CN104561475B - 一种内齿轮热处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内齿轮热处理装置，包括内齿轮固定装置，圆形供水母管，在该圆形供水母管的内侧面设有多个喷水口，每个喷水口上对应设有一个角度可调的喷嘴，还包括对内齿轮进行加热的高频感应加热器以及控制器，该控制器能够控制高频感应加热器的启动、关闭和加热温度；该控制器还与喷嘴连接，在内齿轮达到马氏体转变点的温度时，控制喷嘴停止喷冷却水；同时控制器与驱动机构电连接，能够自动控制驱动机构的运动方式进而控制内齿轮固定装置的旋转运动和上下运动。该热处理装置能够最大程度的避免在淬火过程中导致内齿轮产生变形，消除因机械加工引起的内齿轮剩余应力集中，减小转变变形和温度梯度导致的变形，同时保证了内齿轮的硬度和强度。

Description

一种内齿轮热处理装置及方法

技术领域

本发明涉及到一种内齿轮热处理装置及方法，特别是涉及到一种装载机驱动桥上面的内齿轮的热处理装置及方法，属于内齿轮的加工技术领域。

背景技术

在装载机、压路机、轮式挖掘机等重型车辆及其它大型工程车辆上，一般需要设置轮边减速器。由于大型工程车辆和重型车辆的作业环境通常都比较恶劣，轮边减速器容易出现故障，特别是轮边减速器中的内齿轮，容易出现打齿及上口开裂等问题，因此要求该内齿轮的基体及齿面的硬度高、耐冲击，并且在淬火时尽量减少变形，保证硬度和强度。

传统的内齿轮热处理装置属于现有技术，例如在文献CN202208741U中公开了一种内齿轮卧式单齿连续感应淬火装置，包括感应器、同齿定位装置、内齿轮分度装置，其特征在于，还设有感应器运动装置，所述感应器运动装置由感应器的水平运动装置和垂直运动装置构成，所述感应器的水平运动装置包括左右滑块、丝杆Ⅰ、伺服电机Ⅰ和支架Ⅰ，所述左右滑块的形状为倒放的“T”形，左右滑块的右端内部设有与丝杆Ⅰ相配的丝母，所述支架Ⅰ固定在淬火机床床身上，伺服电机Ⅰ安装在支架Ⅰ上，左右滑块的右端水平面放置在淬火机床床身的导轨上，所述伺服电机Ⅰ的输出端通过联轴器与丝杆Ⅰ联接在同一轴线上，所述丝杆Ⅰ与丝母相配联接；所述感应器的垂直运动装置包括上下滑块、丝杆Ⅱ、伺服电机Ⅱ和支座，所述上下滑块的上端内部设有与丝杆Ⅱ相配的丝母，所述伺服电机Ⅱ通过支座固定在左右滑块的垂直面上，所述伺服电机Ⅱ通过联轴器与丝杆Ⅱ联接在同一轴线上，所述丝杆Ⅱ与丝母相配联接；所述同齿定位装置固定在垂直运动装置的上下滑块的下平面，所述感应器与同齿定位装置固定连接；所述内齿轮的分度装置包括左托辊装置和右托辊装置，左托辊装置的结构与右托辊装置的结构完全相同，包括伺服电机、分度辊和支座，所述伺服电机的输出端设有皮带轮，分度辊的左端相应位置设有分度轮，所述支座固定在淬火机床床身的侧面上，伺服电机安装在支座上，分度辊由两个相同的支架Ⅱ支撑，支架Ⅱ固定在淬火机床床身的水平面上，所述皮带轮通过皮带与分度轮相连。

文献CN203451569U公开了一种内齿轮中频淬火夹具，包含两块镜像设置的夹具1，该夹具1之间通过销轴2转动配合，所述两块夹具1的接触面之间设有与内齿轮外圆面相贴合的圆弧形夹槽，所述夹具1与销轴2相对的一端向外延伸出凸台，该凸台的端面上安装有快速夹具3，所述的快速夹具3包含固定底座31，该固定底座31安装在其中的一个夹具1的端面上，其上下两侧分别安装有固定架板32，该固定架板32之间设有扣座33，该扣座33通过转轴34与固定架板32转动配合，所述扣座33的中部向内弯出垂直折板，该折板的中部开设有螺孔，该螺孔内旋接有固定杆35，所述固定杆35的另一端向内弯出弯钩36，该弯钩36钩在固定卡座37上，所述的固定卡座37安装在另一个夹具1的端面，与固定底座31的位置相对应。

文献CN103924043A公开了一种内齿轮热处理方法，所述内齿轮由内齿圈、齿圈座和半轴安装孔一体形成，所述半轴安装孔从所述齿圈座延伸出，所述内齿圈由内齿、外圈和端面构成，所述内齿轮通过以下步骤进行热处理：(a).对所述内齿轮的齿面进行淬火；(b).对所述内齿圈的所述外圆和所述端面进行淬火；(c).使所述外圆和所述端面在空气中自然冷却；(d).和所述端面进行回火处理；以及(e).回火处理后自然冷却；其中步骤(a)可在步骤(b)之前或之后进行。还公开了一种用于对内齿轮进行热处理的热处理设备，所述内齿轮由内齿圈、齿圈座和半轴安装孔一体形成，所述半轴安装孔从所述齿圈座延伸出，所述内齿圈由内齿、外圈和端面构成，所述热处理设备包括：用于对所述内齿轮的齿面进行淬火的第一淬火装置；以及用于对所述内齿圈的所述外圆和所述端面进行淬火的第二淬火装置；其中所述第二淬火装置包括淬火机床、高频淬火设备，以及感应加热器，所述感应加热器能够同时对所述外圆和所述端面进行感应加热。

传统的内齿轮热处理装置及方法在淬火过程中容易导致内齿轮产生较大的变形，而且这种变形不容易调整或者调整后效果不理想。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出一种内齿轮热处理装置以及利用该装置进行热处理的方法，特别是对应用在装载机驱动桥上的内齿轮进行热处理的装置和方法。通过使用本申请公开的内齿轮热处理装置，按照本申请公开的热处理方法对内齿轮进行热处理，使得内齿轮的硬度和强度都得到极大的提升，内齿轮的使用寿命大大加长。现有技术的内齿轮硬度通常只有20-22HRC，而本申请热处理后的内齿轮外圈的硬度能够达到至少35HRC以上，增强了内齿轮的使用寿命，并且增加了内齿轮的拉抗性。

齿轮发生变形的原因大致有两种。一种是由于在机械加工时或在机械加工前，经锻造等使材料变形时所留下的内部应力成为剩余应力，在淬火和回火等热处理时产生变形，变形的大小与剩余应力（加工应力或在锻造时的剩余应力）的大小成比例。另一种是由于齿轮进行热处理而使金属材料的内部组织发生变化，因而产生转变变形。另外，淬火所发生的变形除了组织变化发生转变变形以外，还有因形状复杂而在急冷时，由于冷却速度的差别产生变形。针对第一种发生变形的原因即机械加工引起的剩余应力集中进而导致的变形，本发明通过通过正火和回火处理进行控制。针对第二种发生变形的原因即转变变形和冷却速度的差别也就是温度梯度导致的变形，本发明进行了进一步分析发现，由于淬火发生的急剧冷却，金属产生马氏体，由于马氏体的体积比奥氏体和珠光体的体积大，从而导致金属内部产生应力，进而导致齿轮变形。针对这一变形原因，本发明采用精细的热处理方法，控制温度梯度产生的应力和马氏体引起的应力在出现时间上一先一后，使这两种应力的顶峰值不至于叠加起来，从而减少总的变形。具体来说，本发明的热处理方法在齿轮材料加热到略高于马氏体转变点的温度时（该温度取决于含碳量）就停止喷冷却水，由于空气对齿轮的冷却速度远远小于冷却水对齿轮的冷却速度，因此停止喷水以后齿轮表面的温度大致均匀。在将要达到马氏体转变点温度时，中间组织转变速度极小，所以在此温度平衡的过程中所发生的中间组织也较少。因此这种处理方式对于最终组织几乎不发生影响。在达到马氏体转变点后可缓慢或快速地继续冷却。

马氏体转变温度点的确定可以采用下列两种方式之一：第一，计算达到马氏体转变温度的时间，并在此时间短时停止喷冷却水；第二，利用设置在热处理装置中的热电偶测量齿轮工件的温度，在达到马氏体转变点时，自动或手动地停止喷冷却水。这两种方式中第二种更为精确。在短时间的温度均匀以后（这一时间为经验值）重新开始喷冷却水，或者从热处理装置中取出齿轮继续冷却。

上述的计算达到马氏体转变温度点的时间的计算过程属于现有技术，虽然这种计算只能获得参考值，但是对于齿轮的热处理加工已经足够应用了。只要知道齿轮的初始温度，马氏体转变温度，齿轮材料的比热，冷却水的比热，通过查现有技术中的诺模图就能很容易的获得冷却时间，进而确定停止喷冷却水的时间。

基于以上分析，本发明提供一种内齿轮热处理装置。根据本发明的第一方面，本发明所述的内齿轮热处理装置，包括圆形供水母管，该圆形供水母管形成闭合环状结构，在圆形供水母管的外侧面设有与圆形供水母管的切线垂直的进水口，该进水口与圆形供水母管所在的平面在同一个平面上；该进水口与水源连通；在该圆形供水母管的内侧面设有多个喷水口，每个喷水口上对应设有一个角度可调的喷嘴，喷嘴的出水方向与竖直方向之间的夹角在0°到180°之间可调节；还包括内齿轮固定装置，用于将内齿轮固定在圆形供水母管内部中心位置；该内齿轮固定装置能够绕圆形供水母管的中心轴线360°旋转，而且内齿轮固定装置能够沿着圆形供水母管的中心轴线上下运动；该内齿轮固定装置与驱动机构连接，内齿轮固定装置的绕圆形供水母管的中心轴线360°旋转运动和沿着圆形供水母管的中心轴线的上下运动均由驱动机构提供动力；还包括对内齿轮进行加热的高频感应加热器以及控制器，该控制器能够控制高频感应加热器的启动、关闭和加热温度；该控制器还与喷嘴连接，在内齿轮达到马氏体转变点的温度时，控制喷嘴停止喷冷却水；同时控制器与驱动机构电连接，能够自动控制驱动机构的运动方式进而控制内齿轮固定装置的旋转运动和上下运动。

根据本发明的第二方面，本发明所述的内齿轮热处理装置的控制器能够自动计算内齿轮达到马氏体转变温度的时间，并在达到该时间时控制喷嘴停止喷冷却水。

根据本发明的第三方面，本发明所述的内齿轮热处理装置，还包括用来检测内齿轮温度的热电偶，该热电偶与控制器电连接并将检测信号传送给控制器，当热电偶的检测温度达到马氏体转变点的温度时，控制器控制喷嘴停止喷冷却水。

根据本发明的第四方面，本发明所述的内齿轮热处理装置的圆形供水母管包括同圆心的第一圆形供水母管和第二圆形供水母管，其中第一圆形供水母管的直径小于第二圆形供水母管，第一圆形供水母管用于向内齿轮的内部表面提供冷却水，第二圆形供水母管用于向内齿轮的外圆和端面提供冷却水。

根据本发明的第五方面，本发明所述的内齿轮热处理装置的第一圆形供水母管的外侧面和第二圆形供水母管的内侧面分别设有多个喷水口，每个喷水口上对应设有一个角度可调的喷嘴，喷嘴的出水方向与竖直方向之间的夹角在0°到180°之间可调节；所述多个喷水口在圆形供水母管上非均匀地分布；以圆形供水母管上的进水口所在的直线为界，与进水口处于同一直线上的直径左侧的喷水口比右侧的喷水口分布密集。

根据本发明的第六方面，本发明还提供了利用所述的内齿轮热处理装置对内齿轮进行热处理的方法，包括以下步骤：

A、将内齿轮固定到内齿轮固定装置上；

B、控制器控制高频感应加热器自动启动，将内齿轮以预先设定的加热速率加热到预先设定的温度，然后关闭高频感应加热器；

C、控制器控制喷嘴以预先设定的流量和流速向内齿轮喷冷却水，水里面加入防锈剂，同时控制器控制喷嘴的出水方向与竖直方向之间的夹角在0°到180°之间速度均匀地调节；此外，控制器还控制驱动机构的运动方式进而控制内齿轮固定装置匀速的旋转运动和上下运动；

D、在内齿轮达到马氏体转变点的温度时，控制喷嘴停止喷冷却水；同时停止驱动机构的运动；

E、在停止预定的时间之后，再次控制喷嘴以预先设定的第二流量和第二流速向内齿轮喷冷却水。

根据本发明的第七方面，本发明所述的对内齿轮进行热处理的方法，在B步骤之前还包括控制高频感应加热器将内齿轮外圈加热到950℃，在该温度下空冷正火，获得均匀分布的片状珠光体；在880度时将内齿轮放到淬火油里，目的是为了提高内齿轮表面的光洁度。这一步骤主要是对内齿轮的外圈进行高频加热和淬火，提高外圈的硬度和强度。

根据本发明的第八方面，本发明所述的对内齿轮进行热处理的方法，还包括在B步骤之前正火之后在220℃下回火120分钟，使内齿轮的HRC从55到59回火到48到53，增加柔韧性。

根据本发明的第九方面，本发明所述的对内齿轮进行热处理的方法，还包括在B步骤之前回火之后空冷24小时；控制高频感应加热器将内齿轮外圈以大于20℃/分的速度迅速加热到860℃，急冷冲水4秒钟，空冷，再次回火。

根据本发明的第十方面，本发明所述的对内齿轮进行热处理的方法，还包括在E步骤之后在-80℃对内齿轮冰冷处理2小时并再次回火。

根据本发明所述的内齿轮热处理装置以及采用该装置对内齿轮进行热处理的方法，能够最大程度的避免在淬火过程中导致内齿轮产生变形，消除因机械加工引起的内齿轮剩余应力集中，减小转变变形和温度梯度导致的变形，同时保证了内齿轮的硬度和强度。

具体实施方式

本发明所述的内齿轮热处理装置，包括圆形供水母管，该圆形供水母管形成闭合环状结构，在圆形供水母管的外侧面设有与圆形供水母管的切线垂直的进水口，该进水口与圆形供水母管所在的平面在同一个平面上；该进水口与水源连通；在该圆形供水母管的内侧面设有多个喷水口，每个喷水口上对应设有一个角度可调的喷嘴，喷嘴的出水方向与竖直方向之间的夹角在0°到180°之间可调节；还包括内齿轮固定装置，用于将内齿轮固定在圆形供水母管内部中心位置；该内齿轮固定装置能够绕圆形供水母管的中心轴线360°旋转，而且内齿轮固定装置能够沿着圆形供水母管的中心轴线上下运动；该内齿轮固定装置与驱动机构连接，内齿轮固定装置的绕圆形供水母管的中心轴线360°旋转运动和沿着圆形供水母管的中心轴线的上下运动均由驱动机构提供动力；还包括对内齿轮进行加热的高频感应加热器以及控制器，该控制器能够控制高频感应加热器的启动、关闭和加热温度；该控制器还与喷嘴连接，在内齿轮达到马氏体转变点的温度时，控制喷嘴停止喷冷却水；同时控制器与驱动机构电连接，能够自动控制驱动机构的运动方式进而控制内齿轮固定装置的旋转运动和上下运动。

所述的控制器能够自动计算内齿轮达到马氏体转变温度的时间，并在达到该时间时控制喷嘴停止喷冷却水。马氏体转变温度点的确定可以采用下列两种方式之一：第一，计算达到马氏体转变温度的时间，并在此时间短时停止喷冷却水；第二，利用设置在热处理装置中的热电偶测量齿轮工件的温度，在达到马氏体转变点时，自动或手动地停止喷冷却水。这两种方式中第二种更为精确。在短时间的温度均匀以后（这一时间为经验值）重新开始喷冷却水，或者从热处理装置中取出齿轮继续冷却。上述的计算达到马氏体转变温度点的时间的计算过程属于现有技术，虽然这种计算只能获得参考值，但是对于齿轮的热处理加工已经足够应用了。只要知道齿轮的初始温度，马氏体转变温度，齿轮材料的比热，冷却水的比热，通过查现有技术中的诺模图就能很容易的获得冷却时间，进而确定停止喷冷却水的时间。

所述的内齿轮热处理装置还包括用来检测内齿轮温度的热电偶，该热电偶与控制器电连接并将检测信号传送给控制器，当热电偶的检测温度达到马氏体转变点的温度时，控制器控制喷嘴停止喷冷却水。

所述的内齿轮热处理装置的圆形供水母管包括同圆心的第一圆形供水母管和第二圆形供水母管，其中第一圆形供水母管的直径小于第二圆形供水母管，第一圆形供水母管用于向内齿轮的内部表面提供冷却水，第二圆形供水母管用于向内齿轮的外圆和端面提供冷却水。第一圆形供水母管的外侧面和第二圆形供水母管的内侧面分别设有多个喷水口，每个喷水口上对应设有一个角度可调的喷嘴，喷嘴的出水方向与竖直方向之间的夹角在0°到180°之间可调节；所述多个喷水口在圆形供水母管上非均匀地分布；以圆形供水母管上的进水口所在的直线为界，与进水口处于同一直线上的直径左侧的喷水口比右侧的喷水口分布密集。

还提供了利用本发明所述的内齿轮热处理装置对内齿轮进行热处理的方法，包括以下步骤：

A、将内齿轮固定到内齿轮固定装置上；

B、控制器控制高频感应加热器自动启动，将内齿轮以预先设定的加热速率加热到预先设定的温度，然后关闭高频感应加热器；此处预先设定的加热速率和预先设定的温度可以由用户根据需要手动输入，具体数值可以根据需要自由选择设定。

C、控制器控制喷嘴以预先设定的流量和流速向内齿轮喷冷却水，水里面加入防锈剂，同时控制器控制喷嘴的出水方向与竖直方向之间的夹角在0°到180°之间速度均匀地调节；此外，控制器还控制驱动机构的运动方式进而控制内齿轮固定装置匀速的旋转运动和上下运动；此处预先设定的流量和流速可以由用户根据需要手动输入，具体数值可以根据需要自由选择设定。

D、在内齿轮达到马氏体转变点的温度时，控制喷嘴停止喷冷却水；同时停止驱动机构的运动。

E、在停止预定的时间之后，再次控制喷嘴以预先设定的第二流量和第二流速向内齿轮喷冷却水。此处的预定的时间、预先设定的第二流量和第二流速可以由用户根据需要手动输入，具体数值可以根据需要自由选择设定。

为了消除机械加工引起的内齿轮剩余应力集中，在B步骤之前还包括控制高频感应加热器将内齿轮外圈加热到950℃，在该温度下空冷正火，获得均匀分布的片状珠光体；在880度时将内齿轮放到淬火油里，以提高内齿轮表面的光洁度。正火之后在220℃下回火120分钟，使内齿轮的HRC从55到59回火到48到53，增加柔韧性。回火之后空冷24小时；控制高频感应加热器将内齿轮外圈以大于20℃/分的速度迅速加热到860℃；急冷冲水4秒钟，空冷，再次回火。经过以上处理，内齿轮内部的应力集中被基本消除，增强了内齿轮的使用寿命，并且增加了内齿轮的拉抗性。此时再进行上述B到E步骤，对内齿轮的内部表面、外圆和端面进行淬火处理，消除转变变形和温度梯度导致的变形，提高内齿轮的硬度和强度。

在E步骤之后还可以包括在-80℃对内齿轮冰冷处理2小时并再次回火的步骤，进一步去除齿轮内部的应力。

本发明的结构和方法已经进行了详细的说明和解释，熟悉本领域基本技术常识的本领域技术人员在本申请的说明书公开内容的基础上完全能够充分的实施本发明的全部技术方案。需要指出的是，基于上面的描述，附加的变型和修改对本领域普通技术人员来说是显而易见的，均落入本申请的保护范围之内，并且本发明的保护范围是由所附的权利要求来确定的。

Claims (9)

1.一种内齿轮热处理装置，其特征在于，包括圆形供水母管，该圆形供水母管形成闭合环状结构，在圆形供水母管的外侧面设有与圆形供水母管的切线垂直的进水口，该进水口与圆形供水母管所在的平面在同一个平面上；该进水口与水源连通；在该圆形供水母管的内侧面设有多个喷水口，每个喷水口上对应设有一个角度可调的喷嘴，喷嘴的出水方向与竖直方向之间的夹角在0°到180°之间可调节；还包括内齿轮固定装置，用于将内齿轮固定在圆形供水母管内部中心位置；该内齿轮固定装置能够绕圆形供水母管的中心轴线360°旋转，而且内齿轮固定装置能够沿着圆形供水母管的中心轴线上下运动；该内齿轮固定装置与驱动机构连接，内齿轮固定装置的绕圆形供水母管的中心轴线360°旋转运动和沿着圆形供水母管的中心轴线的上下运动均由驱动机构提供动力；还包括对内齿轮进行加热的高频感应加热器以及控制器，该控制器能够控制高频感应加热器的启动、关闭和加热温度；该控制器还与喷嘴连接，在内齿轮达到马氏体转变点的温度时，控制喷嘴停止喷冷却水；同时控制器与驱动机构电连接，能够自动控制驱动机构的运动方式进而控制内齿轮固定装置的旋转运动和上下运动；

所述的圆形供水母管包括同圆心的第一圆形供水母管和第二圆形供水母管，其中第一圆形供水母管的直径小于第二圆形供水母管，第一圆形供水母管用于向内齿轮的内部表面提供冷却水，第二圆形供水母管用于向内齿轮的外圆和端面提供冷却水。

2.如权利要求1所述的内齿轮热处理装置，其特征在于，该控制器能够自动计算内齿轮达到马氏体转变温度的时间，并在达到该时间时控制喷嘴停止喷冷却水。

3.如权利要求1所述的内齿轮热处理装置，其特征在于，还包括用来检测内齿轮温度的热电偶，该热电偶与控制器电连接并将检测信号传送给控制器，当热电偶的检测温度达到马氏体转变点的温度时，控制器控制喷嘴停止喷冷却水。

4.如权利要求1所述的内齿轮热处理装置，其特征在于，第一圆形供水母管的外侧面和第二圆形供水母管的内侧面分别设有多个喷水口，每个喷水口上对应设有一个角度可调的喷嘴，喷嘴的出水方向与竖直方向之间的夹角在0°到180°之间可调节；所述多个喷水口在圆形供水母管上非均匀地分布；以圆形供水母管上的进水口所在的直线为界，与进水口处于同一直线上的直径左侧的喷水口比右侧的喷水口分布密集。

5.一种利用如权利要求1-4所述的内齿轮热处理装置对内齿轮进行热处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将内齿轮固定到内齿轮固定装置上；

B、控制器控制高频感应加热器自动启动，将内齿轮以预先设定的加热速率加热到预先设定的温度，然后关闭高频感应加热器；

C、控制器控制喷嘴以预先设定的流量和流速向内齿轮喷冷却水，水里面加入防锈剂，同时控制器控制喷嘴的出水方向与竖直方向之间的夹角在0°到180°之间速度均匀地调节；此外，控制器还控制驱动机构的运动方式进而控制内齿轮固定装置匀速的旋转运动和上下运动；

D、在内齿轮达到马氏体转变点的温度时，控制喷嘴停止喷冷却水；同时停止驱动机构的运动；

E、在停止预定的时间之后，再次控制喷嘴以预先设定的第二流量和第二流速向内齿轮喷冷却水。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在B步骤之前还包括控制高频感应加热器将内齿轮外圈加热到950℃，在该温度下空冷正火，获得均匀分布的片状珠光体；在880度时将内齿轮放到淬火油里。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在B步骤之前正火之后在220℃下回火120分钟，使内齿轮的HRC从55到59回火到48到53，增加柔韧性。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括在B步骤之前回火之后空冷24小时；控制高频感应加热器将内齿轮外圈以大于20℃/分的速度迅速加热到860℃，急冷冲水4秒钟，空冷，再次回火。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括在E步骤之后在-80℃对内齿轮冰冷处理2小时并再次回火。