖13 第三件卷筒滲透檢查照片

圖14 第四件卷筒滲透檢查照片

6. 發明及創新點

（1）淬火過程卷筒成形溝槽頂部預冷 卷筒成形溝槽頂部由于尖角效應，感應加熱時溫度相對于溝槽其他加熱表面淬火應力高，再進行下一次相鄰溝槽淬火時產生二次淬火現象，造成崩邊。通過感應器兩側安裝淋齒預冷裝置，感應加熱時預冷成形溝槽頂部，可防止尖角過熱現象。

（2）仿形感應器設計與制作 制作螺旋溝槽仿形感應器及噴水器，并按溝槽頂、溝槽底的圓周差，適當增加感應器對應槽底距離，并合理布置導磁體，使感應產生的渦流在溝槽表面均勻化。

（3）卷筒感應淬火參數的制訂 螺旋溝槽感應加熱后產生的熱應力、組織應力分布狀態很復雜，加上加熱、冷卻不確定因素，溝槽淬火后開裂傾向很大。卷筒淬火前預熱，并通過預熱熱量控制表面淬火冷卻終冷溫度，以控制馬氏體的轉變量，進而達到減少淬火應力及自回火的目的。

此卷筒的生產工藝與成品質量，經外方代表認定，與PH公司不相上下，處于國內領先水平。尤其實現卷筒表面感應加熱生產自動化，使卷筒溝槽表面淬火硬度、淬硬層深度均勻化，提高了產品使用壽命。而卷筒的自回火方法又節省了生產成本，減少了占爐周期。