技术 | 回转窑齿轮托轮硬度及硬度匹配合理性探讨

1983年首次发布的JC／T 333((水泥工业用回转窑》uI建材行业标准，于1991年进行了第一次修订，2006年进行了第二次修订。GB／T 32994--2016(水泥工业用回转窑》旺1国家标准于2016年10月3日首次发布，2017年9月1日实施。原行业标准和新实施的国家标准都对回转窑轮带、托轮、大齿圈、小齿轮等主要零部件的硬度和硬度匹配提出了要求。实践发现硬度要求和硬度匹配要求存在问题。主要表现在硬度的界定和比较基准为最低硬度、最高硬度、还是平均硬度不够明确，存在异议，不利于标准的贯彻实施。

无论是原行业标准还是新实施的国家标准，除对齿轮的材料最低要求和硬度最低要求不同外，其小齿轮齿顶圆硬度应比大齿圈齿顶圆硬度高20HB以上、托轮外圆硬度应比轮带外圆硬度高20HB以上的要求相同，都体现了小齿轮和托轮硬度的重要性。现对相关零部件的硬度要求和硬度匹配要求的合理性进行研究分析。

1.关于大齿圈和小齿轮硬度

1.1 标准对大齿圈和小齿轮硬度要求

国家标准规定：大齿圈应进行热处理，精加工后齿顶圆表面硬度应不低于185HBm；小齿轮应进行调质处理，精加工后齿顶圆表面硬度不低于230HB，小齿轮齿顶圆硬度应比大齿圈齿顶圆硬度高20HB以上。

1.2 标准规定硬度要求的合理性分析

1.2.1规定区域硬度的代表性分析

（1）齿顶圆表面硬度代表性的分析。除齿形精度、材质外，齿轮齿面硬度是衡量齿轮质量的重要指标。但是由于受检测空间的限制，齿面硬度难以被测量，只能用顶圆表面硬度代表齿轮硬度。无论是原行业标准还是新实施的国家标准，都是用齿轮齿顶圆表面硬度衡量齿轮硬度。标准规定齿顶圆表面硬度要求而不规定齿面硬度要求是从检测方法方面考虑的，受检测的可能性迁就。大齿圈一般通过正火处理，其齿顶圆表面硬度与齿面硬度差异不算太大，大齿圈齿顶圆表面硬度基本能够代表大齿圈齿面硬度。

（2）制造工艺影响齿顶圆表面硬度的代表性。要求热处理工艺相同，淬透层深度基本相同。小齿轮一般都经过调质处理，其硬度与淬透层深度有关。齿面硬度的高低取决于调质处理前齿面的齿形精加工余量。齿形精加工余量越小，齿面硬度接近齿顶圆表面硬度。

（3）两种典型的制造工艺对硬度代表性的影响。对于外圆粗加工而不进行齿面粗加工先进行调质处理的小齿轮，由于模数较大齿槽较深，其齿顶圆硬度与齿面硬度的差异较大，齿深方向的齿面硬度的差异也较大。回转窑小齿轮的模数较大，一般为25～45，全齿深约为50～100mm，有限的淬透深度不可能使齿面达到较高的硬度。实验表明，这种不进行齿形粗加工直接调质处理的齿轮齿顶圆表面硬度与齿面硬度相差在40HB以上，因此齿顶圆表面硬度不能代表小齿轮齿面硬度。

部分制造厂为了提高小齿轮齿面硬度，采用齿形粗加工后调质处理的制造工艺，使齿顶圆硬度与齿面硬度的差异减小。齿形粗加工留1～3mm余量再进行调质处理再滚齿的小齿轮，能使齿顶圆表面硬度与齿面硬度的差异减小到20HB以下或10HB以下，齿深方向的齿面硬度基本接近。这种预留齿面精加工余量先调质处理再滚齿的齿轮齿顶圆表面硬度基本能够代表小齿轮齿面硬度。

预先齿形粗加工的加工方法有锯齿、刨齿、铣齿三种，预留的滚齿余量不同，最终达到的齿面硬度效果也不同。锯齿使齿槽预先形成V形齿槽；刨齿使齿槽预先形成阶梯形齿槽；铣齿使齿槽预先形成接近于最终齿形的齿槽。随着数控铣齿机和新型粗加工刀具在齿轮粗加工中的应用，铣齿形成的齿槽余量能够达到最小状态，余量能够控制到1mm左右或更小，能够使调质处理达到接近最大齿面淬透深度，齿轮齿顶圆表面硬度完全能够代表小齿轮齿面硬度。因此齿形铣齿粗加工是目前提高齿面硬度最理想的加工工艺，代表了目前国际先进水平。也有制造厂通过齿面淬火的工艺方法提高小齿轮齿面硬度。这种工艺虽使齿面达到极高的硬度，甚至齿面硬度比齿顶圆表面硬度还要高，但是由于齿面在深度上硬度层不能均匀过渡，淬硬层较薄，硬度发生突变，容易导致小齿轮表面剥落的不良后果。

1.2.2小齿轮齿顶圆表面硬度要求的局限性

（1）局限性分析。对于外圆粗加工后调质处理再加工齿形的小齿轮，一般制造厂以提高齿顶圆硬度来提高齿面硬度。为了齿面硬度达到230HB以上或更高硬度，部分制造厂将齿顶圆硬度提高到280HB，甚至达到硬度300HB或更高。齿顶圆高硬度使小齿轮滚齿加工中刀具磨损和消耗达到惊人的地步，同时齿面的粗糙度也难以得到保证，或者通过手工磨光降低粗糙度Ra值。

采用外圆粗加工后调质处理再加工齿形的工艺加工的小齿轮，即便小齿轮齿顶圆硬度应比大齿圈齿顶圆硬度高20HB，其小齿轮齿面硬度有可能达不到大齿圈齿顶圆硬度，将影响小齿轮的使用寿命。

对于齿面粗加工留适当余量进行调质处理再滚齿的小齿轮，缩小了齿顶圆齿面硬度和齿面硬度的差异。如果小齿轮齿顶圆硬度应比大齿圈齿顶圆硬度高20HB，小齿轮齿面硬度就不低于大齿圈齿顶圆硬度。这种制造工艺保证了小齿轮齿面硬度，确保了小齿轮的使用寿命。

相同的热处理工艺虽然齿顶圆表面硬度基本相同，但不同的机加工工艺最终的齿面硬度不同。因此笼统规定小齿轮齿顶圆表面硬度不切实际，存在局限性。不同的机加工工艺的齿顶圆表面硬度应有不同的要求。

（2）硬度要求取值。鉴于外圆粗加工后调质处理和齿面粗加工后调质所达到的齿面硬度至少相差20 HB以上的实际情况，应提高外圆粗加工后调质处理的齿顶圆最低硬度要求，降低齿面粗加工后调质的齿顶圆最低硬度要求。两种工艺的齿顶圆最低硬度要求差异至少在20HB以上，差异取值有待日后进一步研究。

1.2.3硬度界定基准

按硬度的区域可划分为齿顶圆表面硬度和齿面硬度，按硬度值范围可划分为最低硬度、最高硬度、平均硬度。由于齿面硬度测量存在难度，则硬度的界定和比较基准应为齿顶圆最低硬度、齿顶圆最高硬度、齿顶圆平均硬度。没有界定和比较基准的硬度指标没有实际操作意义。

如果没有硬度的界定和比较基准，就可以把标准的要求进行如下9种的不同理解：

（1）小齿轮齿顶圆最低硬度应比大齿圈齿顶圆最低硬度高20 HB以上；

（2）小齿轮齿顶圆最高硬度应比大齿圈齿顶圆最高硬度高20 HB以上；

（3）小齿轮齿顶圆平均硬度应比大齿圈齿顶圆平均硬度高20 HB以上；

（4）小齿轮齿顶圆最低硬度应比大齿圈齿顶圆最高硬度高20HB以上；

（5）小齿轮齿顶圆最低硬度应比大齿圈齿顶圆平均硬度高20HB以上；

（6）小齿轮齿顶圆最高硬度应比大齿圈齿顶圆最低硬度高20 HB以上；

（7）小齿轮齿顶圆最高硬度应比大齿圈齿顶圆平均硬度高20 HB以上；

（8）小齿轮齿顶圆平均硬度应比大齿圈齿顶圆最低硬度高20HB以上；

（9）小齿轮齿顶圆平均硬度应比大齿圈齿顶圆最高硬度高20 HB以上。

因此标准必须明确大齿圈和小齿轮硬度的界定和比较基准。

1.2.4硬度匹配标记

批量生产或库存的大小齿轮台与台之间容易混淆，应该做大齿圈和小齿轮硬度匹配标记。

2 关于轮带和托轮硬度

2.1标准对轮带和托轮硬度要求

国家标准规定轮带应进行热处理，精加工后外圆表面硬度不低于170HBf21；国家标准规定托轮进行热处理，精加工后外圆表面硬度不低于190HB；托轮外圆硬度应比轮带外圆硬度高20HB以上口。

2.2标准规定硬度要求的合理性分析

（1）硬度的界定和比较基准。与上述齿轮硬度分析一样，托轮外圆硬度应比轮带外圆硬度高20HB以上的要求，无法界定考核指标和比较基准是外圆最低硬度、最高硬度还是平均硬度，标准执行中存在异议，因此同样没有实际操作意义。

（2）托轮外圆表面最低硬度要求的必要性分析。轮带最低控制硬度虽然为170HB，铸钢厂普遍认为硬度差的控制水平都高于20HB以上，甚至达到40HB，即轮带最高硬度都在190HB以上。托轮的最低硬度要求受制于轮带的实际硬度，因此托轮硬度不低于190HB的要求没有实际意义。

（3）硬度匹配标记。硬度匹配的轮带托轮应该标记，防止混淆使用导致硬度匹配工作前功尽弃；批量生产或库存的轮带托轮台与台之间容易混淆，应该做轮带托轮硬度匹配标记。

3 对硬度要求的修改建议

对硬度要求的修改原则为不降低对产品的要求；结合生产实际、现有制造水平；概念明确不产生异议；具有较强的可操作性。

（1）对齿轮硬度要求的修改建议。修改要点：根据不同制造工艺和齿面硬度保证能力对齿顶圆表面硬度提出不同要求；明确硬度的界定和比较基准；对硬度匹配标记提出要求。建议修改为：小齿轮应进行调质处理，硬度符合以下要求：

①外圆粗加工后调质处理的，精加工后齿顶圆表面硬度不低于250HB，且小齿轮齿顶圆最低硬度应比大齿圈齿顶圆最高硬度高40HB以上；

②齿面粗加工后调质处理的，精加工后齿顶圆表面硬度不低于230HB，且小齿轮齿顶平均硬度比大齿轮齿顶平均硬度高20HB以上；

③硬度配对的齿轮应做同样的标记，防止混淆，如标记：A，B，C……。

（2）对轮带托轮硬度要求的修改建议。去除没有实际意义的硬度指标要求；明确硬度界定和比较基准；对硬度匹配标记提出要求。建议取消托轮“精加工后外圆表面硬度应不低于190HB”的要求，要求修改为：托轮外圆的平均硬度比轮带外圆的平均硬度高20 HB以上，且托轮外圆最低硬度不低于轮带外圆最高硬度；硬度配对的托轮和轮带应以同样的匹配代号(英文大写字母)标记，库存配对标记不得重复，如标记：Al，B1，Cl……和A2，B2，C2……。

4 总结

（1）通过对GB／T 32994--2016水泥工业用回转窑国家标准中有关大齿圈、小齿轮、轮带、托轮等主要零部件硬度要求的研究，分析出标准中规定的硬度区域的代表性、要求的普遍实用性、界定基准、取值等方面存在的问题。

（2）根据实际情况需要提出了实用性较强的硬度要求建议和防止配对混淆的硬度匹配标记要求。

（3）对回转窑主要零部件硬度要求的修改建议能为水泥工业用回转窑标准的实施提供帮助，同时也可为标准的修改和修订提供参考依据。

（4）所述回转窑主要零部件硬度要求修改建议具有合理性和适用性。

来源：《苏鹏飞集团股份有限公司》

作者：李晓平，陈黎东，王复光，贲道春

中国水泥备件网微信公众号（关注查询更多资讯）

（本文来源网络，若涉及版权问题，请作者来电或来函联系！）