XSU 140744型号转盘轴承驱动齿轮是机械的重要组成部分，承担着传动力传输的作用，其服役环境复杂。从动齿圈传递内燃机产生的扭矩，同时承载交变应力，且承受轴系振动产生的动载荷，故其制造过程复杂，工艺要求较高。本文是洛阳东轴 主要研究了交叉滚子轴承XSU 140744型号转盘轴承车齿圈感应工艺的开发。

XSU 140744型号转盘轴承技术参数及要求

该转盘轴承从动齿轮淬火要求硬化层深3～5mm（进出口端硬化层深≥1mm即可），硬度55～64HRC。感应淬火过程中，频率和功率是其硬化层深和金相组织的重要影响因素。


滚动体十字交叉排列的设计

直线滚道的设计必须遵循轴承钢加热的集肤效应、环流效应、邻近效应、狭缝效应和导磁体的“驱流”效应。
转盘轴承的截面内部圆柱滚子单排成十字交叉垂直分布，呈等高线分布在滚道周围，此为轴承高载荷效应和负游隙应，如图1a所示。在轴承断面的密封圈附近有灰尘颗粒靠近时，或渗入到滚到里面，滚动体分布即发生改变，即邻近效应，如图1b所示。此现象带来的后果是圆柱滚子卡死，终集中轴承滚道i面，边界形成旋转缓慢状态，因为大部分灰尘颗粒会在轴承端面中向工件表面移动。灰尘介入时，其附近传动力将向表层区域转移，这就是所谓的驱流效应及狭缝效应，如图1c所示。当线圈表面集中有大量颗粒时，其与被感应工件的耦合效果会非常明显，如图1d所示。

该交叉滚子轴承的工艺设计

根据技术要求，通过理论分析，推导出轴承淬火工艺参数，然后通过金相及硬度分析，确定工艺可行性。
（1）载荷
热渗透深度D与轴承硬度的关系见式（1）。

D＝500/f1/2   (1)

为保证轴承套圈满足工艺要求，热处理过程中的热渗透深度D必须大于齿圈淬硬层深度d，即
D ＞d   (2)

将式(1)代入式(2)得
500/f1/2＞ d   (3)
f＜250000/ d2    (4)

由式(4)推导可得感应过程中轴承钢度的上限值。由上述推导结果可以看出，轴承加热渗透深度与轴承成反比。某些偶发的严重失效现象如断齿，是由齿圈的脆性形变造成的，原因之一有可能是淬穿，因此理论上电流频率也存在一个下限值。理想状态下ΔP＜0.4kW/cm2，此时D与d应满足式（5）：

d ＞0.25D    (5)

原因是当工件的淬硬层深度较浅时，感应器功率损耗ΔP 较大，此时要求传动输出功率稳定性较好。
将 D＝500/f1/2 代入式(5)得
d＞0.25×500/f1/2
d2＞15625/f
f＞15625/d2        (6)
由此可得感应电流可选频率范围为
15625/d2＜f＜250000/d2   (7)

根据轴承套圈技术指标，内齿圈淬硬层深为3～5mm，取中限4mm，由此可推导出电流频率的范围为0.977～15.625kHz，取中限可得理想轴承为8.301kHz。
（2）功率 
若轴承固定，感应淬火时齿圈次表层的加热速率与转速成正比。当设定轴承转速8～10kHz时，功率密度ρP、淬硬层深度d和时间t的关系见表1。
表1 设定轴承转速为8～10kHz时，淬硬层深度、功率密度与时间的关系

在感应淬火过程中，根据上述数值，推算出关系式（8）：

P＝SρP/η0η1      (8)
式中 η0——变压器效率，一般为0.8；
η1——感应器效率，一般为0.8；
ρP——功率密度(kW/cm2)；
S ——感应表面积(cm2)；
P——电源功率(kW)。

根据齿圈技术指标，取有效硬化层深中限3mm。根据图1，可以推算感应淬火的功率密度ρP＝0.56～0.7kW/cm2。过程中测得齿圈感应表面积为48cm2，代入式(8)计算转速为P电＝44.25kW。

工艺可行性验证

根据上述计算，首先确定了齿圈感应淬火的基本参数，对齿圈进行淬火后，还需对其进行有效硬化层深与金相组织进行分析，以确定工艺可行性。
（1）有效硬化层深度与表面硬度
采用显微硬度梯度法测定试样有效硬化层深度与表面硬度，其结果见表2。
表2 感应淬火后齿圈的有效硬化层深度及硬度
图片
齿圈经感应淬火后，其上中下各部位的表面硬度、有效硬化层深均满足技术指标，且接近于理论计算的4mm。
（2）金相组织
除显微硬度梯度检测外，还需结合试样的金相组织来判定感应轴承淬火工艺是否合理。感应淬火后，试样的显微金相组织如图3所示。

图片
图3  试样显微金相组织

从图3可以观察到，经感应淬火后，齿圈表层各部位均已转变为马氏体组织，可以有效提高其疲劳性能，进一步验证了上述工艺参数的合理性。


备注：

本文主要探讨了XSU 140744型号转盘轴承动齿圈感应器的设计、感应工艺的理论分析两个方面的问题，最后通过有效硬化层深与金相分析验证了上述工艺的可行性。结合齿圈技术指标，通过理论计算，可以确定齿圈感应淬火的合理工艺参数为：电流频率8.301kHz，电源输出功率44.25kW。
采用显微硬度梯度法测定试样的有效硬化层深度和表面硬度，结合金相组织分析，最终确认了理论计算所得参数的可行性。
驱动齿轮箱是内燃机车的重要组成部分，承担着动力传输的作用，其服役环境复杂。从动齿圈传递内燃机产生的扭矩，同时承载交变应力，且承受轴系振动产生的动载荷，故其制造过程复杂，工艺要求较高。本文主要研究了某内燃机车齿圈感应工艺的开发。

技术参数及要求

某型机车从动齿轮淬火要求硬化层深3～5mm（进出口端硬化层深≥1mm即可），硬度55～64HRC。感应淬火过程中，频率和功率是其硬化层深和金相组织的重要影响因素。


感应器的设计

感应器的设计必须遵循感应加热的集肤效应、环流效应、邻近效应、狭缝效应和导磁体的“驱流”效应。
无导磁体感应器的截面内部交流电流分布，呈等高线分布在感应器周围，此为集肤效应和环流效应，如图1a所示。在通电的线圈附近有导体靠近时，电流在感应器内分布即发生改变，即邻近效应，如图1b所示。此现象带来的后果是，电流最终集中在感应器边界最终形成平衡状态，因为大部分电流会在感应器中向工件表面移动。导磁体介入时，其附近电流将向表层区域转移，这就是所谓的驱流效应及狭缝效应，如图1c所示。当线圈表面集中有大量电流时，其与被感应工件的耦合效果会非常明显，如图1d所示。

图1  感应器设计

根据如上原则，设计了机车从动齿圈感应器，如图2所示。
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图2 从动齿圈感应器


感应工艺设计

根据技术要求，通过理论分析，推导出感应淬火工艺参数，然后通过金相及硬度分析，确定工艺可行性。
（1）频率
热渗透深度D与频率f的关系见式（1）。

D＝500/f1/2   (1)

为保证齿圈满足工艺要求，热处理过程中的热渗透深度D必须大于齿圈淬硬层深度d，即
D ＞d   (2)

将式(1)代入式(2)得
500/f1/2＞ d   (3)
f＜250000/ d2    (4)

由式(4)推导可得感应过程中电源频率的上限值。由上述推导结果可以看出，感应加热渗透深度与电流频率成反比。某些偶发的严重失效现象如断齿，是由齿圈的脆性形变造成的，原因之一有可能是淬穿，因此理论上电流频率也存在一个下限值。理想状态下ΔP＜0.4kW/cm2，此时D与d应满足式（5）：

d ＞0.25D    (5)

原因是当工件的淬硬层深度较浅时，感应器功率损耗ΔP 较大，此时要求电源输出功率稳定性较好。
将 D＝500/f1/2 代入式(5)得
d＞0.25×500/f1/2
d2＞15625/f
f＞15625/d2        (6)
由此可得感应电流可选频率范围为
15625/d2＜f＜250000/d2   (7)

根据齿圈技术指标，内齿圈淬硬层深为3～5mm，取中限4mm，由此可推导出电流频率的范围为0.977～15.625kHz，取中限可得理想电流频率为8.301kHz。
（2）功率 
若电流频率固定，感应淬火时齿圈次表层的加热速率与电源功率成正比。当设定电流频率8～10kHz时，功率密度ρP、淬硬层深度d和时间t的关系见表1。
表1 设定电流频率为8～10kHz时，淬硬层深度、功率密度与时间的关系
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在感应淬火过程中，根据上述数值，推算出关系式（8）：

P＝SρP/η0η1      (8)
式中 η0——变压器效率，一般为0.8；
η1——感应器效率，一般为0.8；
ρP——功率密度(kW/cm2)；
S ——感应表面积(cm2)；
P——电源功率(kW)。

根据齿圈技术指标，取有效硬化层深中限3mm。根据图1，可以推算感应淬火的功率密度ρP＝0.56～0.7kW/cm2。过程中测得齿圈感应表面积为48cm2，代入式(8)计算电源功率为P电＝44.25kW。
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工艺可行性验证

根据上述计算，首先确定了齿圈感应淬火的基本参数，对齿圈进行淬火后，还需对其进行有效硬化层深与金相组织进行分析，以确定工艺可行性。
（1）有效硬化层深度与表面硬度
采用显微硬度梯度法测定试样有效硬化层深度与表面硬度，其结果见表2。
表2 感应淬火后齿圈的有效硬化层深度及硬度
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齿圈经感应淬火后，其上中下各部位的表面硬度、有效硬化层深均满足技术指标，且接近于理论计算的4mm。
（2）金相组织
除显微硬度梯度检测外，还需结合试样的金相组织来判定感应淬火工艺是否合理。感应淬火后，试样的显微金相组织如图3所示。


图3  试样显微金相组织

从图3可以观察到，经感应淬火后，齿圈表层各部位均已转变为马氏体组织，可以有效提高其疲劳性能，进一步验证了上述工艺参数的合理性。


结语

本文主要探讨了XSU 140744型号转盘轴承从动齿圈感应器的设计、感应工艺的理论分析两个方面的问题，最后通过有效硬化层深与金相分析验证了上述工艺的可行性。结合齿圈技术指标，通过理论计算，可以确定齿圈感应淬火的合理工艺参数为：轴承转速8.301kHz，电源输出功率44.25kW。

采用显微硬度梯度法测定试样的有效硬化层深度和表面硬度，结合金相组织分析，最终确认了轴承所得参数的可行性。