大功率風(fēng)電齒輪箱太陽輪滲碳淬火工藝設(shè)計(jì)

大功率風(fēng)電齒輪箱太陽輪滲碳淬火工藝設(shè)計(jì)

目前，一級(jí)星級(jí)平行軸的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是昭前風(fēng)齒輪箱的主要類型。為了使行星齒輪的載荷均勻分配,風(fēng)電齒輪箱常采用太陽輪浮動(dòng)機(jī)構(gòu);為增加太陽輪浮動(dòng)量,太陽輪花鍵需加工成鼓形;為增加耐磨性,提高兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱的承載能力,增加使用壽命以及提高可靠性,外花鍵齒面需有較高的硬度。圖1為某風(fēng)電齒輪箱太陽輪,材料18CrNiMo7-6,輪齒模數(shù)為14,花鍵模數(shù)為8,要求輪齒及漸開線花鍵采用滲碳淬火熱處理,與太陽輪配對(duì)調(diào)質(zhì)花鍵套的內(nèi)花鍵采用滲氮處理。此太陽輪長(zhǎng)度1400mm,軸徑260mm,輪齒及花鍵有效硬化層深、硬度要求相同(見表1),這要求必須有效控制太陽輪滲碳淬火熱處理彎曲變形,彎曲量越大,輪齒及花鍵磨削量越不均勻,有效硬化層深度以及硬度分布越不均勻,這將極大地降低太陽輪的承載能力,降低齒輪箱使用壽命。1.花鍵與輪齒磨齒對(duì)摩擦強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的要求更太陽輪滲碳淬火采用焊接懸掛熱處理方式,焊接部位確定為花鍵軸端或輪齒軸端焊接兩種方案?？紤]鏜孔可能影響熱處理變形,制訂熱前鏜孔與熱后鏜孔兩種方案。因?yàn)辇X輪輪齒嚙合既有滾動(dòng),又有滑動(dòng),而且齒根還受到脈動(dòng)彎曲應(yīng)力的作用,所以輪齒對(duì)接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度要求較高,而花鍵是以滑動(dòng)方式進(jìn)入工作狀態(tài)的,所以其沖擊少,動(dòng)載荷小,只要有載荷作用,多數(shù)鍵齒可同時(shí)接觸,應(yīng)力小,花鍵齒根圓弧大,應(yīng)力集中小,齒根彎曲強(qiáng)度高,所以輪齒對(duì)接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度要求高于花鍵,因此,工藝設(shè)計(jì)要求最終磨齒必須保證輪齒部位公法線,后以輪齒部位為基準(zhǔn)來磨削花鍵,進(jìn)而太陽輪的彎曲變形量可以花鍵磨削量均勻性來反映。由于首批太陽輪制造前無從獲知其熱處理變形規(guī)律及彎曲量,為防止花鍵部位磨齒有黑皮進(jìn)而導(dǎo)致公法線不足,工藝設(shè)計(jì)加大花鍵留磨量來保證成品花鍵公法線,輪齒及花鍵滾齒時(shí)雙邊留磨量見表2,最終形成表2所示的三種工藝路線(見圖2)。2.熱處理工藝路線1~3均采用圖3、圖4所示滲碳淬火熱處理工藝,采用鹽浴分級(jí)淬火,鹽浴冷卻完成后工件在空氣中風(fēng)冷,由于低溫階段冷卻速度慢,可以減小工件淬火變形。3.花鍵與花鍵的磨齒留磨量對(duì)比(1)變形結(jié)果太陽輪熱處理變形大小可以通過最終輪齒及花鍵的磨齒磨削量(見表3)反映,太陽輪彎曲變形越小,磨齒磨削變動(dòng)量越小,磨削量越均勻。路線1與2對(duì)比可見,滲碳淬火懸掛熱處理,在輪齒軸端焊接的彎曲變形遠(yuǎn)小于在花鍵軸端焊接,表明此類太陽輪采用重心朝上焊接懸掛有利于減小熱處理變形;路線2與3對(duì)比可見,同樣采用重心朝上焊接懸掛熱處理裝爐方式,滲碳前鏜孔的空心體結(jié)構(gòu)有利于減小熱處理變形。對(duì)于18CrNiMo7-6滲碳鋼,采用鹽浴淬火,3.0mm有效硬化層深,可以保證距表面1.8mm范圍內(nèi)的滲碳區(qū)硬度大于58HRC,路線1與2的花鍵區(qū)磨齒后硬度不能保證100%區(qū)域大于58HRC,花鍵磨齒后硬度不均勻;路線3花鍵區(qū)最大磨削量1.69mm,可以保證100%區(qū)域大于58HRC,輪齒及花鍵均滿足58~62HRC技術(shù)要求,但花鍵最大磨削量區(qū)域的有效硬化層低于圖樣下限2.0mm,花鍵滾齒留磨量值存在優(yōu)化的空間。由路線3的結(jié)果可見,輪齒磨齒單邊磨削量平均變動(dòng)量0.414mm與花鍵平均變動(dòng)量0.336mm基本相同,表明花鍵滾齒時(shí)留磨量可以減小至輪齒留磨量值,減小留磨量可以減少磨齒加工成本,其雙邊滾齒留磨量工藝設(shè)計(jì)值為0.6~0.7mm較為合理。(2)變形分析垂直自由懸掛裝爐熱處理,通過熱態(tài)時(shí)自身重力作用使重力方向通過軸心線,不產(chǎn)生附加應(yīng)力,減小甚至抵消淬火時(shí)產(chǎn)生的彎曲變形,利用自身重力達(dá)到校直的效果,懸掛裝爐對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸類熱處理零件的防彎曲畸變效果明顯。對(duì)于圖1所示的花鍵太陽輪軸,質(zhì)量分布不均勻,重心處于輪齒部位。太陽輪懸掛系統(tǒng)由太陽輪本體、焊接鋼板、水平心軸以及搭載工裝架組成,工裝架及心軸的水平度、焊接鋼板是否居中等因素將影響軸心線與重力方向的傾斜角度,在實(shí)際滲碳裝爐時(shí),無法保證軸心線與水平面的絕對(duì)垂直。當(dāng)軸心線與重力方向傾斜角度較大時(shí),若太陽輪軸重心朝下,此時(shí)重力對(duì)花鍵細(xì)頸區(qū)的彎曲力將大于太陽輪軸重心朝上時(shí),將導(dǎo)致彎曲變形增大。4.熱處理對(duì)變形的影響分析軸類零件懸掛熱處理可以利用自身重力達(dá)到校直的效果;風(fēng)電花鍵滲碳太陽輪采用重心朝上焊接懸掛有利于減小熱處理彎曲變形;滲碳前鏜孔的空心體結(jié)構(gòu)有利于減小熱處理彎曲變形。工件淬火變形是熱應(yīng)力與組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果,淬火冷卻時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力是由于冷卻過程中截面溫度差導(dǎo)致,冷卻速度越大,截面越大,產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大;組織應(yīng)力大小與鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)冷卻速度、工件尺寸、材質(zhì)淬透性等有關(guān)。工件實(shí)際淬火時(shí),熱應(yīng)力與組織應(yīng)力都將在工件中產(chǎn)生,實(shí)際工件上產(chǎn)生的應(yīng)力是熱應(yīng)力及組織應(yīng)力綜合疊加的結(jié)果。工件結(jié)構(gòu)直接影響冷卻速度帶的寬窄,若工件厚截面區(qū)域冷卻快一些,薄截面區(qū)域冷卻慢一些,工件的冷卻速度帶就窄,冷卻均勻性將提高,由于冷卻不均勻?qū)е碌膹澢冃螌p小。圖1所示的花鍵太陽輪軸,熱處理前若采用實(shí)心體結(jié)構(gòu),由于截面較大,超過18CrNiMo7-6淬透極限,出現(xiàn)不完全淬透情況,熱應(yīng)力特征明顯,冷卻時(shí)花鍵細(xì)頸區(qū)與輪齒區(qū)的應(yīng)力衍變復(fù)雜,這將影響淬硬層深度及應(yīng)力分布,繼而影響彎曲變形。熱處理前若采用空心體結(jié)構(gòu),自重將下降,若軸心線與重力方向產(chǎn)生一定傾斜角度時(shí),