再制造技術(shù)下的采煤機(jī)齒輪制造

丹慧芳

（河北天擇重型機(jī)械有限公司，河北 邯鄲 056200）

0 引言

現(xiàn)在采煤機(jī)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，采煤機(jī)質(zhì)量的好壞直接影響著煤礦的效益，齒輪作為采煤機(jī)傳動(dòng)的主要零件，直接影響采煤機(jī)的質(zhì)量。在煤礦工況惡劣的情況下，齒輪所受到的應(yīng)力也是在不停地變化，這就使得齒輪成為一種易磨損零件。如果一旦磨損就更換全新的齒輪不僅會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)，也會(huì)產(chǎn)生較高的成本支出。應(yīng)用再制造技術(shù)能通過恢復(fù)齒輪的部分性能來(lái)延長(zhǎng)齒輪的使用壽命。隨著再制造技術(shù)的發(fā)展，再制造的齒輪性能可達(dá)到甚至能超過原來(lái)性能，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏。

1 加工工藝

1.1 大圓角凸頭滾刀的應(yīng)用

在采煤機(jī)齒輪制造中運(yùn)用大圓角凸頭滾刀工藝不僅能增強(qiáng)齒輪的抗彎強(qiáng)度，還能減少齒根應(yīng)力集中。我廠生產(chǎn)的某齒輪，其材料為18Cr2Ni4WA，壓力角為20°，模數(shù)為10 mm?，F(xiàn)以此為例來(lái)說(shuō)明大圓角凸頭滾刀工藝在齒輪制造中的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)的齒根圓角是R1 mm，徑向間隙是2.5 mm，由于齒根圓角較小，應(yīng)力過于集中，使得磨齒后容易出現(xiàn)臺(tái)痕，改用大圓角凸頭滾刀新工藝后，齒根圓角變?yōu)镽4 mm，徑向間隙變?yōu)? mm，有效避免了上述問題。在淬火、滲碳等熱處理后對(duì)齒輪進(jìn)行噴丸處理能進(jìn)一步提升齒根強(qiáng)度。

1.2 氮化鈦涂層插齒刀的應(yīng)用

為了提升外齒與漸開線花鍵孔的質(zhì)量，漸開線花鍵孔的加工可采用氮化鈦涂層插齒刀工藝。用18Cr2Ni4WA材料制造的齒輪，其內(nèi)孔多是壓力角為30°、模數(shù)為3～5 mm的漸開線花鍵孔。通常情況下，淬火、滲碳等熱處理可使心部硬度達(dá)到42 HRC左右，外齒齒面硬度達(dá)到60 HRC左右，為了不影響后期加工，心部硬度不宜過高，應(yīng)在30～36 HRC的范圍內(nèi)。中小模數(shù)齒輪的內(nèi)花鍵孔非常容易變形，為了減少變形對(duì)其質(zhì)量的影響會(huì)采用中、高頻感應(yīng)加熱淬火［1］。不過由于采煤機(jī)外齒輪有較大的模數(shù)，中、高頻感應(yīng)加熱淬火也很難達(dá)到主傳動(dòng)齒輪的強(qiáng)度要求，硬度不均勻的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，齒輪強(qiáng)度不夠，使用壽命就不能得到保證。對(duì)此，可在滲碳后切除內(nèi)孔滲碳層，然后整體淬火，最后采用氮化鈦涂層插齒刀加工漸開線花鍵孔。與普通的插齒刀相比，氮化鈦涂層插齒刀不僅能加工心部硬度達(dá)到30～36 HRC的漸開線花鍵孔，其加工工藝水平也更高，能很好滿足齒輪的設(shè)計(jì)要求。

1.3 內(nèi)齒圈變形的處理

我廠生產(chǎn)的MG300/711-WD采煤機(jī)，內(nèi)齒圈采用42 CrMo的材料，內(nèi)、外徑分別為639 mm、790 mm，模數(shù)為10 mm，壓力角為20°，齒數(shù)65。由于內(nèi)齒圈屬薄壁類零件，需要高水平的熱處理和切削加工水平，否則就會(huì)出現(xiàn)變形，影響加工質(zhì)量。對(duì)此可在鍛造后進(jìn)行正火處理，把調(diào)質(zhì)放在粗車后，使硬度增加20～60 HBS。正火處理和調(diào)質(zhì)均是為了盡可能地消除內(nèi)應(yīng)力，通過穩(wěn)定組織、細(xì)化晶粒來(lái)實(shí)現(xiàn)降低表面粗糙度、提升切削性能的目標(biāo)。半精車后進(jìn)行人工時(shí)效，可有效避免內(nèi)齒圈變形。精車時(shí)端面壓緊可有效避免零件裝夾變形。插齒分粗插和精插，而精插齒很少或不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，其插齒精度完全可以得到保障［2］，而粗插環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)應(yīng)力，可經(jīng)第二次人工時(shí)效處理來(lái)消除。齒機(jī)上的精插齒結(jié)束后會(huì)進(jìn)行氮化處理，氮化處理在井式氣體氮化爐中進(jìn)行，可把氮化層的硬度提升到600 HV以上，深度由0.3 mm提高到 0.4～0.6 mm。為了避免空氣進(jìn)入氧化，應(yīng)確保氮化爐具有較高的密封性。為了確保內(nèi)齒圈的硬度和氮化層均勻，可采用風(fēng)扇攪拌氮?dú)?，使氮?dú)饩鶆蚍植加趦?nèi)齒圈中。

1.4 齒面龜裂和拉毛的處理

對(duì)于低速重載齒輪易出現(xiàn)齒面龜裂和拉毛的問題，可采用高強(qiáng)度合金鋼硬齒面磨齒的加工工藝，在綜合控制磨削用量、熱處理工藝、磨削砂輪粒度、磨削砂輪硬度、切削液等因素的基礎(chǔ)上以浮動(dòng)無(wú)支撐的太陽(yáng)輪進(jìn)行鼓形齒磨削，以避免上述問題的出現(xiàn)。

2 18Cr2Ni4WA材料齒輪的熱處理工藝

高韌性、高強(qiáng)度、高淬透性是18Cr2Ni4WA材料的主要特點(diǎn)，通過加深齒輪滲碳層深度進(jìn)一步增強(qiáng)材料的強(qiáng)度，可供選擇的有1.7～2.1 mm和1.9～2.3 mm。淬火能加深齒面硬度層，心部硬度能達(dá)到30～36 HRC或36～42 HRC，齒面硬度能達(dá)到58～62 HRC。根據(jù)矩形花鍵硬度來(lái)控制漸開線花鍵內(nèi)孔的硬度，使兩者保持一致均為30～36 HRC。確保過渡層平緩，表面滲碳濃度處在0.75%～1%的范圍內(nèi)，表面滲碳層68%～70%是有效硬化層。金相組織：脫碳層厚度不超過0.05 mm，碳化物級(jí)別不超過3級(jí)，心部力學(xué)性能要符合要求。滲碳和淬火是熱處理的核心內(nèi)容，也是質(zhì)量控制的關(guān)鍵［3］。18Cr2Ni4WA 材料含有 Si、Mn、Ni、Cr、W 等多種元素，其中Si、Mn含量最少，很難影響滲碳層濃度和梯度，Ni含量最多，不是碳化物的形成元素，決定了滲碳層濃度和梯度以及淬透性。Cr、W具有較強(qiáng)的吸碳能力，是碳化物的形成元素，能使?jié)B層濃度梯度變陡，濃度升高。由于含有Ni、Cr、W元素，濃度梯度變陡，滲層碳濃度升高。由于容易產(chǎn)生網(wǎng)狀碳化物，一般的滲碳方法不能保證滲層的強(qiáng)度，容易出現(xiàn)裂紋。對(duì)此，我們可以采用以煤油、甲醇為滲劑的分段滲碳法，該方法包括排氣、升溫、強(qiáng)滲、擴(kuò)散等階段，為了避免滲碳層網(wǎng)狀碳化物，可在不同的階段采用不同的溫度和碳勢(shì)。分段滲碳后，在220℃、420℃、540℃硝鹽槽中對(duì)18Cr2Ni4WA的齒輪進(jìn)行分級(jí)淬火，在確保滿足心部硬度要求的同時(shí)，使心部獲得低碳貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體組織。為了進(jìn)一步提升8Cr2Ni4WA材料硬度，可在清洗完表面殘鹽后進(jìn)行冷處理，讓滲層中殘余奧氏體在-60～80℃的液氮＋酒精溶液中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。最后進(jìn)行低溫回火和噴丸處理。

3 涂層技術(shù)的選擇

熱噴涂涂層技術(shù)、電火花涂層技術(shù)、離子注入涂層技術(shù)是最主要的涂層技術(shù)，各個(gè)技術(shù)各有優(yōu)劣。電火花涂層技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：性能更強(qiáng)，在沉積階段負(fù)載被輸入能降到只有1%，沉積涂層以105℃/s的速度冷卻，這極大地增強(qiáng)了涂層的抗腐蝕性和抗磨損性；更容易控制變形，由于電火花涂層技術(shù)的熱輸入較小，室溫就能滿足溫度需要。熱噴涂涂層技術(shù)在制造行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，不同的應(yīng)用領(lǐng)域分為不同的類別，有低壓、等離子噴涂、電弧噴涂、超音速火焰噴涂等技術(shù)。根據(jù)材料不同，熱噴涂涂層可分為尺寸修復(fù)涂層、抗腐蝕涂層、抗磨涂層等［4］。在制造技術(shù)中，離子注入涂層技術(shù)分為化學(xué)氣相沉積涂層技術(shù)、電子束氣相沉積涂層技術(shù)、物理氣相涂層沉積技術(shù)等，在化學(xué)或物理的條件下產(chǎn)生離子，并附著、沉淀在齒輪表面，增強(qiáng)齒輪的力學(xué)性能。本文通過采煤機(jī)齒輪的磨損實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證各種涂層技術(shù)的優(yōu)劣。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

計(jì)算機(jī)、MMW-1立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是兩個(gè)最主要的核心設(shè)備，試驗(yàn)機(jī)通過預(yù)留接口與計(jì)算機(jī)相連［5］。記錄軟件和Execl是運(yùn)用計(jì)算機(jī)的主要方式，通過記錄軟件收集轉(zhuǎn)速、摩擦系數(shù)、摩擦力、摩擦力矩等數(shù)據(jù)，通過Execl實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分類、輸出和處理，并根據(jù)格式要求給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3.2 試驗(yàn)參數(shù)和方法

采煤機(jī)齒輪是本試驗(yàn)的研究對(duì)象，其型號(hào)是MG2×100/452-BWG，具體參數(shù)如表1所示。

表 1 MG2×100/452-BWG 型采煤機(jī)齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)工況的選擇

對(duì) MG2×100/452-BWG型采煤機(jī)齒輪進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表2所示。

在摩擦試驗(yàn)的前10min內(nèi)完成2次速度和荷載的調(diào)整，直至達(dá)到設(shè)計(jì)值。第一次調(diào)整：歷時(shí)5 min，期間加65%的轉(zhuǎn)速和35%的荷載。第二次調(diào)整：歷時(shí)5 min，期間再加20%的轉(zhuǎn)速和40%的荷載。直至速度和荷載均達(dá)到設(shè)計(jì)值。分別在油潤(rùn)滑摩擦和干摩擦下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，每次1 h。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

無(wú)論采用何種涂層技術(shù)，干摩擦下的涂層磨損都在不斷增加，這說(shuō)明采煤機(jī)齒輪不宜在無(wú)油狀況下做功。油摩擦下的涂層磨損都比較緩慢，離子注入涂層表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，這說(shuō)明應(yīng)盡可能采用離子注入涂層技術(shù)對(duì)齒輪進(jìn)行涂層。

4 結(jié)語(yǔ)

相關(guān)試驗(yàn)表明，綜合運(yùn)用上述再制造工藝能有效提升采煤機(jī)齒輪的再制造質(zhì)量，在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，采用上述再制造工藝的齒輪，其使用壽命更長(zhǎng)，性能更強(qiáng)，能達(dá)到或超過新品質(zhì)量水平。

［1］ 謝蕾.基于再制造技術(shù)的采煤機(jī)齒輪的制造研究［J］.煤礦機(jī)械，2013，34（8）∶157-159.

［2］ 胡曉，錢沛云，陳曦暉，等.基于多尺度熵-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)搖臂齒輪故障診斷［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014（18）∶4-7.

［3］ 白樹全，高美蘭，王紅，等.采煤機(jī)重載齒輪的制造及其熱處理工藝［J］.鑄造技術(shù)，2012，33（4）∶412-413

［4］ 陳曦暉，吳行標(biāo)，程剛，等.基于多尺度均方根-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)搖臂齒輪故障診斷［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（13）∶49-51.

［5］ 趙麗娟，蘭金寶.采煤機(jī)截割部傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真［J］.振動(dòng)與沖擊，2014（23）∶106-110.