一种风能电机轴用合金钢摩擦热处理工艺的制作方法

1.本发明涉及合金钢热处理技术领域，尤其涉及一种风能电机轴用合金钢摩擦热处理工艺。


背景技术：

2.风能电机轴是风电机组中较为重要的受力件，在转动过程电机轴与主轴轴承之间承受了来自作用于风电机组上的大部分载荷,包括轴向力、径向力和弯矩等，而对风能电机轴的热处理是决定其性能的最后一步。
3.但电机轴除了高强度、高韧性的主结构性能外，还要满足表面的高耐磨性和耐低温冲击韧度，因此既要保证电机轴表面具有足够的淬硬层深度，满足工件的性能要求，又不能因淬火应力过大导致工件开裂。
4.传统的正火、回火及调质处理的组合处理以及新兴的电磁高频淬火等均是对风电轴表面淬硬层形态、厚度及参数控制的手段。但比较在以上手段，高频淬火对淬硬层厚度难以控制，且过渡层较深切较不均匀；正火、回火及调质处理的组合处理，控制参数较多，控制过程较为复杂，且实验差异性较大，且需要不断地进料和出炉，造成热处理进程较长，成为影响工期的决定因素，亟待改进。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种风能电机轴用合金钢摩擦热处理工艺。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种风能电机轴用合金钢摩擦热处理工艺，包括以下步骤：1）设备安装：设置数个弧形件，弧形件两端设有外翻边，且外翻边设有通孔，相邻外翻边通过螺栓紧固使弧形件合抱成一个圆筒体；弧形件内壁等距设有梯形通槽，梯形通槽内卡接有摩擦条，摩擦条内侧面伸出弧形件的内表面内侧从而形成突出部，摩擦条内侧表面为与轴锻件圆柱面接触的弧面；弧形件内表面、轴锻件圆柱面及相邻摩擦条之间形成空腔，该空腔用于排屑排液及热交换，位于相邻摩擦条之间的弧形件内表面部位开设有排屑通道，排屑通道另一端贯通至弧形件外表面且连通有气管接口，气管接口通过管道连接有压缩空气泵或排风机，连接压缩空气泵时对排屑通道进行吹气，进行排屑通道和轴锻件的清理，连接排风机时对排屑通道进行吸气，将空腔及进行排屑通道中的废屑或液体进行清理；位于相邻摩擦条之间的弧形件内表面部位还内嵌有冷却液管，冷却液管长度方向与轴锻件轴心线平行，冷却液管沿长度方向等距设有喷口，喷口内液体的喷射方向与轴锻件轴心线垂直，从而对轴锻件圆柱面进行直喷冷却和清洗，冷却液管一端通过管道连接有循环泵和储水箱，用于供液；
2）参数设置：取旋转拉拔锻造所得的轴锻件，将摩擦条插入弧形件的梯形通槽内，再将弧形件通过螺栓合抱在轴锻件圆柱面，在弧形件外表面施加径向压力，使摩擦条与轴锻件的压力为0.13-0.19mpa，该压力下轴锻件的表面损耗为有益损耗，即摩擦产生的废屑促进摩擦热的快速产生，且废屑有利于对轴锻件的打磨，从而实现摩擦热处理与抛光打磨的有机结合，如低于该压力则摩擦热生产较慢且较不均匀，达不到淬火和打磨的作用，如高于该压力如达到0.34mpa时，轴锻件的尺寸受到不利影响；控制轴锻件的转速为1200-1600r/min，该转速范围下，摩擦热可在15-20min达到淬火温度，且通过冷却液管的冷却壁循环换热处理，可在10min将淬火温度控制在750-900℃的淬火温度范围内；轴锻件与摩擦条间的摩擦系数为0.538；3）初步升温：逐步提高轴锻件的转速为500-600r/min，监测轴锻件摩擦表面温度为350-450℃之间，保持在该温度范围20min，观察废屑是否充满弧形件内表面、轴锻件圆柱面及相邻摩擦条之间的空腔，如在保温的20min内废屑填满，证明摩擦损耗量过大，则需降低摩擦条对轴锻件的压力和轴锻件的转速；4）摩擦热处理：提高轴锻件的转速为1200-1600r/min，观察摩擦热是否可在15-20min达到淬火温度750-900℃的范围，如不能则应提高轴锻件转速，在本技术试验过程中可成功在15-20min达到淬火温度范围，并由于摩擦打磨下，轴锻件光滑度增高，摩擦热生产减慢，便于温度控制；如低于750℃则可选择加快转速或在允许范围内增加摩擦条与轴锻件之间的径向压力，来提高摩擦热；如高于900℃，则可选择降低转速或在允许范围内减小摩擦条与轴锻件之间的径向压力，保证轴锻件表面温度于750-900℃的范围保持20-25min；5）水冷淬火：控制轴锻件转速为500-600r/min，通过冷却液管的喷口对其进行喷水冷却，至摩擦表面温度为150℃以下；喷水过程除冷却淬火外，水有润滑作用，可将轴锻件与摩擦条间的摩擦系数降至0.15以下，水还有排屑清洁作用，在旋转过程中废液废屑从弧形件两端的空腔口排出，并在排出大部分钢屑后对轴锻件与摩擦条润滑打磨，从而最终形成镜面结构；6）表面清洁：控制轴锻件转速为60-200r/min，通过气管接口连接压缩空气泵对排屑通道进行吹气，此时可配合通过冷却液管的喷口对其进行喷水清洗，使轴锻件表面无明显碎屑粉末，再通过气管接口连接排风机对排屑通道进行吸气，将空腔及进行排屑通道中的废屑或液体进行清理；交替吹气-吸气，至轴锻件和弧形件的表面以及空腔和排屑通道的内部清洁为止；7）停机检测：停止轴锻件，通过液压杆和螺栓逐个卸载弧形件，检测本技术的轴锻件表面无明显开裂及其他损伤，且锻造后的表面缺陷基本被克服，表面粗糙度值ra为 0.26-0.43μm，具有明显的镜面特征，而且通过回转轴法测试圆柱面的真圆度高于加工前，公差等级达2级以上，且摩擦损耗量未影响到最终尺寸，后续仅抛光或研磨即可得到合格轴件产品，大幅减轻
精加工工作量和工作难度；测试轴锻件表面硬度及淬硬层厚度，表面硬度≥53hrc，淬硬层厚度为5.5-7.6mm，过渡区厚度为4.3-4.6mm，该厚度不影响内部结构的力学性能。
7.优选地，弧形件总数为2-4个，可通过螺栓紧固抱成一圈形成一个圆筒体，但数量不宜过多，因为考虑到摩擦条的嵌入安装难度，还要考虑径向施加压力的均匀性，因为弧形件外表面的径向施加压力关系到摩擦力的大小，即滑动摩擦力f =μn ，n与径向施加压力成正比，μ为摩擦系数，在本技术使用的42crmo4合金钢与yt15硬质合金的摩擦系数μ为0.538，而加水形成水膜润滑的摩擦系数μ降至0.15以下。
8.优选地，所有摩擦条与轴锻件的接触面积占轴锻件外表面圆柱面积的55-62%。
9.优选地，梯形通槽外弧面宽度小于内弧面宽度，且两端贯通至弧形件的端面，即弧形件合抱成圆筒体后，可从圆筒体端面将摩擦条插入梯形通槽中，紧固后即可完成安装；优选地，排屑通道靠近轴锻件的一端设有椎体变径口，便于废屑收集。
10.优选地，排屑通道长度方向与轴锻件的轴心线垂直，便于抽气时更快排屑，也方便吹气时对轴锻件直喷消除表面粘附物。
11.优选地，喷口通过弯管与冷却液管相连通，便于流体控制和空间设置，在实际加工时，为了减小加工及安装难度，在弧形件两端开设贯通的类u形通槽（且u形口一端带有供冷却液管通过的大半圆形，使冷却液管部分裸露在空腔中，达到换热效果），而喷口、冷却液管及二者之间的支管为一体加工成型，成型后直接伸入到u形通槽中，而冷却液管外壁与弧形件两端面焊接处理，从而完成安装。
12.优选地，弧形件外面还固接有液压杆和支撑件，用于支撑并控制弧形件的合抱压力，从而影响摩擦条与轴锻件之间的摩擦力。
13.优选地，轴锻件两端通过夹具夹紧，夹具连接有同步电机，用以控制轴锻件的转速。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本技术以42crmo4合金钢的轴锻件为例，首次引入摩擦热处理，采用yt15为摩擦副，并通过设备改造，控制摩擦热、磨损量、冷却及润滑处理，对锻造后的轴锻件毛坯的圆周面进行摩擦热处理，不仅得到5.5-7.6mm的淬硬层，淬火后硬度:≥53hrc，过渡区厚度4.3-4.6mm，且任何开裂风险，而且在硬质合金摩擦副的打磨下，还得到表面粗糙度极低的镜面，因此本技术可总结为将摩擦热表面淬硬处理和表面打磨处理结合的双重改进，从而缩短工期。
15.2.本技术将摩擦热处理-水冷淬火-表面清洁结合，得到一种便于控制的摩擦热表面淬火工艺，其操作简便，并在淬火的同时对轴锻件表面进行镜面打磨，大大提高轴锻件的表面精度，且在热处理时由于圆筒体的合抱保护，避免淬火开裂风险，大大提高淬火出产率和产品品质，适宜推广。
附图说明
16.图1为本发明提出的一种风能电机轴用合金钢摩擦热处理工艺所采用的设备简易示意图；图2为本发明提出的一种风能电机轴用合金钢摩擦热处理工艺所采用的设备装配
图；图中：弧形件1、外翻边2、螺栓3、梯形通槽4、摩擦条5、轴锻件6、排屑通道7、气管接口8、冷却液管9、喷口10。
实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
18.经测定，试验所选的45钢化学成分和力学性能如下:化学成分:碳0.47%，锰0.71%，硅0.26，硼0.022%，硫0.018%抗拉强度:610mpa，伸长率: 16，硬度:229hbs。yt15硬质合金，硬度为91.5hra,密度为11.1～11.6g/mm3。
19.参照图1-2，一种风能电机轴用合金钢摩擦热处理工艺，包括以下步骤：1）设备安装：设置3个弧形件1，弧形件1两端设有外翻边2，且外翻边2设有通孔，相邻外翻边2通过螺栓3紧固使弧形件1合抱成一个圆筒体；弧形件1内壁等距设有梯形通槽4，梯形通槽4内卡接有摩擦条5，摩擦条5内侧面伸出弧形件1的内表面内侧从而形成突出部，摩擦条5内侧表面为与轴锻件6圆柱面接触的弧面；所有摩擦条5与轴锻件6的接触面积占轴锻件6外表面圆柱面积（指被圆筒体覆盖长度的轴锻件6圆柱段表面面积）的58.6%。
20.弧形件1内表面、轴锻件6圆柱面及相邻摩擦条5之间形成空腔，该空腔用于排屑排液及热交换，位于相邻摩擦条5之间的弧形件1内表面部位开设有排屑通道7，排屑通道7另一端贯通至弧形件1外表面且连通有气管接口8，气管接口8通过管道连接有压缩空气泵或排风机，连接压缩空气泵时对排屑通道7进行吹气，进行排屑通道7和轴锻件6的清理，连接排风机时对排屑通道7进行吸气，将空腔及进行排屑通道7中的废屑或液体进行清理；位于相邻摩擦条5之间的弧形件1内表面部位还内嵌有冷却液管9，冷却液管9长度方向与轴锻件6轴心线平行，冷却液管9沿长度方向等距设有喷口10，喷口10内液体的喷射方向与轴锻件6轴心线垂直，从而对轴锻件6圆柱面进行直喷冷却和清洗，冷却液管9一端通过管道连接有循环泵和储水箱，用于供液；2）参数设置：取旋转拉拔锻造所得的轴锻件6，将摩擦条5插入弧形件1的梯形通槽4内，再将弧形件1通过螺栓3合抱在轴锻件6圆柱面，在弧形件1外表面施加径向压力，使摩擦条5与轴锻件6的压力为0.13-0.19mpa，该压力下轴锻件6的表面损耗为有益损耗，即摩擦产生的废屑促进摩擦热的快速产生，且废屑有利于对轴锻件6的打磨，从而实现摩擦热处理与抛光打磨的有机结合，如低于该压力则摩擦热生产较慢且较不均匀，达不到淬火和打磨的作用，如高于该压力如达到0.34mpa时，轴锻件6的尺寸受到不利影响；控制轴锻件6的转速为1200-1600r/min，该转速范围下，摩擦热可在15-20min达到淬火温度，且通过冷却液管9的冷却壁循环换热处理，可在10min将淬火温度控制在750-900℃的淬火温度范围内；轴锻件6与摩擦条5间的摩擦系数为0.538；3）初步升温：逐步提高轴锻件6的转速为500-600r/min，监测轴锻件6摩擦表面温度为350-450
℃之间，保持在该温度范围20min，观察废屑是否充满弧形件1内表面、轴锻件6圆柱面及相邻摩擦条5之间的空腔，如在保温的20min内废屑填满，证明摩擦损耗量过大，则需降低摩擦条5对轴锻件6的压力和轴锻件6的转速；4）摩擦热处理：提高轴锻件6的转速为1200-1600r/min，观察摩擦热是否可在15-20min达到淬火温度750-900℃的范围，如不能则应提高轴锻件6转速，在本技术试验过程中可成功在15-20min达到淬火温度范围，并由于摩擦打磨下，轴锻件6光滑度增高，如低于750℃则可选择加快转速或在允许范围内增加摩擦条5与轴锻件6之间的径向压力，来提高摩擦热；如高于900℃，则可降低转速或在允许范围内减小摩擦条5与轴锻件6之间的径向压力，保证轴锻件6表面温度于750-900℃的范围保持20-25min；5）水冷淬火：控制轴锻件6转速为500-600r/min，通过冷却液管9的喷口10对其进行喷水冷却，至摩擦表面温度为150℃以下；喷水过程除冷却淬火外，水有润滑作用，可将轴锻件6与摩擦条5间的摩擦系数降至0.15以下，水还有排屑清洁作用，在旋转过程中废液废屑从弧形件1两端的空腔口排出，并在排出大部分钢屑后对轴锻件6与摩擦条5润滑打磨，从而最终形成镜面结构；6）表面清洁：控制轴锻件6转速为60-200r/min，通过气管接口8连接压缩空气泵对排屑通道7进行吹气，此时可配合通过冷却液管9的喷口10对其进行喷水清洗，使轴锻件6表面无明显碎屑粉末，再通过气管接口8连接排风机对排屑通道7进行吸气，将空腔及进行排屑通道7中的废屑或液体进行清理；交替吹气-吸气，至轴锻件6和弧形件1的表面以及空腔和排屑通道7的内部清洁为止；7）停机检测：停止轴锻件6，通过液压杆和螺栓3逐个卸载弧形件1，检测本技术的轴锻件6表面无明显开裂及其他损伤，且锻造后的表面缺陷基本被克服，表面粗糙度值ra为 0.26-0.43μm，具有明显的镜面特征，而且通过回转轴法测试圆柱面的真圆度高于加工前，公差等级达2级以上，且摩擦损耗量未影响到最终尺寸，后续仅抛光或研磨即可得到合格轴件产品，大幅减轻精加工工作量和工作难度；测试轴锻件6表面硬度及淬硬层厚度，表面硬度≥53hrc，淬硬层厚度为5.5-7.6mm，过渡区厚度为4.3-4.6mm，该厚度不影响内部结构的力学性能。
21.测试选用华银数显洛氏硬度计，型号为:hrs-150。测试条件:主应力——150kg，试验选用华银数显洛氏硬度计，型号为:hrs-150。测试条件:主应力为150kg，初次加载为10kg，预应力≥360hr，饱和时间为10s，测量时沿试样主轴由摩擦端面向里进行，采取双排螺旋式打点法，在轴锻件6表面打点，数据如下表：表1.本技术摩擦热处理后的表面硬度打点深度/mm1.322.584.215.947.408.9910.9214.33洛氏硬度/hrc54.153.455.354.552.932.1015.113.2冷却液管的安装过程：喷口10通过弯管与冷却液管9相连通，便于流体控制和空间设置，在实际加工时，为了减小加工及安装难度，在弧形件1两端开设贯通的类u形通槽（且u
形口一端带有供冷却液管9通过的大半圆形，使冷却液管9部分裸露在空腔中，达到换热效果），而喷口10、冷却液管9及二者之间的支管为一体加工成型，成型后直接伸入到u形通槽中，而冷却液管9外壁与弧形件1两端面焊接处理，从而完成安装。
22.弧形件的配件设置：弧形件1外面还固接有液压杆和支撑件，用于支撑并控制弧形件1的合抱压力，从而影响摩擦条5与轴锻件6之间的摩擦力。本技术中宜控制摩擦热条件为：轴锻件6转速为1200-1600r/min,摩擦条5与轴锻件6之间的压力控制为0.13-0.19mpa，该压力控制方式是：预先在摩擦条5与轴锻件6之间设置压力感应膜，并测试达到该压力范围时，各弧形件1外的液压杆的液压，记录该液压值作为控制摩擦过程中的压力范围。
23.轴锻件的旋转控制：轴锻件6两端通过夹具夹紧，夹具连接有同步电机，用以控制轴锻件6的转速，由于现有风电机组的轴锻件6一般带有多段变径结构，而本技术考虑摩擦副——摩擦条5的加工难度，故采用逐段摩擦处理的方式，与轴锻件6整段表面完全贴合的摩擦副尚未试验，而且各段摩擦力大小控制参数相互之间是否有影响也可未知，故留待后续研发，不属于本技术的保护范围。
24.而根据实际需求，轴锻件6在经历本技术水冷淬火后，还可以进行回火处理，此时由于水润滑降低摩擦系数，因此关闭冷却液管9，控制轴锻件6的转速为2000-2300r/min，保证轴锻件6表面温度为550-600℃，保持在该温度下回火处理1-1.5h，即可使淬硬层具有一定的韧性。
25.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。