焊接大齒輪結(jié)構(gòu)合理性分析

摘 要：焊接大齒輪現(xiàn)已成為世界工業(yè)發(fā)達國家制造大齒輪的生產(chǎn)方法，并將逐步淘汰目前國內(nèi)大型鹵輪制造中使用的整體鑄造結(jié)構(gòu)齒輪。針對鑄造齒輪生產(chǎn)周期耗料過多、成本高和鑄造缺陷不可預(yù)見等原因，通常在銑、精鏜加工時，暴露出疏松、落砂、冷隔膜等嚴重的鑄造缺陷，這導(dǎo)致整個大齒輪報廢，直接影響生產(chǎn)周期，造成經(jīng)濟損失。

關(guān)鍵詞：焊接大齒輪；結(jié)構(gòu)；合理性

中圖分類號：TG457.25 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0227-01

引 言

近年來，隨著我國裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，大型輕量化裝備已成為企業(yè)在工業(yè)競爭中的主要優(yōu)勢。減速機常用的齒輪大多為鑄鋼件和鍛鋼件，但傳統(tǒng)的鑄鍛工藝已不能滿足目前較大齒輪的生產(chǎn)，而焊接大齒輪現(xiàn)在已成為世界各地工業(yè)發(fā)達國家制造大齒輪的趨勢，并將逐步淘汰目前大型齒輪制造中的整體鑄造結(jié)構(gòu)的齒輪。

1 焊接齒輪結(jié)構(gòu)的工藝性

大型齒輪箱的一級、二級大齒輪都是焊接構(gòu)件。焊接結(jié)構(gòu)和焊接接頭形式多種多樣，設(shè)計者在設(shè)計時有充分的選擇余地。但是必須考慮工藝上實現(xiàn)的難易程度和接頭所處的位置對于結(jié)構(gòu)強度的影響，以便確定最合理的焊接結(jié)構(gòu)及接頭形式。不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計不但難以制造，提高生產(chǎn)成本，而且往往降低結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命。焊接齒輪多采用輻板式結(jié)構(gòu)。根據(jù)齒輪的工作情況和輪緣的寬度，采用不同數(shù)目的副板。當輪緣寬度較小時，采用單輻板，加放射狀筋板以增強剛度；當輪緣較寬或存在軸向力時，則采用雙輻板結(jié)構(gòu)，在兩輻板間設(shè)置輻射狀隔板，構(gòu)成一個剛性強的箱格結(jié)構(gòu)。輻板上開窗口，以便于焊接兩輻板間的焊縫和有利于通風，窗口為圓形或扇型。輻板和筋板之間的焊縫受力不大，焊腳尺寸可取筋板厚度的0.5～0.6倍。雙輻板齒輪的剛性和抗震性能都比較強，是焊接齒輪的合理結(jié)構(gòu)形式。輪幅和輪毅之間的焊接接頭受力較大，應(yīng)進行強度計算。如果齒輪受沖擊載荷，為了提高輪毅和輻板之間的接頭動載強度，則須在輻板邊加工坡口，以便焊透焊縫根部。對于工作條件極惡劣的齒輪，把丁字接頭改為對接接頭，在輪毅上做出凸臺，這種接頭具有更高的動載強度。輪緣是齒輪的工作面，其齒緣的工作應(yīng)力很高，輪齒經(jīng)受磨損嚴重。為了提高齒輪的使用壽命，輪緣應(yīng)該用強度高的耐磨的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼制造。

2 焊接大齒輪的可焊性分析

2.1 焊接過程易產(chǎn)生熱裂紋

焊接大齒輪的結(jié)構(gòu)由中碳調(diào)質(zhì)鋼齒圈鍛件、普通低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn作輻板和ZG35鑄鋼輪轂等組焊而成。中碳調(diào)質(zhì)鋼（34CrNilMo）齒圈和普通低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn輻板焊接時具有較大的熱裂傾向，這是因為中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量和含合金元素量較高，與16Mn焊接時形成的焊接熔池的渡固態(tài)結(jié)晶區(qū)間較大，合金元素中的鎳、硫、磷等在結(jié)晶過程中易形成低熔點共晶物，低熔點共晶物和碳化物易在焊接熔池柱狀晶頂點形成聚集偏析，在焊后大的冷卻速度下，會在熔池柱狀晶之間形成“低熔點液態(tài)薄膜”間層，它無塑性，在焊接過程中的拉應(yīng)力作用下易產(chǎn)生結(jié)晶熱裂紋。

2.2 中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬傾向和冷裂傾向

中碳調(diào)質(zhì)鋼（34CrNilMo）的含碳量（0.25～0.45%C）和合金元素含量都較高，屬于高淬硬性鋼，冷裂傾向較嚴重，因而在焊縫熔合線的過熱區(qū)內(nèi)易產(chǎn)生硬脆的針尖狀高碳馬氏體。冷卻速度越大，生成的高碳馬氏體就越多。另外，中碳調(diào)質(zhì)鋼對冷裂紋敏感性還在于奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時的轉(zhuǎn)變溫度較低（Ms=320℃），在低溫下形成的馬氏體一般難以產(chǎn)生“自回火”效應(yīng)，所以冷裂傾向較敏感，由此分析，中碳調(diào)質(zhì)鋼的可焊性是差的。

3 焊接工藝

3.1 焊前的工藝要求

檢查齒圈、輪轂、及其它相關(guān)零件的毛坯尺寸及焊后部件加工余量，齒圈的變形情況。清潔并磁粉檢查齒圈、輪轂、輪輻的堆焊面及焊接坡口面，確保無裂紋。檢查變位器、轉(zhuǎn)胎、預(yù)熱裝置等工裝設(shè)備。調(diào)整檢查相關(guān)的量具、儀器（測溫儀、水平儀、直尺等），保證測量的準確性。齒圈的堆焊在變位器上進行，輪轂的堆焊在轉(zhuǎn)臺上進行，齒輪整體部件在變位器上進行，采用紅外線裝置預(yù)熱，石棉布保溫，同時準備一至兩處丙烷氣體加熱點，從而保證溫度始終在要求范圍內(nèi)。焊材必須按規(guī)定烘干、保溫、隨用隨取。

3.2 焊接時的工藝要求

3.2.1 預(yù) 熱

齒圈輪轂堆焊預(yù)熱溫度為300～350℃，堆焊層與輪輻的坡口焊預(yù)熱溫度為100～150℃，層間溫度不低于預(yù)熱溫度的下限。

3.2.2 焊 接

齒圈、輪轂的堆焊采用埋弧自動焊，多層多道焊接，焊后覆蓋石棉緩冷，消應(yīng)力退火；坡口焊在變位器上旋轉(zhuǎn)到平焊位置施焊，內(nèi)外環(huán)交叉焊接，焊完一面再焊另一面；雙面、內(nèi)外坡口焊完后再焊輪輻之間的筋板焊縫，最后將輪輻之間的聯(lián)接圓筒裝焊上。檢查所有焊縫無裂紋，清理焊渣后消應(yīng)力退火。

4 焊接大齒輪的數(shù)值分析

模型描述：現(xiàn)設(shè)計焊接大齒輪其外齒圈和輪轂均為鍛鋼件，外齒圈選用材料為17CrNiMo6滲碳鋼，腹板材料為Q345A鋼板，輪轂及襯套跨焊件選用35CrMo材料，保證零件的可焊性，再通過焊接及熱裝工藝方法裝配成型（見圖1）。在生產(chǎn)前采用數(shù)值模擬方法，分析大型齒輪腹板厚度的結(jié)構(gòu)合理性，選用不同厚度的腹板在額定載荷下模擬工作狀況，對于此次生產(chǎn)具有較為現(xiàn)實的意義。利用有限元模擬分析不同厚度的腹板使零件產(chǎn)生的位移、變形及應(yīng)力分布，分析數(shù)值結(jié)果得出最佳優(yōu)化設(shè)計方案，從而在保證零件使用要求的情況下，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本。筆者算例依據(jù)零件設(shè)計，材料假設(shè)彈性模量E=2×10MPa，泊松比μ=0.28，固定載荷T=1000kN/m2，腹板厚度選用20mm、30mm、35mm做有限元模擬分析。

5 結(jié)束語

焊接大齒輪既具有齒輪精度高、齒面硬度大、承受載荷大的優(yōu)點，也具有重量輕、外形美觀、成本低、材料利用合理、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)周期短的優(yōu)點。此外解決了大齒輪鑄造工藝的一系列問題，具有很高的推廣價值。

參考文獻

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收稿日期：2018-11-3