低噪声长寿命齿圈关键工艺技术的研究与应用

齿圈是各种柴油发动机或汽油发动机的重要部件。齿圈和为发动机提供转动惯量的圆盘构成一个部件。发动机启动时，飞轮齿圈与起动机的齿轮啮合，带动曲轴转动，使发动机正常工作。发动机启动时，齿圈齿轮会瞬间产生很大的冲击力，齿间会有撞击声。因此，如何提高产品的抗冲击性能，降低啮合噪音等。在齿圈的设计和制造过程中，同时提高生产效率和延长使用寿命的齿圈已经成为提高产品竞争力的核心技术。

齿圈加工后应进行热处理，以提高表面硬度和耐磨性。目前常用的热处理工艺是高频感应淬火，多用于工业金属零件的表面淬火。是一种使工件表面产生一定的感应电流，快速加热零件表面，然后快速淬火的金属热处理方法。使用的设备是高频淬火感应器。感应加热的原理是将工件放入感应器中，感应器通常是中频或高频交流电(1000 ~ 300000Hz或更高)的空心铜管。将铜管制成方管形状，利用设计的夹具在加热变形的情况下快速完成成型，从而制成所需的圆柱形感应器，并产生交变磁场，在工件中产生同频率的感应电流。这种感应电流在工件上分布不均匀，表面强，内部弱，中心接近于零。利用这种趋肤效应，可以快速加热工件表面，几秒钟内表面温度升至800 ~ 1000℃，而中心温度略有上升。普通齿圈的淬火要求一般为淬火件，齿圈两端的硬化层深度、硬度、金相等级相同。这种结构可以满足普通齿圈，淬火后工件硬化层深度相同的淬火要求。

一、倒梯形结构齿圈淬火感应器应用扩展齿圈使用寿命

国产齿圈热处理主要采用高频感应淬火工艺，但感应器的结构会带来不同的淬火效果。通常齿圈上下端面的硬化层深度相同，即两端面的硬化层硬度相同。如果硬度高，齿心会变脆，容易折断，大大降低了牙齿的耐用性。在齿圈的实际工作中，只有靠近啮合齿轮的端面受到较大冲击，而附着在飞轮上的端面应保持柔软，具有最佳的缓冲效果。这样，硬齿面和相对较软的齿心是最好的齿圈淬火状态，倒梯形结构的淬火感应器可以达到这种“外硬内软”的理想状态。

根据齿圈的实际使用情况，与起动机齿轮啮合的齿圈的入口端受冲击较大，工作频率较高，即齿圈的倒角端和齿圈的非倒角端面承受的载荷不同，对齿圈两端硬化层的深度和硬度要求不同，为了保证齿的使用寿命，对其进行了硬化处理。虽然在实际加工过程中，有些因素可能会导致“阴阳面”，但这些“阴阳面”属于热处理缺陷，无法精确控制。

采用倒梯形结构齿圈淬火感应器，很好地解决了传统高频感应淬火工艺无法实现齿圈“阴阳面”的技术难题，大大延长了齿圈件的使用寿命。

接下来，将参照图1、图2和一个例子进一步解释这种特殊的高频感应淬火工艺。

A 齿圈高频感应淬火工艺，包括以下步骤:

(1)调整淬火感应线圈1的截面形状，使淬火感应线圈的截面形状为直角梯形(见图2b)。淬火感应线圈的三个直角边四周均涂有导磁体4，屏蔽磁场，减少能量损耗，起到节能作用。淬火感应线圈1水平放置，淬火感应线圈的长直角边5朝上，并且齿圈2放置在淬火感应线圈1和/kloc中

(2)对于第一次淬火，从淬火感应线圈1的长直角边5到齿圈2的倒角端面6的落差是第一设定距离，加热时间设定为第一设定时间，冷却时间设定为第二设定时间。

(3)对于第二次淬火，从淬火感应线圈1的短直角边8到齿圈2的非倒角端面7的落差是第二设定距离，加热时间是第三设定时间，冷却时间是第四设定时间。

该方案可以根据齿圈2两个端面的硬度要求和淬火深度要求调整第一次淬火和第二次淬火的工艺参数，通过参数调整控制“阴阳面”，解决了长期困扰该领域技术人员的技术难题。

接下来，以17.5毫米的齿圈2厚度和26毫米的淬火感应线圈1厚度为例，详细介绍上述特殊工艺。

用工装将齿圈2的内圈拧紧，使齿圈2的倒角端面6在淬火感应线圈1内朝上放置，齿圈2与淬火感应线圈1同心设置，淬火感应线圈1的长直角边5朝上设置，在淬火感应线圈1的短直角边8一侧设置有截面为矩形结构的喷水环3，喷水环3通过紧固件与淬火感应线圈1连接

第一次淬火时，从淬火感应线圈1的长直角边5到齿圈2的倒角端面6的落差为3.5mm，加热时间设定为5.8s，冷却时间设定为10s，冷却时间即喷水时间也需要控制。如果时间短，很容易出现tobite，甚至喷水压力也要有效控制。通常压力控制在0.3~0.45MPa，低压容易导致淬火后零件的显微组织。

冷却后，调整齿圈2的位置，然后进行第二次淬火。从淬火感应线圈1的短直角边8到齿圈2的非倒角端面7的落差为2mm，加热时间设定为5.7s，冷却时间设定为10s。同样，冷却时间和喷水压力指的是第一次淬火。

齿圈2一次淬火不能加工出想要的硬化层，中间有断层。通过两次淬火，齿圈2端面硬化层深度不同，齿圈2倒角端面6硬度为50 ~ 56 HRC，齿圈2非倒角端面7硬度为25 ~ 35 HRC，倒角。

该方案不仅适用于齿圈2的淬火工艺，也适用于其他产品的“阴阳面”处理工艺。这些产品有两个端面，要求两个端面硬化层的深度和硬度，如链轮、矿山设备中的耐磨环等。，没有举例说明。

二是减少齿圈装配时加热造成的二次能源浪费和齿圈淬火余热。

根据淬火齿圈时的不同供给形式，可通过淬火机程序设定相应的工艺参数，完成自回火，也可利用淬火余热实现齿圈和飞轮零件的热装，减少了全厂齿圈热装过程中二次加热造成的能源浪费，使双方的经济效益最大化。同时，降低了由齿圈二次(重复)加热引起的退火风险。

1.齿圈自回火工艺研究

通过减少冷却时间，齿圈利用淬火加热产生的余热进行自回火，将淬火工艺和回火工艺相结合，节约了回火工艺的动能成本和人工成本。

测试设备:采用ZT-250淬火机床，如图3所示。检测工具采用TM-902C温度检测仪。

自回火试验数据记录见表1，自回火试件2金相检验数据见表2，自回火试件3金相检验数据见表3。金相检测如图5所示。

2.齿圈淬火余热热装工艺研究

利用飞轮齿圈高频感应淬火余热实现齿圈压装工艺的工序可以纳入飞轮加工线的生产模式中形成连接。缩短飞轮装配加工线的物流距离，减少不必要的资源浪费，增加产品收益。此外，由于装配零件的供应，一方面减少了整机厂包装线的投入；另一方面，作为飞轮组件的供应商，为公司增加了销售收入。

国内发动机厂家大多还是以传统的分包装形式压装飞轮齿圈然后以飞轮组件的形式送到整个发动机装配线完成发动机装配。例如，在柴蔚发动机装配线上，其装配线旁边还有一条飞轮部件的子装配和预装配生产线，承担飞轮部件上线前的预装配任务。

目前，国内外齿圈制造工艺普遍存在能耗压力大、环保不达标等诸多弊端，R&D及制造水平处于较低水平。但该工艺方案可降低齿圈处理能耗，节约人工成本，具有广阔的推广应用前景。

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