趙建森，朱百智，占彬，江紅兵

南京高速齒輪制造有限公司 江蘇南京 211122

1 序言

風(fēng)電齒輪箱技術(shù)創(chuàng)新堅(jiān)持以“低度電成本和高性能”為目標(biāo)，正在向著大型化、高可靠性、高扭矩密度、高效率、低振動(dòng)噪聲和易維修等方向發(fā)展[1]。海上風(fēng)力齒輪箱主流機(jī)型多為4~10MW，隨著風(fēng)電齒輪箱型號(hào)的增大，對(duì)齒輪箱的質(zhì)量穩(wěn)定性和輕量化提出了更高的要求。

目前，兩級(jí)行星和一級(jí)平行軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是大兆瓦風(fēng)電齒輪箱的主流機(jī)型之一[1]。為了保證傳動(dòng)比，平行級(jí)齒輪齒數(shù)增多，而基于輕量化的考慮，平行級(jí)齒輪設(shè)計(jì)時(shí)更傾向于扁平狀結(jié)構(gòu)，這就增加了平行級(jí)齒輪熱處理過(guò)程的難度，對(duì)熱處理變形帶來(lái)新的考驗(yàn)。

圖1所示為某公司大兆瓦機(jī)型的平行級(jí)齒輪，材料為18CrNiMo7-6鋼，輪齒模數(shù)為10mm，要求采用滲碳淬火。此齒輪外徑1680mm，齒寬180mm，內(nèi)孔直徑500mm，采用薄輻板設(shè)計(jì)。熱處理技術(shù)要求見表1。

圖1 齒輪外形尺寸

表1 18CrNiMo7-6鋼齒輪熱處理技術(shù)要求

2 工藝路線

齒輪加工工藝流程為鍛造→正火→粗車→滾齒→倒角→滲碳淬火→噴丸→半精車→精車→插鍵槽→裝配→鏜→磨齒→入庫(kù)。

在試制過(guò)程中，該齒輪經(jīng)滲碳、高溫回火、淬火、低溫回火及噴丸后，在磨齒加工時(shí)，發(fā)現(xiàn)齒部畸變較大，試磨削后零件公法線小于要求值，同時(shí)齒根位置出現(xiàn)磨削臺(tái)階，零件作報(bào)廢處理。

3 試制工藝及變形機(jī)理分析

在試制初期，考慮齒輪徑寬比達(dá)9.3，輻板較薄，減重孔大，零件容易發(fā)生翹曲變形，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇序列號(hào)為H1的零件進(jìn)行試制。試制熱處理工藝如圖2所示[2，3]，采用“滲碳-高回-淬火-低回”工藝模式，在升溫時(shí)采用階梯升溫，淬火采用鹽浴淬火[4，5]。零件使用2m井式滲碳爐工裝平裝，裝爐時(shí)為方便操作，選擇8間隔的底盤工裝，墊放4塊扇形蜂窩板并間隔擺放，如圖3所示，在高溫回火后淬火裝爐更改為掛裝，掛裝位置為零件內(nèi)孔，如圖4所示。

零件熱處理后各項(xiàng)理化指標(biāo)檢測(cè)合格，在磨齒工序反饋齒部畸變大，試磨削后零件公法線604.74mm，低于要求值下限605.014mm，部分輪齒齒根存在磨削臺(tái)階，零件作報(bào)廢處理。

為了確定零件的變形原因，收集了H1零件磨齒時(shí)的對(duì)中數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1）查看齒部的磨齒對(duì)中余量報(bào)告，多個(gè)齒形出現(xiàn)齒向交叉，整個(gè)齒向變形很大。

2）匯總左右齒面的磨齒對(duì)中高點(diǎn)與低點(diǎn)之差，采用雷達(dá)圖分析，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)在57號(hào)~82號(hào)齒位置變形最大，其余位置變形尚可接受。

3）對(duì)比左右齒面的磨齒余量分配，未發(fā)現(xiàn)磨齒時(shí)存在顯著的偏心，車削內(nèi)孔和端面基準(zhǔn)時(shí)滿足要求。

4）將左右齒面的磨齒對(duì)中數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)零件節(jié)圓存在明顯的橢圓，橢圓趨勢(shì)呈梨狀分布，橢圓量約0.18mm。

根據(jù)對(duì)H1零件磨齒對(duì)中數(shù)據(jù)的分析，暫無(wú)法判定零件齒向變形是由端面翹曲或齒部畸變?cè)斐傻?。零件的橢圓趨勢(shì)呈梨狀分布，雖無(wú)法確定具體位置是否與掛裝有關(guān)，但根據(jù)單點(diǎn)掛裝的情況推測(cè)，梨柄位置（148號(hào)齒附近）應(yīng)是與工裝接觸的位置，此處凸起最大；左右齒面變形量最大位置無(wú)顯著規(guī)律，但在橢圓的梨狀尾部附近（即掛裝下部）變形趨勢(shì)最大。

圖2 H1零件熱處理工藝（原工藝）

圖3 H1零件滲碳裝爐

圖4 H1零件淬火裝爐

圖5 H1零件左右齒面變形

圖6 H1零件左右齒面平均磨量

根據(jù)以上分析，工件變形的主要原因有：

1）零件齒部變形的隨機(jī)分布與滲碳工藝有關(guān)，如升溫速度、滲碳溫度等。

2）零件滲碳時(shí)僅采用4個(gè)蜂窩盤間隔擺放，在滲碳時(shí)發(fā)生蠕變，端面產(chǎn)生翹曲變形，從而引起齒向交叉。

3）在掛裝淬火時(shí)，淬火加熱時(shí)的蠕變引起變形，主要表現(xiàn)為淬火時(shí)掛裝引起的橢圓。

4）零件鹽浴淬火時(shí)，最先接觸的位置表現(xiàn)出更大的變形趨勢(shì)，該位置首先與鹽浴發(fā)生接觸，且該位置距離底部攪拌器較近，流體相對(duì)流動(dòng)速度較快。

4 工藝改進(jìn)

根據(jù)對(duì)H1零件的分析，我們無(wú)法找到引起該零件變形的關(guān)鍵因子?；诜治龅脑颍紫葘?duì)熱處理工藝進(jìn)行了改善，同時(shí)跟蹤齒輪滲碳后的變形情況，以判定在滲碳階段是否已經(jīng)發(fā)生了較大的熱處理變形。試驗(yàn)零件序列號(hào)為H2，滲碳裝爐方式同H1。

4.1 滲碳工藝改善

為了減小滲碳時(shí)零件產(chǎn)生的熱應(yīng)力，減少加熱過(guò)程中產(chǎn)生的畸變，滲碳工藝更新如圖7所示。工藝降低了零件進(jìn)爐的溫度，延長(zhǎng)了650℃和880℃的等溫時(shí)間，增加了770℃的等溫段，并降低了強(qiáng)滲段的滲碳溫度。

圖7 H2零件熱處理工藝（改進(jìn)工藝）

4.2 滲碳裝爐改善

為了分析齒輪在滲碳時(shí)的端面翹曲，以及端面翹曲對(duì)后續(xù)磨齒對(duì)中齒形數(shù)據(jù)的影響，H2零件重復(fù)了首次生產(chǎn)時(shí)H1齒輪的裝爐方式，并在高溫回火出爐后做好標(biāo)記，預(yù)先車出端面基準(zhǔn)，在磨齒機(jī)上進(jìn)行磨齒對(duì)中。

在車床車削基準(zhǔn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)端面存在嚴(yán)重的跳動(dòng)，具體數(shù)據(jù)如圖8所示。在蜂窩板支撐到的位置，所有位置均為高點(diǎn)，在未墊放蜂窩板的位置，所有位置均為低點(diǎn)，高點(diǎn)間相差約0.2mm，低點(diǎn)間相差約0.25mm。

磨齒對(duì)中數(shù)據(jù)顯示，零件齒向已經(jīng)產(chǎn)生明顯的齒向交叉，零件未產(chǎn)生明顯的橢圓，左右齒面的磨齒對(duì)中高低點(diǎn)差最大位置均為未墊放蜂窩板的位置。

通過(guò)對(duì)H2零件的滲碳裝爐方式的摸索，可以確定，滲碳時(shí)的蠕變引起軸向圓跳動(dòng)過(guò)大是零件變形的主要原因之一。

為保證齒輪在滲碳后的軸向圓跳動(dòng)盡可能小，滲碳時(shí)底部支撐蜂窩板由4塊增加到8塊，如圖9所示，滲碳淬火后零件的軸向圓跳動(dòng)可控制在0.52mm以下。

圖8 H2零件滲碳后軸向圓跳動(dòng)

圖9 改善后的滲碳裝爐

4.3 淬火裝爐改善

綜上所述，齒輪下部約1/4位置冷速較快是齒輪變形的影響因素之一[6]，故對(duì)淬火的裝爐形式進(jìn)行調(diào)整。

使用已滲碳的H2零件進(jìn)行試驗(yàn)，在底料盤上增加網(wǎng)孔阻尼工裝，以減小在淬火時(shí)流體對(duì)齒輪下端的相對(duì)流動(dòng)速度。隨爐攜帶相同規(guī)格的齒形試樣驗(yàn)證相關(guān)理化指標(biāo)是否受到影響。

隨爐攜帶的齒形試樣淬火后的檢測(cè)結(jié)果見表2，檢測(cè)結(jié)果合格。H2零件淬火后的變形較H1有一定幅度的降低，零件磨齒后公法線較標(biāo)準(zhǔn)值下限小0.03 mm，零件可讓步使用。

表2 H2零件熱處理結(jié)果

4.4 優(yōu)化驗(yàn)證

在序列號(hào)為H3和H4的零件生產(chǎn)時(shí)，同時(shí)采用圖8的滲碳工藝、滲碳時(shí)底部蜂窩板滿鋪的平放裝爐方式（見圖9），在掛裝淬火裝爐時(shí)，在底盤上增加網(wǎng)孔阻尼工裝，零件滲碳淬火后，變形得到大幅度改善。圖10和圖11為H3零件的磨齒對(duì)中數(shù)據(jù)匯總雷達(dá)圖，其中109號(hào)齒位置為掛放時(shí)的支點(diǎn)位置，從圖中可以看出，橢圓與H1零件基本保持一致，整體變形和淬火時(shí)與液面首先接觸區(qū)域的變形均大幅減小。

表3和圖12為零件采用不同的滲碳工藝、裝爐方式熱處理后的變形情況匯總。從對(duì)比中可以看出，采用改善后的滲碳工藝、優(yōu)化的滲碳和淬火裝爐方式后，零件齒部畸變降低了約40%。

圖10 H3零件左右齒面變形

圖11 H3零件左右齒面平均磨量

表3 不同裝爐和熱處理工藝對(duì)齒輪變形的影響

圖12 不同裝爐方式和熱處理工藝變形的箱線圖

4.5 批量生產(chǎn)

針對(duì)在樣機(jī)階段總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，又重新優(yōu)化了淬火掛裝的工裝，從原有的單點(diǎn)支撐更改為兩點(diǎn)支撐，零件的橢圓從原有的0.14~0.18m m減小至0.05~0.10mm。

在冷熱加工配合上，針對(duì)該零件在滲碳淬火后公法線呈現(xiàn)收縮，收縮約0.25mm，在熱處理前補(bǔ)償0.25mm的滾齒公法線留量。經(jīng)過(guò)以上改善，小批量生產(chǎn)的30件齒輪全部合格。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）對(duì)扁平狀的齒輪，在滲碳時(shí)應(yīng)保證端面各點(diǎn)均勻支撐，齒輪平裝滲碳時(shí)從原4塊蜂窩盤間隔擺放更改為8塊蜂窩板滿鋪，可降低因蠕變?cè)斐傻亩嗣媛N曲變形。

2）采用掛放工裝淬火，在淬火料盤底部增加網(wǎng)狀阻尼工裝后，由于降低了淬火冷卻介質(zhì)和零件的相對(duì)流速，掛裝下部區(qū)域齒部變形大幅減小。

3）對(duì)扁平狀齒輪，通過(guò)降低滲碳入爐溫度，增加升溫階梯段，延長(zhǎng)等溫時(shí)間，降低滲碳溫度，可減少熱處理時(shí)的應(yīng)力和高溫蠕變，有助于變形改善。

4）通過(guò)熱處理裝爐和工藝改善，齒輪端面翹曲變形從1.06mm以上降低至0.52mm以下，節(jié)圓跳動(dòng)從原來(lái)的0.18mm減小至0.1mm以下，齒部畸變降低約40%，小批量生產(chǎn)合格率達(dá)100%。