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技術 | 回轉窯齒輪托輪硬度及硬度匹配合理性探討

來源:《蘇鵬飛集團股份有限公司》 發布日期:2019/9/24 編輯:徐展迪
核心提示:回轉窯齒輪托輪硬度及硬度匹配合理性探討

1983年首次發布的JC/T 333((水泥工業用回轉窯》uI建材行業標準,于1991年進行了第一次修訂,2006年進行了第二次修訂。GB/T 32994--2016(水泥工業用回轉窯》旺1國家標準于2016年10月3日首次發布,2017年9月1日實施。原行業標準和新實施的國家標準都對回轉窯輪帶、托輪、大齒圈、小齒輪等主要零部件的硬度和硬度匹配提出了要求。實踐發現硬度要求和硬度匹配要求存在問題。主要表現在硬度的界定和比較基準為最低硬度、最高硬度、還是平均硬度不夠明確,存在異議,不利于標準的貫徹實施。


無論是原行業標準還是新實施的國家標準,除對齒輪的材料最低要求和硬度最低要求不同外,其小齒輪齒頂圓硬度應比大齒圈齒頂圓硬度高20HB以上、托輪外圓硬度應比輪帶外圓硬度高20HB以上的要求相同,都體現了小齒輪和托輪硬度的重要性。現對相關零部件的硬度要求和硬度匹配要求的合理性進行研究分析。


1.關于大齒圈和小齒輪硬度


1.1 標準對大齒圈和小齒輪硬度要求


國家標準規定:大齒圈應進行熱處理,精加工后齒頂圓表面硬度應不低于185HBm;小齒輪應進行調質處理,精加工后齒頂圓表面硬度不低于230HB,小齒輪齒頂圓硬度應比大齒圈齒頂圓硬度高20HB以上。


1.2 標準規定硬度要求的合理性分析


1.2.1規定區域硬度的代表性分析


(1)齒頂圓表面硬度代表性的分析。除齒形精度、材質外,齒輪齒面硬度是衡量齒輪質量的重要指標。但是由于受檢測空間的限制,齒面硬度難以被測量,只能用頂圓表面硬度代表齒輪硬度。無論是原行業標準還是新實施的國家標準,都是用齒輪齒頂圓表面硬度衡量齒輪硬度。標準規定齒頂圓表面硬度要求而不規定齒面硬度要求是從檢測方法方面考慮的,受檢測的可能性遷就。大齒圈一般通過正火處理,其齒頂圓表面硬度與齒面硬度差異不算太大,大齒圈齒頂圓表面硬度基本能夠代表大齒圈齒面硬度。


(2)制造工藝影響齒頂圓表面硬度的代表性。要求熱處理工藝相同,淬透層深度基本相同。小齒輪一般都經過調質處理,其硬度與淬透層深度有關。齒面硬度的高低取決于調質處理前齒面的齒形精加工余量。齒形精加工余量越小,齒面硬度接近齒頂圓表面硬度。


(3)兩種典型的制造工藝對硬度代表性的影響。對于外圓粗加工而不進行齒面粗加工先進行調質處理的小齒輪,由于模數較大齒槽較深,其齒頂圓硬度與齒面硬度的差異較大,齒深方向的齒面硬度的差異也較大。回轉窯小齒輪的模數較大,一般為25~45,全齒深約為50~100mm,有限的淬透深度不可能使齒面達到較高的硬度。實驗表明,這種不進行齒形粗加工直接調質處理的齒輪齒頂圓表面硬度與齒面硬度相差在40HB以上,因此齒頂圓表面硬度不能代表小齒輪齒面硬度。


部分制造廠為了提高小齒輪齒面硬度,采用齒形粗加工后調質處理的制造工藝,使齒頂圓硬度與齒面硬度的差異減小。齒形粗加工留1~3mm余量再進行調質處理再滾齒的小齒輪,能使齒頂圓表面硬度與齒面硬度的差異減小到20HB以下或10HB以下,齒深方向的齒面硬度基本接近。這種預留齒面精加工余量先調質處理再滾齒的齒輪齒頂圓表面硬度基本能夠代表小齒輪齒面硬度。


預先齒形粗加工的加工方法有鋸齒、刨齒、銑齒三種,預留的滾齒余量不同,最終達到的齒面硬度效果也不同。鋸齒使齒槽預先形成V形齒槽;刨齒使齒槽預先形成階梯形齒槽;銑齒使齒槽預先形成接近于最終齒形的齒槽。隨著數控銑齒機和新型粗加工刀具在齒輪粗加工中的應用,銑齒形成的齒槽余量能夠達到最小狀態,余量能夠控制到1mm左右或更小,能夠使調質處理達到接近最大齒面淬透深度,齒輪齒頂圓表面硬度完全能夠代表小齒輪齒面硬度。因此齒形銑齒粗加工是目前提高齒面硬度最理想的加工工藝,代表了目前國際先進水平。也有制造廠通過齒面淬火的工藝方法提高小齒輪齒面硬度。這種工藝雖使齒面達到極高的硬度,甚至齒面硬度比齒頂圓表面硬度還要高,但是由于齒面在深度上硬度層不能均勻過渡,淬硬層較薄,硬度發生突變,容易導致小齒輪表面剝落的不良后果。




1.2.2小齒輪齒頂圓表面硬度要求的局限性


(1)局限性分析。對于外圓粗加工后調質處理再加工齒形的小齒輪,一般制造廠以提高齒頂圓硬度來提高齒面硬度。為了齒面硬度達到230HB以上或更高硬度,部分制造廠將齒頂圓硬度提高到280HB,甚至達到硬度300HB或更高。齒頂圓高硬度使小齒輪滾齒加工中刀具磨損和消耗達到驚人的地步,同時齒面的粗糙度也難以得到保證,或者通過手工磨光降低粗糙度Ra值。



采用外圓粗加工后調質處理再加工齒形的工藝加工的小齒輪,即便小齒輪齒頂圓硬度應比大齒圈齒頂圓硬度高20HB,其小齒輪齒面硬度有可能達不到大齒圈齒頂圓硬度,將影響小齒輪的使用壽命。


對于齒面粗加工留適當余量進行調質處理再滾齒的小齒輪,縮小了齒頂圓齒面硬度和齒面硬度的差異。如果小齒輪齒頂圓硬度應比大齒圈齒頂圓硬度高20HB,小齒輪齒面硬度就不低于大齒圈齒頂圓硬度。這種制造工藝保證了小齒輪齒面硬度,確保了小齒輪的使用壽命。


相同的熱處理工藝雖然齒頂圓表面硬度基本相同,但不同的機加工工藝最終的齒面硬度不同。因此籠統規定小齒輪齒頂圓表面硬度不切實際,存在局限性。不同的機加工工藝的齒頂圓表面硬度應有不同的要求。


(2)硬度要求取值。鑒于外圓粗加工后調質處理和齒面粗加工后調質所達到的齒面硬度至少相差20 HB以上的實際情況,應提高外圓粗加工后調質處理的齒頂圓最低硬度要求,降低齒面粗加工后調質的齒頂圓最低硬度要求。兩種工藝的齒頂圓最低硬度要求差異至少在20HB以上,差異取值有待日后進一步研究。


1.2.3硬度界定基準


按硬度的區域可劃分為齒頂圓表面硬度和齒面硬度,按硬度值范圍可劃分為最低硬度、最高硬度、平均硬度。由于齒面硬度測量存在難度,則硬度的界定和比較基準應為齒頂圓最低硬度、齒頂圓最高硬度、齒頂圓平均硬度。沒有界定和比較基準的硬度指標沒有實際操作意義。


如果沒有硬度的界定和比較基準,就可以把標準的要求進行如下9種的不同理解:



(1)小齒輪齒頂圓最低硬度應比大齒圈齒頂圓最低硬度高20 HB以上;

(2)小齒輪齒頂圓最高硬度應比大齒圈齒頂圓最高硬度高20 HB以上;

(3)小齒輪齒頂圓平均硬度應比大齒圈齒頂圓平均硬度高20 HB以上;

(4)小齒輪齒頂圓最低硬度應比大齒圈齒頂圓最高硬度高20HB以上;

(5)小齒輪齒頂圓最低硬度應比大齒圈齒頂圓平均硬度高20HB以上;

(6)小齒輪齒頂圓最高硬度應比大齒圈齒頂圓最低硬度高20 HB以上;

(7)小齒輪齒頂圓最高硬度應比大齒圈齒頂圓平均硬度高20 HB以上;

(8)小齒輪齒頂圓平均硬度應比大齒圈齒頂圓最低硬度高20HB以上;

(9)小齒輪齒頂圓平均硬度應比大齒圈齒頂圓最高硬度高20 HB以上。


因此標準必須明確大齒圈和小齒輪硬度的界定和比較基準。


1.2.4硬度匹配標記


批量生產或庫存的大小齒輪臺與臺之間容易混淆,應該做大齒圈和小齒輪硬度匹配標記。


2 關于輪帶和托輪硬度


2.1標準對輪帶和托輪硬度要求


國家標準規定輪帶應進行熱處理,精加工后外圓表面硬度不低于170HBf21;國家標準規定托輪進行熱處理,精加工后外圓表面硬度不低于190HB;托輪外圓硬度應比輪帶外圓硬度高20HB以上口。


2.2標準規定硬度要求的合理性分析


(1)硬度的界定和比較基準與上述齒輪硬度分析一樣,托輪外圓硬度應比輪帶外圓硬度高20HB以上的要求,無法界定考核指標和比較基準是外圓最低硬度、最高硬度還是平均硬度,標準執行中存在異議,因此同樣沒有實際操作意義。



(2)托輪外圓表面最低硬度要求的必要性分析。輪帶最低控制硬度雖然為170HB,鑄鋼廠普遍認為硬度差的控制水平都高于20HB以上,甚至達到40HB,即輪帶最高硬度都在190HB以上。托輪的最低硬度要求受制于輪帶的實際硬度,因此托輪硬度不低于190HB的要求沒有實際意義。


(3)硬度匹配標記。硬度匹配的輪帶托輪應該標記,防止混淆使用導致硬度匹配工作前功盡棄;批量生產或庫存的輪帶托輪臺與臺之間容易混淆,應該做輪帶托輪硬度匹配標記。


3 對硬度要求的修改建議


對硬度要求的修改原則為不降低對產品的要求;結合生產實際、現有制造水平;概念明確不產生異議;具有較強的可操作性。


(1)對齒輪硬度要求的修改建議。修改要點:根據不同制造工藝和齒面硬度保證能力對齒頂圓表面硬度提出不同要求;明確硬度的界定和比較基準;對硬度匹配標記提出要求。建議修改為:小齒輪應進行調質處理,硬度符合以下要求:


①外圓粗加工后調質處理的,精加工后齒頂圓表面硬度不低于250HB,且小齒輪齒頂圓最低硬度應比大齒圈齒頂圓最高硬度高40HB以上;

②齒面粗加工后調質處理的,精加工后齒頂圓表面硬度不低于230HB,且小齒輪齒頂平均硬度比大齒輪齒頂平均硬度高20HB以上;

③硬度配對的齒輪應做同樣的標記,防止混淆,如標記:A,B,C……。


(2)對輪帶托輪硬度要求的修改建議。去除沒有實際意義的硬度指標要求;明確硬度界定和比較基準;對硬度匹配標記提出要求。建議取消托輪“精加工后外圓表面硬度應不低于190HB”的要求,要求修改為:托輪外圓的平均硬度比輪帶外圓的平均硬度高20 HB以上,且托輪外圓最低硬度不低于輪帶外圓最高硬度;硬度配對的托輪和輪帶應以同樣的匹配代號(英文大寫字母)標記,庫存配對標記不得重復,如標記:Al,B1,Cl……和A2,B2,C2……。


4 總結


(1)通過對GB/T 32994--2016水泥工業用回轉窯國家標準中有關大齒圈、小齒輪、輪帶、托輪等主要零部件硬度要求的研究,分析出標準中規定的硬度區域的代表性、要求的普遍實用性、界定基準、取值等方面存在的問題

(2)根據實際情況需要提出了實用性較強的硬度要求建議和防止配對混淆的硬度匹配標記要求

(3)對回轉窯主要零部件硬度要求的修改建議能為水泥工業用回轉窯標準的實施提供幫助,同時也可為標準的修改和修訂提供參考依據。

(4)所述回轉窯主要零部件硬度要求修改建議具有合理性和適用性。

來源:《蘇鵬飛集團股份有限公司》


作者:李曉平,陳黎東,王復光,賁道春


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