減速器箱體常用時效處理方法及實驗效果

蔡樹梅

1.中煤張家口煤礦機械有限責任公司，河北張家口，076250； 2.河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北張家口，076250

0 引言

在減速器制造行業(yè)，生產(chǎn)單位一般重點關(guān)注軸、齒輪等傳動零件和軸承、密封等外購件的質(zhì)量，往往忽視了減速器箱體。常規(guī)的減速器箱體又稱合箱組件，主要由上箱體和下箱體組成。箱體的主要作用一是保護內(nèi)部零部件，防止外界的碰撞；二是存儲潤滑油，用于對齒輪、軸承等零件的冷卻和潤滑；三是支撐和保持其內(nèi)部零件的位置和精度。由此可見，減速器箱體對于減速器的整體質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。在減速器箱體的制造過程中，常見的質(zhì)量問題是，箱體精工后時常會出現(xiàn)軸孔的圓度、位置度、同軸度超差，這種情況多發(fā)生在減速器組裝前，對減速器箱體復檢時。箱體輸出軸孔的圓度超差可能會造成漏油；位置度、同軸度超差會影響齒輪的正常嚙合，導致輪齒出現(xiàn)嚴重的壓潰磨損。經(jīng)過多次論證，排除了偶然因素和測量誤差，可以確定，導致“差值”的原因是減速器箱體內(nèi)部的鑄造殘余應力在箱體加工后的隨機釋放，造成箱體的軸位出現(xiàn)變化，進而影響減速器的整體質(zhì)量。因此，減速器箱體加工前，應采取相應的措施，減小或消除鑄造殘余應力帶來的不利影響[1-2]。

1 鑄造殘余應力

在實際生產(chǎn)時，減速器箱體的生產(chǎn)工藝主要有鑄造和焊接，因鑄造的成本較低、結(jié)構(gòu)適應性強、批量生產(chǎn)效率高、易于加工切削等優(yōu)點，成為當前減速器箱體，尤其是大功率減速器箱體的主流生產(chǎn)工藝。由于鑄造工藝的本身特性，在減速器箱體的鑄造過程中，不可避免地會出現(xiàn)鑄造應力。鑄造應力會伴隨著鑄造的整個過程，在鑄造結(jié)束，仍存在于箱體內(nèi)部的應力，稱為鑄造殘余應力。一般認為，鑄造應力主要包括熱應力、相變應力、收縮應力[3]。

1.1 熱應力

在減速器箱體鑄造末期，合金開始搭結(jié)成枝晶骨架，隨后進入冷卻時期，由于減速器箱體的鑄造結(jié)構(gòu)非常復雜，各處截面積不相等，導致冷卻速度不一致。而這些冷卻速度不一致的地方會出現(xiàn)相互牽制，從而產(chǎn)生鑄造應力，這種由于冷卻速度不一致而生產(chǎn)的鑄造應力，稱為熱應力[4]。

1.2 相變應力

減速器箱體在冷卻時，發(fā)生固相的轉(zhuǎn)變，由于固相轉(zhuǎn)變前后的比容不同，就會產(chǎn)生體（線）膨脹或體（線）收縮現(xiàn)象。一直到相變過程完成，膨脹或收縮現(xiàn)象才隨之結(jié)束。在此過程中，同樣是由于減速器箱體的各處橫截面積不相等，導致各處的固相相變的發(fā)生時間不一致，先發(fā)生相變的地方受壓應力，后發(fā)生相變的地方受拉應力，這種在相變過程中受到的阻礙而產(chǎn)生的鑄造應力，稱為相變應力[5]。

1.3 收縮應力

減速器箱體在冷卻時，會發(fā)生固態(tài)線收縮，而固態(tài)線收縮會受到諸如芯盒、撐柱等因素的阻礙，由此產(chǎn)生的鑄造應力，叫做收縮應力，又叫機械阻礙應力。

在減速器箱體鑄造過程中，熱應力、相變應力和收縮應力共同作用，形成最終的鑄造應力，存儲在減速器箱體內(nèi)部。需要說明的是，人們經(jīng)過長期的摸索發(fā)現(xiàn)，隨著外力的作用或長時間的存放，鑄造應力會逐漸減小甚至消失，這也正是鑄造應力的消除機理。但是，仍然存在于減速器箱體內(nèi)部的應力，稱為鑄造殘余應力。

鑄造殘余應力的大小與減速器箱體的壁厚差值有關(guān)。一般認為，減速器箱體的結(jié)構(gòu)越復雜、各部位厚度差值越大，鑄造殘余應力越大。減速器箱體經(jīng)過切削加工，受到了復雜的裝夾外力和切削外力，會加快其內(nèi)部殘余應力的釋放速度，導致加工后的箱體，出現(xiàn)“變形”，影響加工的精確性。因此，采取工藝保障措施，降低或消除減速器箱體的鑄造殘余應力，就顯得十分必要，常用的工藝措施是時效處理[3]。

2 常用的時效處理方法

因為鑄造殘余應力的釋放是隨機的，體現(xiàn)在應力的釋放方向隨機、釋放大小隨機、釋放時間隨機。為了最大程度地降低或消除鑄造殘余應力對減速器箱體加工精度的影響，需要在精加工前采取時效處理措施。常用的時效處理措施有自然時效、振動時效和熱時效。

2.1 自然時效

自然時效（圖1）是一種古老的時效方式，在減速器箱體鑄造結(jié)束后，將其自然放置于室外露天環(huán)境下，經(jīng)過幾個月或者更長時間的風吹、日曬、雨淋，通過季節(jié)的更替，溫度的變化，依靠大自然的力量，給箱體多次造成反復的溫度應力。在溫度應力施加的載荷下，促使減速器箱體內(nèi)部的殘余應力出現(xiàn)松弛，緩慢地自然釋放，最終達到減少或消除的目的。

理論上，自然時效對降低或消除減速器箱體的殘余應力效果不明顯，但是，實踐證明，自然時效對減速器箱體的尺寸穩(wěn)定性有較好的效果。原因是經(jīng)過長時間的自然放置，石墨尖端及其他線缺陷尖端附近會出現(xiàn)應力集中，從而引發(fā)塑性變形，松弛了應力，同時也強化了這部分基體，于是該處的松弛剛度也提高了，增加了這部分材質(zhì)的抗變形能力。自然時效的周期一般較長，減速器箱體的自然時效至少需要6個月，因此，對于生產(chǎn)工期短的訂單，自然時效有一定的局限性。

2.2 振動時效

振動時效（圖2）是指將激振器緊固在減速器箱體上，通過控制器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使激振器產(chǎn)生周期性外力。迫使箱體在其共振范圍內(nèi)產(chǎn)生共振，在此過程中，當周期性載荷大于箱體材料QT400-15的屈服強度時，在箱體內(nèi)部殘余應力的高峰值處，會產(chǎn)生局部引起的微小塑性變形，使箱體內(nèi)部的殘余應力高峰值降低，并使其重新均勻分布，從而達到提高箱體抗變形能力的效果[4]。

從能量轉(zhuǎn)換的角度講，振動時效是以機械能的形式給箱體提供能量，增大箱體內(nèi)部的振動幅度、加快畸變晶格的排列趨于平衡。其原理是通過對減速器箱體施加略小于材料屈服極限的應力，引導“變形”提前發(fā)生，最終達到使其精加工后不再發(fā)生變形的效果。所以，振動時效的最佳時間應該在減速器箱體的粗加工工序結(jié)束以后，精加工工序之前進行。

2.3 熱時效

熱時效，即通常說的熱處理時效（圖3），是將減速器箱體放置在熱處理爐中，經(jīng)過升溫、保溫和降溫三個過程的溫度變化，使材料發(fā)生迅速的膨脹和收縮，降低了減速器箱體的屈服極限，這就會導致其內(nèi)部殘余應力高的地方，會超出屈服極限，產(chǎn)生晶格滑移，發(fā)生微小的塑性變形，進而實現(xiàn)殘余應力釋放、降低和均化。減速器箱體的具體熱時效工藝是將先加熱至550℃，再保溫5小時，然后冷卻至100℃開爐[2]。

從工藝耗時上看，熱時效相對自然時效的時間要短得多，而且，所用設(shè)備簡單，可以批量生產(chǎn)，是行業(yè)里常用的時效處理方式。熱時效也應該在箱體的粗加工工序結(jié)束之后，精加工工序之前進行。

3 實驗方案

為了驗證不同時效處理方法對減速器箱體加工精度的影響效果，選定了常用的60JS系列型號減速器，因減速器箱體需檢測項較多，本次實驗以減速器箱體加工圖（圖4）的輸出軸孔同軸度為例，圖紙要求尺寸3相對于尺寸1和尺寸2的同軸度≤0.04mm，到臺式三坐標檢測室，測量其實際同軸度。

每種時效方法分配10臺減速器，再從之前未做過時效處理的60JS減速器箱體，隨機選取10臺的已測量數(shù)據(jù)對比。在每臺箱體加工工序結(jié)束后，松開合箱螺栓，為使應力得到進一步釋放，在室內(nèi)靜置3個月，再進行測量。

為盡可能地消除人為誤差，還需要考慮以下因素：

（1）同一時效方法均采用相同的工藝，例如自然時效時長、振動時效位置及時間及熱時效溫度等等。

（2）加工機床選用同一臺設(shè)備，本次實驗選用德國UNION公司的KCU150/1 CNC 840D加工中心。

（3）箱體的裝夾使用力矩扳手，每臺箱體的夾緊螺栓所用力矩相同。

（4）自動對刀，加工切削使用同一個程序，每件箱體加工前，更換成型刀片。

（5）檢測設(shè)備均采用LM302015三坐標測量機（圖5），檢測溫度設(shè)定20℃恒溫。

4 數(shù)據(jù)分析

因減速器箱體的檢測項目較多，本次選取輸出軸孔同軸度項目，記錄數(shù)據(jù)見表1。

表1 同軸度測量數(shù)據(jù)(單位：mm）

從測量數(shù)據(jù)不難看出，未經(jīng)過時效處理的減速器箱體，同軸度偏差較大，部分箱體的實測值已經(jīng)超過了圖紙規(guī)定的0.04mm，屬于不合格品，按要求需走評審手續(xù)。經(jīng)過了時效處理的減速器箱體，精加工后軸孔位的同軸度均有不同程度的提升。其分布折線圖見圖6。

從圖6可以看出，三種時效方式中，自然時效和熱時效對減速器箱體加工精度的提升比較穩(wěn)定，其中以熱時效的提升效果最明顯。對于部分減速器箱體，振動時效對加工精度提升效果較為明顯，但仍有一部分箱體提升效果不大，造成這種現(xiàn)象的原因一方面是振動時效對于操作者的經(jīng)驗要求較高，另一方面說明振動時效具有不穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

（1）為消除鑄造殘余應力對減速器箱體加工精度的影響，箱體在精加工之前，有必要采取時效處理，減少或消除鑄造殘余應力。

（2）常規(guī)的三種時效處理方式：自然時效、振動時效、熱時效，以熱時效的提升效果最穩(wěn)定，最明顯。

（3）在實際生產(chǎn)過程中，可以采用自然時效和熱時效相結(jié)合的方式進行時效處理，以期獲得更加顯著的提升效果。