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

目前，兩級行星和一級平行軸結(jié)構(gòu)設(shè)計是大兆瓦風(fēng)電齒輪箱的主流機型之一[1]。為了保證傳動比，平行級齒輪齒數(shù)增多，而基于輕量化的考慮，平行級齒輪設(shè)計時更傾向于扁平狀結(jié)構(gòu)，這就增加了平行級齒輪熱處理過程的難度，對熱處理變形帶來新的考驗。

圖1所示為某公司大兆瓦機型的平行級齒輪，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。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。

在試制過程中，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，發(fā)現(xiàn)齒部畸變較大，試磨削后零件公法線小于要求值，同時齒根位置出現(xiàn)磨削臺階，零件作報廢處理。

3 試制工藝及變形機理分析

在試制初期，考慮齒輪徑寬比達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)場實際情況，選擇序列號為H1的零件進行試制。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。

零件熱處理后各項理化指標檢測合格，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階，零件作報廢處理。

為了確定零件的變形原因，收集了H1零件磨齒時的對中數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析。

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

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

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

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

根據(jù)對H1零件磨齒對中數(shù)據(jù)的分析，暫無法判定零件齒向變形是由端面翹曲或齒部畸變造成的。零件的橢圓趨勢呈梨狀分布，雖無法確定具體位置是否與掛裝有關(guān)，但根據(jù)單點掛裝的情況推測，梨柄位置（148號齒附近）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）零件滲碳時僅采用4個蜂窩盤間隔擺放，在滲碳時發(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，淬火加熱時的蠕變引起變形，主要表現(xiàn)為淬火時掛裝引起的橢圓。

4）零件鹽浴淬火時，最先接觸的位置表現(xiàn)出更大的變形趨勢，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，流體相對流動速度較快。

4 工藝改進

根據(jù)對H1零件的分析，我們無法找到引起該零件變形的關(guān)鍵因子?；诜治龅脑颍紫葘崽幚砉に囘M行了改善，同時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。試驗零件序列號為H2，滲碳裝爐方式同H1。

4.1 滲碳工藝改善

為了減小滲碳時零件產(chǎn)生的熱應(yīng)力，減少加熱過程中產(chǎn)生的畸變，滲碳工藝更新如圖7所示。工藝降低了零件進爐的溫度，延長了650℃和880℃的等溫時間，增加了770℃的等溫段，并降低了強滲段的滲碳溫度。

圖7 H2零件熱處理工藝（改進工藝）

4.2 滲碳裝爐改善

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

在車床車削基準時，發(fā)現(xiàn)端面存在嚴重的跳動，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，在未墊放蜂窩板的位置，所有位置均為低點，高點間相差約0.2mm，低點間相差約0.25mm。

磨齒對中數(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，左右齒面的磨齒對中高低點差最大位置均為未墊放蜂窩板的位置。

通過對H2零件的滲碳裝爐方式的摸索，可以確定，滲碳時的蠕變引起軸向圓跳動過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盡可能小，滲碳時底部支撐蜂窩板由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可控制在0.52mm以下。

圖8 H2零件滲碳后軸向圓跳動

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]，故對淬火的裝爐形式進行調(diào)整。

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

隨爐攜帶的齒形試樣淬火后的檢測結(jié)果見表2，檢測結(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準值下限小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)化驗證

在序列號為H3和H4的零件生產(chǎn)時，同時采用圖8的滲碳工藝、滲碳時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，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H3零件的磨齒對中數(shù)據(jù)匯總雷達圖，其中109號齒位置為掛放時的支點位置，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)

針對在樣機階段總結(jié)的經(jīng)驗，又重新優(yōu)化了淬火掛裝的工裝，從原有的單點支撐更改為兩點支撐，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，在熱處理前補償0.25mm的滾齒公法線留量。經(jīng)過以上改善，小批量生產(chǎn)的30件齒輪全部合格。

5 結(jié)束語

1）對扁平狀的齒輪，在滲碳時應(yīng)保證端面各點均勻支撐，齒輪平裝滲碳時從原4塊蜂窩盤間隔擺放更改為8塊蜂窩板滿鋪，可降低因蠕變造成的端面翹曲變形。

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)和零件的相對流速，掛裝下部區(qū)域齒部變形大幅減小。

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

4）通過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)圓跳動從原來的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100%。