低噪长寿命齿圈关键工序工艺的研究及应用

■ 李金年，梁超

齿圈是各类柴油机或汽油机的重要部件。齿圈与为发动机提供转动惯量的圆盘组成一个部件，在发动机起动时，通过飞轮齿圈与起动机的齿轮啮合，带动曲轴旋转，使发动机正常工作。发动机起动时，齿圈与齿轮啮合的瞬间冲击较大，齿间发出撞击声，因此如何在齿圈设计与制造过程中提高产品的抗冲击能力、减少啮合噪声等方面，同时提高生产效率、延长齿圈使用寿命上已经成为提高产品竞争能力的核心技术。

齿圈在机加工完成后都要进行热处理，以提高其表面硬度及耐磨性能。目前常用热处理工艺为高频感应淬火，多数用于工业金属零件表面淬火，是使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，然后迅速淬火的一种金属热处理方法。使用的设备为高频淬火感应器，感应加热的原理：工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电(1000～300000Hz或更高)的空心铜管，铜管制作成方管形状，通过设计好的胎具在加热变形的条件下快速完成整形，做成想要的圆柱形感应器，产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个趋肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800～1000℃，而心部温度升高很小。普通的齿圈淬火要求一般为淬透件，齿圈的两端面淬硬层深度、硬度及金相等级均相同，此结构能够满足普通齿圈的淬火要求，淬出来的工件淬硬层深度上下一致。

一、倒梯形结构齿圈淬火感应器的应用

国内齿圈热处理主要应用高频感应淬火工艺，但是因感应器的结构会带来不同的淬硬效果。通常齿圈上下两端面的淬硬层深度相同，即两端面的淬硬层硬度也相同，硬度高了就会产生齿心部脆易断裂的缺陷，大大降低齿的耐用性。在齿圈的实际工作时，仅仅与啮合齿轮接近的端面受较大的冲击，而与飞轮连接贴合的端面应该保持较软具有缓冲的功用最佳。这样归结起来就是齿面硬、齿心部相对较软才是最佳的齿圈淬火状态，倒梯形结构的淬火感应器可以达到这个“外硬内软”的理想状态。

根据齿圈的实际使用情况，与起动机齿轮啮合时的进入端受冲击力较大，工作频次大，即齿圈的倒角端与齿圈的非倒角端面承受不同的载荷，对齿圈两端面的淬硬层深度要求不同，硬度也不相同，并且为了保证齿的使用寿命，且淬硬层不能过齿根圆，这就是所谓的“阴阳脸”。在实际加工过程中虽然由于某些因素会导致“阴阳脸”的产生，但是这些“阴阳脸”属于热处理缺陷，无法精确控制。

采用倒梯结构齿圈淬火感应器，很好地解决了传统高频感应淬火工艺无法实现齿圈“阴阳脸”的技术问题，从而大幅提高了齿圈件的使用寿命。

下面结合图1、图2和实施案例对此特殊高频感应淬火工艺进一步说明。

一种齿圈高频感应淬火工艺，包括以下步骤：

（1）调整淬火感应圈1的截面形状，使淬火感应圈的截面形状为直角梯形（见图2b），淬火感应圈的三个直角边的外周均包覆有导磁体4，导磁体进行磁场屏蔽，减少能量损失，起到了节能作用，淬火感应圈1水平放置且淬火感应圈的长直角边5朝上，将齿圈2放置于淬火感应圈1内且齿圈2的倒角端面6朝上。

（2）第一次淬火，淬火感应圈1的长直角边5到齿圈2的倒角端面6的落差为第一设定距离，加热时间设定为第一设定时间，冷却时间设定为第二设定时间。

（3）第二次淬火，淬火感应圈1的短直角边8到齿圈2的非倒角端面7的落差为第二设定距离，加热时间设定为第三设定时间，冷却时间设定为第四设定时间。

本方案可以根据齿圈2两端面的硬度要求以及淬火深度的要求，调整第一次淬火和第二次淬火的工艺参数，使得“阴阳脸”可以通过参数调整来控制，解决了长期困扰本领域的技术难题。

下面，以齿圈2的厚度为17.5mm、淬火感应圈1的厚度为26mm为例详细介绍以上特殊工艺过程。

使用工装撑紧齿圈2的内圈，使得齿圈2的倒角端面6朝上放置于淬火感应圈1中，齿圈2与淬火感应圈1同心设置，淬火感应圈1的长直角边5朝上设置，位于淬火感应圈1的短直角边8一侧设有矩形截面结构的喷水圈3，喷水圈3通过紧固件与淬火感应圈1连接在一起，用于喷水冷却，淬火冷却介质浓度为3%～5%，其浓度太小淬火件易出现裂纹现象，浓度太大淬火件的硬度不够。

图 1

第一次淬火时，淬火感应圈1的长直角边5到齿圈2的倒角端面6的落差为3.5mm，加热时间设定为5.8s，冷却时间设定为10s，冷却时间即喷水时间，也需要控制，时间短易出现屈氏体，甚至是喷水压力也应该有效控制，通常压力控制在0.3～0.45MPa，压力小易导致淬火件金相组织不均匀，易出现屈氏体，降低金相等级。

冷却后调整齿圈2位置，然后进行第二次淬火，淬火感应圈1的短直角边8到齿圈2的非倒角端面7的落差为2mm，加热时间设定为5.7s，冷却时间设定为10s，同样，冷却时间和喷水压力参考第一次淬火。

齿圈2一次淬火不能加工出想要的淬硬层，中间有断层，通过两次淬火，齿圈2两端面的淬硬层深度不同，并且齿圈2的倒角端面6的硬度为50～56HRC，齿圈2的非倒角端面7的硬度为25～35HRC，倒角端面6的淬硬层深度为齿根以下0.5～2.0mm，齿宽中心剖面的淬硬层不超过齿根圆，很好地控制了“阴阳脸”。

图 2

本方案不仅适应于齿圈2的淬火工艺，还适合于其他产品的“阴阳脸”处理工艺，这些产品具有两个端面，且两端面的淬硬层的深度和硬度都有要求，例如链轮、矿山设备中的耐磨圈等，不一一举例。

二、减少齿圈装配时加热带来的二次能源浪费及齿圈淬火余热浪费

在齿圈淬火处理时根据供应形式的不同，可以通过淬火机床程序设定相应工艺参数完成自回火处理，还可以利用淬火余热实现齿圈与飞轮件的热装，减少整机厂齿圈热装工序二次加热带来的能源浪费，实现经济效益最大化；同时减小齿圈二次（重复）加热导致硬度降低退火的风险。

1. 齿圈自回火工艺研究

通过减小冷却时间，利用淬火加热产生的余热进行齿圈自回火，把淬火工序与回火工序合并，省掉回火工序能源费用及人工成本。

试验设备：使用ZT-250淬火机床，如图3所示。检测工具使用TM-902C温度检测仪，如图4所示。

自回火试验数据见表1，自回火试验件2金相检测数据见表2，自回火试验件3金相检测数据见表3。金相检测如图5所示。

表1 自回火试验数据

表2 自回火试验件2金相检测数据

2. 齿圈淬火余热热装工艺研究

利用飞轮齿圈高频感应淬火余热实现齿圈压装工艺的工序可以并入到飞轮机加工线形成连线的生产模式。缩短飞轮总成加工线的物流距离，减少不必要的资源浪费，增加产品收益。另外，由于采用总成件方式的供应，一方面减少了整机厂分装线的投入，另一方面作为飞轮组件供应方，为公司增加了销售收入。

国内的发动机整机厂多数还是以传统的分装形式完成飞轮齿圈的压装，再以飞轮组件的形式送到整机装配线完成发动机的组装。如潍柴发动机装配线，其总装线旁边还设立飞轮部件的分装预装线，承担飞轮部件上线前的预装任务。

当前，国内外齿圈制造工艺普遍存在能耗大、环保不达标等诸多弊端，研发、制造水平均处于较低的水准。而该工艺方案可降低齿圈加工能耗，节约劳动成本，有着广阔的推广应用前景。

图 3

图 4

表3 自回火试验件3金相检测数据

图5 金相检测