CN100584517C - 焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，按如下步骤进行：加工齿圈的内、外圆和两端面，加工轮毂、辐板，在轮毂的内孔和两端面放留余量；齿圈齿形粗加工，放留余量；齿圈渗碳淬火，油冷，然后低温回火；组焊辐板和轮毂，然后在自动焊机的旋转工作台上将齿圈和辐板组焊，在焊接前对齿圈进行预热，在齿圈预热和焊接时不停的回转过程中，通过冷却装置对齿部用冷却液冷却，使齿部的温度在200℃以下；对焊缝进行超声波探伤；频谱谐波振动去应力；精加工工序。本发明既能保持渗碳淬火后齿轮齿面的硬度及其性能，又能保证焊缝质量，解决焊缝开裂的问题，此外，采用振动去应力工艺消除焊接应力，既环保又能大大降低能耗。

Description

焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺

技术领域

本发明涉及一种齿轮的工艺方案，尤其涉及一种大型焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺。

背景技术

大型齿轮箱，在保证大功率传动需要的同时，为适应某些特殊场合的运用还必须考虑其轻量化的需要，同时齿轮的轮齿要能耐磨、抗冲击，需使用较好的合金材料，为节约成本，大型齿轮一般都不是整体式结构，往往将齿圈、轮辐、轮毂各自单独加工，然后采用焊接、烘装或用紧固件将其连接成整体。由于焊接结构渗碳淬火齿轮的齿圈径向厚度尺寸可相应减薄，节约了较贵的合金材料，而且减少了组合式齿轮中钻铰孔等繁杂工序，并无需使用大量的紧固件，从而大大降低成本，因此焊接结构渗碳淬火齿轮以其工艺流程简单、生产周期短、重量轻、成本低，而受到广泛的运用。特别是重量受到限制的某些设备，采用焊接结构渗碳淬火硬齿面齿轮更能体现出它的优越性，因而在现今的船舶、冶金等行业中，焊接结构渗碳淬火齿轮也被逐渐采用。

为了保证齿圈轮齿在大功率传动时有足够的强度，齿圈材料一般均采用低碳、合金元素较多的合金结构钢并经渗碳淬火处理。如果先将齿圈进行渗碳淬火处理再与轮辐等件进行焊接，由于焊接前会对齿圈进行预热并且在焊接过程中会产生大量的热量，当齿面温度超过渗碳淬火齿轮的低温回火温度时，轮齿齿面硬度会降低从而影响其性能。而且，为了消除焊接应力，在焊后需要对焊接组件进行热时效处理，如果温度过低就达不到去应力的效果，而温度过高则又会降低齿面的硬度，从而影响其性能。因此，目前国内外所有焊接结构的渗碳淬火齿轮都采用先焊接后进行渗碳淬火的工艺，由于合金结构钢属于可焊性很差的材料，需要在焊接工序和热处理工序采取一系列措施来保证焊缝质量，尽管如此，齿轮在经过渗碳淬火工序之后，由于应力作用，焊缝很容易开裂，因此，虽然焊接结构渗碳淬火齿轮具有很多组装结构渗碳淬火齿轮无可比拟的优势，但由于目前没有完全掌握其制造工艺技术，严重制约了其在各个行业的推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，它既能保持渗碳淬火后齿轮齿面的硬度和性能，又能保证焊缝质量，解决焊接变形，焊缝开裂的问题。

为解决以上技术问题，本发明包括制作齿圈、轮毂的锻件毛坯，以及刬线、下料辐板，在备好各件的毛坯后，按如下步骤进行：

(1)、加工齿圈的内、外圆和两端面，加工轮毂、辐板，在轮毂的内孔和两端面放留余量；

(2)、齿圈齿形粗加工，放留精加工余量；

(3)、齿圈渗碳淬火，淬火温度为810℃～850℃，油冷，然后低温回火，回火温度为200℃～220℃；

(4)、先将辐板和轮毂组焊成一体，然后在自动焊机的旋转工作台上将齿圈与辐板组焊，在焊接前对齿圈进行预热，在齿圈预热和焊接时不停的回转过程中，通过冷却装置对齿部用冷却液冷却，使齿部的温度在200℃以下；

(5)、对焊缝进行超声波探伤；

(6)、频谱谐波振动去应力；

(7)、精加工轮毂内孔和两端面，将齿轮与相配轴烘装，控制齿部的温度在200℃以下，最后对齿圈齿形进行精加工。

上述步骤中的所述冷却装置包括水箱、输送泵、过滤系统、输送管道、外围罩和保护罩，所述输送管道的末端设有朝向所述齿圈外圆的喷嘴，所述外围罩和保护罩为环状，外围罩向上延伸地设在自动焊机旋转工作台的边缘，以围合、收纳冷却液，所述保护罩向上延伸地设在齿圈上端面，位于齿根以内的齿圈中部，以阻挡冷却液溅到焊接部位；输送泵将冷却液从水箱中抽出并经过滤系统过滤由输送管道送至旋转工作台，冷却液从输送管道末端所设的喷嘴中喷出后喷淋到齿圈外圆的齿部。

上述步骤中，所述输送管道末端所设的喷嘴为2～4个，使冷却液能更加均匀地喷出。

上述步骤中，所述齿圈齿形的粗加工为滚齿。

上述步骤中，所述齿圈的渗碳淬火，采用气体渗碳法，渗碳剂为异丙醇，渗碳温度为910℃～930℃。

上述步骤中，所述的频谱谐波振动去应力采用振动消除应力专家系统进行。

上述步骤中，所述齿圈齿形的精加工为磨齿，精车或磨削轮毂内孔和两端面。

上述步骤中，所述齿圈的材料为17CrNiMo6或20CrMnMo。

上述步骤中，还包括刬线、下料和机加工筋板，所述辐板为两块，筋板衬在两辐板之间，辐板与筋板、轮毂焊接后，在自动焊机的旋转工作台上将齿圈与辐板进行组焊。

本发明先对齿圈进行渗碳淬火处理，再将齿圈、辐板和轮毂组焊，这就避免了齿轮在渗碳淬火工序后，焊接部变形，焊缝开裂，保证了焊缝质量；在焊接工序采用冷却装置控制齿面温度，就不会因齿面温度超过齿圈的低温回火温度而使轮齿齿面硬度降低，从而保持齿轮齿面的硬度及性能；在焊后采用振动去应力工艺消除焊接应力，解决了因热时效处理降低齿面的硬度，影响其性能的问题。

本发明的有益效果是：它既能保持渗碳淬火后齿轮齿面的硬度及其性能，又能保证焊缝质量，解决焊接部变形，焊缝开裂的问题。此外，采用振动去应力工艺消除焊接应力，与热时效去应力相比，既环保又能大大降低能耗，同时增加了工件的抗变形能力，保持了工件尺寸，形状精度的稳定性。

附图说明

图1为本发明在旋转工作台上进行组焊时的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例1：

一种焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，齿轮的模数为8，直径为1200mm，选用20CrMnMo作为齿圈材料(齿圈重量约为1000Kg)，选用20MnMo作为轮毂材料，选用16Mn作为辐板、筋板材料，将齿圈、轮毂的锻件毛坯制作好，并刬线、下料辐板、筋板，然后按如下步骤进行：

(1)、加工齿圈的内、外圆和两端面，加工轮毂、辐板和筋板，在轮毂的内孔和两端面放留余量；

(2)、对齿圈进行滚齿加工并留适当精加工余量；

(3)、齿圈渗碳淬火，采用气体渗碳法，异丙醇作为渗碳剂，渗碳温度为930℃，渗碳25h，渗碳层深度为0.8～1.2mm，将齿圈出炉后空冷至850℃进行淬火，油冷，然后低温回火，回火温度为220℃，保温时间8h，齿圈齿面硬度为HRC61；

(4)、先将辐板、筋板和轮毂组焊成一体，然后在自动焊机的旋转工作台上将齿圈与辐板组焊，在焊接前对齿圈进行预热，在齿圈预热和焊接时不停的回转过程中，通过冷却装置对齿部用冷却液冷却，使齿部的温度始终保持在200℃以下；

该冷却装置包括水箱、输送泵、过滤系统、输送管道、外围罩和保护罩，如图1所示，辐板2、轮毂3以及两辐板2间的筋板4已组焊成一体，齿圈1套在轮毂3外圆上并装夹固定在自动焊机的旋转工作台5上，在旋转工作台5的边缘向上延伸地设有冷却装置的环状外圈罩6，以回收冷却液，在齿圈1上端面上位于齿根以内的齿圈中部，向上延伸地设有环状保护罩7，以阻挡冷却液溅到焊接部位，冷却装置的输送管道8的末端设有三个朝向所述齿圈1外圆的喷嘴9，输送泵将冷却液从水箱中抽出并经过滤系统过滤由输送管道8送至旋转工作台5，冷却液从输送管道8末端所设的喷嘴9中喷出后喷淋到齿圈1外圆的齿部，从图中可看到焊机正在进行齿圈和辐板的焊接，本实施例采用埋弧自动焊，送丝机构10正在将焊丝送往齿圈焊接部的焊缝处，由于齿圈1是合金结构钢，辐板2为低碳钢，两者直接焊接时焊接性较差，因此要先在齿圈1的内轮缘上堆焊与辐板2材料性能接近的熔敷金属作为过渡层，以便把性能相差较大的异种钢焊接，改变为性能较为接近的两种材料焊接.从而消除了焊接应力；

(5)、用超声波探伤仪对焊缝进行超声波探伤，若检验合格继续进行以下工序；

(6)、采用振动消除应力专家系统对齿轮进行频谱谐波振动去应力，先由北京翔博科技有限责任公司生产的该设备对零件进行频谱分析，优选出对消除工件残余应力效果最佳的谐波频率，然后将激振器刚性夹持在齿轮的适当位置，调节激振频率和激振力，待零件振动20分钟后，振动消除应力工序结束；

(7)、磨削轮毂内孔，精车轮毂两端面，将齿轮与相配轴烘装，控制齿部的温度在200℃以下，最后对齿圈齿形进行磨齿加工。

实施例2：

一种焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，齿轮的模数为20，直径为2000mm，选用17CrNiMo6作为齿圈材料(齿圈重量约为2500Kg)，选用20MnMo作为轮毂材料，选用Q235作为辐板、筋板材料，将齿圈、轮毂的锻件毛坯制作好，并刬线、下料辐板、筋板，然后按如下步骤进行：

(1)、加工齿圈的内、外圆和两端面，加工轮毂、辐板和筋板，在轮毂的内孔和两端面放留余量；

(2)、对齿圈进行滚齿加工并留适当精加工余量；

(3)、齿圈渗碳淬火，采用气体渗碳法，异丙醇作为渗碳剂，渗碳温度为910℃，渗碳80h，渗碳层深度为2.5～2.8mm，将齿圈出炉后空冷至810℃进行淬火，油淬，然后低温回火，回火温度为200℃，保温时间10h，得到的齿圈齿面硬度为HRC59；

(4)、先将辐板、筋板和轮毂组焊成一体，然后在自动焊机的旋转工作台上将齿圈与辐板组焊，在焊接前对齿圈进行预热，在齿圈预热和焊接时不停的回转过程中，通过冷却装置对齿部用冷却液冷却，使齿部的温度始终保持在200℃以下，该冷却装置与实施例1相同；

(5)、用超声波控伤仪对焊缝进行超声波探伤，若检验合格继续进行以下工序；

(6)、对齿轮进行频谱谐波振动去应力，使用与实施例1相同的设备进行，待零件振动30分钟后，振动消除应力工序结束；

(7)、磨削轮毂内孔，精车轮毂两端面，将齿轮与相配轴烘装，控制齿部的温度在200℃以下，最后对齿圈齿形进行磨齿加工。

实施例3：

本实施例与实施例1所要加工的齿轮、采用的材料、设备相同，加工步骤基本相同，所不同的是，在齿圈渗碳淬火时，渗碳温度为920℃，渗碳25h，渗碳层深度为0.8～1mm，将齿圈出炉后空冷至830℃进行淬火，油冷，然后低温回火，回火温度为210℃，保温时间8h，得到的齿圈齿面硬度为HRC62。

Claims (8)

1、一种焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，包括制作齿圈、轮毂的锻件毛坯，以及划线、下料辐板，其特征在于，备好各件的毛坯后，按如下步骤进行：

(1)、加工齿圈的内、外圆和两端面，加工轮毂、辐板，在轮毂的内孔和两端面放留余量；

(2)、齿圈齿形粗加工，放留精加工余量；

(3)、齿圈渗碳淬火，淬火温度为810℃～850℃，油冷，然后低温回火，回火温度为200℃～220℃；

(4)、先将辐板和轮毂组焊成一体，然后在自动焊机的旋转工作台上将齿圈与辐板组焊，在焊接前对齿圈进行预热，在齿圈预热和焊接时不停的回转过程中，通过冷却装置对齿部用冷却液冷却，使齿部的温度在200℃以下；

(5)、对焊缝进行超声波探伤；

(6)、频谱谐波振动去应力；

(7)、精加工轮毂内孔和两端面，将齿轮与相配轴烘装，控制齿部的温度在200℃以下，最后对齿圈齿形进行精加工。

2、根据权利要求1所述的焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，其特征在于：所述冷却装置包括水箱、输送泵、过滤系统、输送管道、外围罩和保护罩，所述输送管道的末端设有朝向所述齿圈外圆的喷嘴，所述外围罩和保护罩为环状，外围罩向上延伸地设在自动焊机旋转工作台的边缘，以围合、收纳冷却液，所述保护罩向上延伸地设在齿圈上端面，位于齿根以内的齿圈中部，以阻挡冷却液溅到焊接部位；输送泵将冷却液从水箱中抽出并经过滤系统过滤由输送管道送至旋转工作台，冷却液从输送管道末端所设的喷嘴中喷出后喷淋到齿圈外圆的齿部。

3、根据权利要求2所述的焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，其特征在于：所述输送管道末端所设的喷嘴为2～4个。

4、根据权利要求1所述的焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，其特征在于：所述齿圈齿形的粗加工为滚齿；

5、根据权利要求1所述的焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，其特征在于：所述齿圈的渗碳淬火，采用气体渗碳法，渗碳剂为异丙醇，渗碳温度为910℃～930℃。

6、根据权利要求1所述的焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，其特征在于：所述齿圈齿形的精加工为磨齿，精车或磨削轮毂内孔和两端面。

7、根据权利要求1至4所述的任一种焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，其特征在于：所述齿圈的材料为17CrNiMo6或20CrMnMo。

8、根据权利要求1所述的焊接结构渗碳淬火齿轮的加工工艺，其特征在于：还包括划线、下料和机加工筯板，所述辐板为两块，筯板衬在两辐板之间，辐板与筯板、轮毂焊接后，在自动焊机的旋转工作台上将齿圈与辐板进行组焊。