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采煤机重载齿轮的制造及其热处理工艺 白树全 1，高美兰1，王 红 2 1.包头职业技术学院 材料工程系， 内蒙古 包头 014030； 2.淮南联合大学， 安徽 淮南 232000 摘要介绍了采煤机重载齿轮的加工制造工艺和热处理工艺， 提出了一系列提高和改善齿轮性能的措施， 以保证采煤 机工作的安全可靠性， 延长其使用寿命。 关键词重载齿轮； 制造工艺； 热处理工艺 中图分类号TG162.73文献标识码A文章编号1000-8356201204-0412-02 Manufacturing and Heat-treatment Process for Heavy Load Gear in Coal Mining Machine BAI Shu-quan1, GAO Mei-lan1, WANG Hong2 1.Material Engineering Department, Baotou Vocational 2.Huainan Union University, Huainan 232000, China AbstractThe manufacturing process and heat treatment process for heavy load gear in coal mining machine were introduced. A series of measurements improving gear perance were put forward to ensure the safety and reliability of coal mining machine and prolong its service life. Key wordsheavy load gear; manufacturing process; heat treatment process 随着煤矿机械化程度的不断提高， 采煤机的功率 也在不断增大， 功率的增大导致采煤机输出扭矩随之 增大，对齿轮等重要零件的性能要求也更为苛刻，但受 采煤机使用空间和使用环境的限制， 齿轮的尺寸及模 数都受到限制。采煤机截割滚筒工作转数较低，因而其 主传动齿轮多为低速重载荷。由于井下地质条件复杂， 采煤机有时还要过断层，切割矸石，齿轮经常受冲击载 荷，传递功率较大，瞬时尖峰负荷可高达额定功率的数 倍，因此主传动齿轮必须具有足够的强度和韧性［1］，为 此我们从齿轮的加工制造工艺到热处理工艺采取了一 系列措施来提高其性能， 以保证采煤机工作的安全可 靠性，延长其使用寿命。 1采煤机主传动齿轮材料的选择 目前采煤机中的齿轮主要有两种结构， 一类是圆 柱直齿轮包括主传动内齿圈，另一类是圆锥齿轮和 弧齿圆锥齿轮。 弧齿圆锥齿轮的模数为12，螺旋角35， 属于格里森制。 在MG200W、MG300W系列采煤机和MG4630DW 采煤机中，承受重载荷的主传动齿轮，材料均采用了高 淬透性的合金渗碳钢18Cr2Ni4WA。 2齿轮的加工制造工艺 2.1采用大圆角凸头滚刀新工艺 模数为10，压力角为20的齿轮，滚齿时一般标准 齿轮齿根圆角及径向间隙分别为R1.0和2.5，而采取大 圆角凸头滚刀新工艺加工， 齿根圆角及径向间隙分别 为R4和4，显然增大了齿根圆角半径，磨齿后齿根不留 台痕，减少齿根应力集中，提高齿轮的抗弯强度。 经寿 命对比试验，用上述工艺制造的齿轮寿命提高25倍。 2.2采用氮化钛涂层插齿刀加工花键孔 18Cr2Ni4WA材料制造的齿轮， 一般外齿模数 612，压力角为20，而内孔多数是渐开线花键孔，模数 35，压力角为30。 经渗碳、淬火、冷处理后，外齿齿面 硬度可达5862 HRC， 心部硬度可达42 HRC左右，为 便于加工，热处理后心部硬度控制在3036 HRC。 为确保齿轮强度和使用寿命， 我们采取渗碳后切 除内孔渗碳层工艺，整体淬火后插制渐开线花键孔，由 于该材料热处理后心部硬度在3036 HRC范围， 一般 插齿刀难以加工， 而采用氮化钛涂层插齿刀加工渐开 线花键孔，可以保证外齿与渐开线花键孔的制造质量， 使用效果良好，保证了齿轮设计要求。 2.3采用高强度合金钢硬齿面磨齿工艺 对低速重载齿轮，采用齿顶修缘磨齿工艺，其中一 端浮动无支撑的太阳轮进行鼓形齿磨削。 通过对冷却 液、磨削砂轮粒度和硬度、磨削量，以及热处理工艺等 因素进行调整和控制， 磨齿时不会出现啮合齿轮副产 收稿日期2012-01-08；修订日期2012-02-25 作者简介白树全1966-，河北泊头人，副教授.从事材料科学及热处 理的教学与研究. E-mail13847208103 铸造技术 FOUNDRY TECHNOLOGY Vol. 33 No. 4 Apr. 2012412 生齿面拉毛现象和齿面龟裂问题。 3改善齿轮的热处理工艺 采煤机齿轮的承载能力和使用寿命不仅取决于齿 轮的加工制造工艺， 在很大程度上还取决于齿轮的热 处理工艺。 18Cr2Ni4WA材料有很高的淬透性， 经渗碳、淬 火、冷处理后具有较高的强度和韧性。为了进一步提高 齿轮心部的强度和硬度，采用深层渗碳法，将带有花键 孔的齿轮渗碳层深度加大到1.92.3 mm， 淬火后齿面 硬度为5862 HRC，心部硬度为3036 HRC。 表面渗碳 层浓度控制在0.751.00，过渡层变化要平缓，以减 小过渡层残余拉应力， 有效硬化层控制在整体渗碳层 的6870。 对金相组织的要求是碳化物级别≤3级， 残余奥氏体量≤4级，脱碳层≤0.05 mm，渗碳淬火后要 保证心部力学性能。 控制热处理质量主要在于控制渗碳、淬火2个主要 环节。 在18Cr2Ni4WA材料中，Si、Mn 2种元素极少，它 们对渗碳层和渗层浓度梯度的影响可忽略不计。 其主 要合金元素Ni是非碳化物形成元素， 主要作用是提高 淬透性、降低渗层碳浓度和梯度。Cr和W都是碳化物形 成元素，由于它们吸碳能力极高，因而使渗层碳浓度升 高，浓度梯度变陡。 故合金元素Ni、Cr和W综合作用的 结果是渗层碳浓度升高，浓度梯度变陡。若采用一般的 渗碳方法，渗层极易产生网状碳化物［2］，使渗层变脆产 生裂纹。 鉴于此，采用分段渗碳法，渗剂采用甲醇和煤 油，渗碳工艺过程分为排气、升温、强渗及扩散几个阶 段。所谓分段渗碳法，就是把整个渗碳过程分为几个阶 段，在不同阶段采用不同的碳势和温度，防止渗碳层网 状碳化物的产生。18Cr2Ni4WA齿轮经分段渗碳后，根 据心部硬度要求不同， 再在220、420、540 ℃硝盐槽中 进行分级淬火，使心部获得低碳马氏体贝氏体残余 奥氏体组织。 淬火后清洗表面残盐，在-60-80 ℃的液 氮酒精溶液中进行冷处理，其主要目的是使渗层中残 余奥氏体转变为马氏体，提高其硬度。冷处理后要及时 进行低温回火。 经渗碳、淬火、冷处理和低温回火后，对齿面和齿 根进行喷丸强化处理，可以进一步提高齿根强度。喷丸 强化通常是齿轮加工的最后一道工序，喷丸过程中，微 小球形弹丸撞击在齿轮表面， 会产生很大的残余压应 力薄层，这层薄层仅集中在齿轮表面和次表面，经喷丸 后能使齿轮的接触疲劳强度提高3050，并且能使 齿根弯曲疲劳强度得到改善， 能够有效地阻止裂纹的 扩展，并且能够有效地抵抗破坏性冲击，减小点蚀。 资 料表明，通过喷丸强化处理，可使齿轮寿命明显提高［3］。 4提高内齿圈制造质量 各系列采煤机中主传动内齿圈，模数为710，直径 为585820 mm，压力角20，材料均为42CrMo。 内齿圈 属于薄壁类零件，车、铣、插、钻、磨等加工工序和热处 理后极易产生变形。 为防止变形，保证质量，在锻造后 增加一道正火处理工序，粗车后再进行调质处理。调质 处理后的硬度从240280 HBS提高到260300 HBS。增 加这2道热处理工序的目的是最大限度消除内应力，细 化晶粒，稳定组织，改善切削条件和提高齿面光洁度。为 减少内齿圈变形，半精车后再进行一次人工时效。 插齿分粗插和精插2道工序。为减少粗插齿产生的 内应力，进行第2次人工时效处理，精插齿是在马格梳 齿机上进行，完全可以保证插齿精度。最后进行氮化处 理。氮化层深度由0.3 mm提高到0.40.6 mm，硬度大于 600 HV，氮化工艺在井式气体氮化炉中进行，氮化炉 要有较好的密封性，以防止空气进入氧化，采用风扇搅 拌氮气，使氮化层和硬度均匀，从而较好地保证了内齿 圈的制造质量。 5结语 采用上述加工制造工艺和热处理工艺措施制造的 采煤机齿轮， 通过上海煤炭科学研究院齿轮寿命试验 和各煤矿井下实际使用效果证明， 生产的采煤机齿轮 啮合质量和使用寿命达到了德国和英国生产的采煤机 齿轮同期制造水平。 参考文献 ［1］宋庭锋.矿用设备齿轮箱齿轮材料的选择 ［J］.煤矿机械，2011， 7104-105. ［2］王悔改， 张占领.热处理工艺对超高碳钢显微组织及磨损性能的 影响［J］.铸造技术，2011，324483-486. ［3］崔崑.钢铁材料及有色金属材料［M］.北京机械工业出版社， 1980. 铸造技术04/2012白树全等采煤机重载齿轮的制造及其热处理工艺413