超大模數(shù)爬升齒輪制造技術(shù)研究

任 寧 周 峰

（1 河南工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001）

（2 鄭州天時海洋石油裝備有限公司， 河南 鄭州 450001）

0 引言

升降系統(tǒng)作為自升式海洋平臺中的關(guān)鍵設(shè)備，在平臺的設(shè)計制造中歷來受到高度重視，其性能的優(yōu)劣直接影響平臺的安全和使用效果[1-2]。由于海洋環(huán)境非常惡劣，為保證平臺安全性和設(shè)計壽命，現(xiàn)在的自升式平臺中多選用齒輪齒條式升降系統(tǒng)[3]。爬升齒輪是齒輪齒條式升降系統(tǒng)的重要零件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響平臺升降的穩(wěn)定性和可靠性[4]。

在當(dāng)前加工技術(shù)條件下，爬升齒輪制造屬于極限加工，其制造技術(shù)含量高[5]。原因如下：

（1）爬升齒輪是超大模數(shù)齒輪，如果直接采用整體毛坯調(diào)質(zhì)，由于鋼材淬透性的限制，齒面和齒根部位不能獲得要求的表面硬度。因此，需要在調(diào)質(zhì)熱處理前對鍛件進行粗制齒。此外，精制齒前進行必要的粗制齒可提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。粗制齒是大模數(shù)齒輪加工的關(guān)鍵技術(shù)，且粗制齒加工中，如何保證齒部留有均勻余量是一大技術(shù)難點。

（2）爬升齒輪形狀復(fù)雜（存在多個截面尺寸差別大的軸段），對熱處理工藝和質(zhì)量控制水平要求高，需要進行一系列熱處理工藝試驗，才能保證所需的材料機械性能。目前國內(nèi)尚無成熟的熱處理工藝可以借鑒。

（3）爬升齒輪具有超大模數(shù)，無法通過常規(guī)的齒輪加工設(shè)備實現(xiàn)要求的成品齒形。因此，精制齒技術(shù)是加工難點之一。

綜上可知，粗制齒加工熱處理工藝和精制齒加工均是爬升齒輪的關(guān)鍵制造技術(shù)。

1 粗制齒加工

以往，在大模數(shù)齒輪粗制齒加工中，一般采用銑齒、線切割、鉆孔鋸切加工等方式，但這幾種加工方式具有工作量大、制造成本高、生產(chǎn)效率低等缺點。火焰切割曾經(jīng)僅用于下料及粗加工場合，表面質(zhì)量差，難以達到工件的加工質(zhì)量要求[6]；而采用數(shù)控火焰切割方式，不僅效率高、成本低，還可切割任意形狀曲線，非常適合大模數(shù)齒輪的粗制齒工序。

爬升齒輪的粗制齒加工，采用氧-燃氣數(shù)控火焰切割，具有以下優(yōu)點：

（1）生產(chǎn)效率高、成本低?；鹧媲懈钏俣瓤欤懈畎搴穸确秶?，一般為3～500 mm，最大厚度可達800 mm以上。

（2）可切割任意曲線及復(fù)雜形狀的工件。

（3）材料利用率高。采用套料切割方式，火焰氣割齒輪齒條的成屑率明顯比切削加工的低許多。

（4）加工柔性好，自動化程度高?；鹧媲懈铨X輪齒條是通過數(shù)控程序驅(qū)動切割噴槍來實現(xiàn)的，因此，可通過計算機CAD 軟件繪制需要切割的齒輪齒條圖形，再將切割圖形生成數(shù)控程序。顯然，編程過程可脫離切割機進行，不影響正常生產(chǎn)，且易于準備、修改和保存，重復(fù)利用率高。另外，同一把噴槍可用于切割不同模數(shù)且尺寸精度、表面質(zhì)量等要求相近的齒輪齒條[7]。

爬升齒輪粗制齒加工之前，需先繪制齒部成品齒形CAD 圖，然后在保留齒部輪廓所需的加工余量的基礎(chǔ)上，生成粗制齒齒形CAD 圖。該CAD 圖作為切割圖形生成數(shù)控程序，采用數(shù)控火焰切割，即可解決齒部（包括齒頂圓角、漸開線齒面、齒根等整個齒廓）留有一定的均勻余量這一技術(shù)難點。

本文中研究的爬升齒輪基本參數(shù)如表1所示。齒部寬度為300 mm，寬度較大，為適應(yīng)火焰切割加工大模數(shù)齒輪的要求，需要對數(shù)控切割機進行適當(dāng)改進，提高其導(dǎo)軌的直線精度、運行精度和運行平穩(wěn)性，并增大氣源壓力。切割氣源采用氧氣、乙炔和丙烷，氧氣的純度應(yīng)大于99.5%。純度太低會影響切割質(zhì)量及切割速度，導(dǎo)致后拖量增加，掛渣嚴重且不好清除。

表1 爬升齒輪參數(shù)Tab.1 Parameters for climbing pinions

合理制定火焰切割工藝，對切割過程中的工藝參數(shù)進行控制，保證切割后的工件滿足技術(shù)要求，特別是要滿足以下幾個切割控制關(guān)鍵技術(shù)指標：

（1）切齒的尺寸精度，如公法線變動量小于等于1%。

（2）切齒的齒面垂直度小于等于1%。

（3）表面的粗糙度Rz小于等于1 000 μm。

（4）齒面不允許出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。

圖1 所示為火焰切割后的爬升齒輪工件，經(jīng)檢查，質(zhì)量完全符合切割控制要求，公法線變動量小于等于0.4%，齒面未出現(xiàn)燒傷等質(zhì)量缺陷。

圖1 爬升齒輪粗制齒照片F(xiàn)ig.1 Rough tooth photo of climbing pinions

2 熱處理工藝試驗

由于需要承受升降單元的大輸出轉(zhuǎn)矩，爬升齒輪的齒部和軸部均需要滿足較高的力學(xué)性能要求。因此，爬升齒輪進行批量生產(chǎn)之前需要進行熱處理工藝試驗，即鍛件調(diào)質(zhì)熱處理后，從鍛件本體截取試樣進行材料性能、晶粒度金相等試驗，并檢測鍛件（尤其是粗加工齒面）硬度，對鍛件進行磁粉探傷和超聲波探傷。

其中，材料性能試驗結(jié)果是判定爬升齒輪成品是否滿足力學(xué)性能要求的重要標志。如果材料性能試驗結(jié)果不合格，即使成品尺寸和探傷都合格，其仍無法滿足苛刻的海洋惡劣工況，極易造成重大質(zhì)量事故和生命財產(chǎn)損失。因此，驗船師在嚴密跟蹤爬升齒輪的生產(chǎn)過程時，會把材料性能試驗結(jié)果是否滿足力學(xué)性能要求作為評判爬升齒輪制造是否滿足船級社規(guī)范要求的關(guān)鍵項目之一。

材料性能試驗包括材料選擇、訂制鍛件樣品、調(diào)質(zhì)熱處理和進行材料性能試驗等過程。

2.1 材料選擇

爬升齒輪作為升降系統(tǒng)的低速重載大型輸出齒輪，其材料選擇至關(guān)重要。為滿足其齒部截面尺寸大、承受載荷大、力學(xué)性能要求高的特點，通常選用合金結(jié)構(gòu)鋼。40CrNiMoA 作為高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下有很好的綜合力學(xué)性能，調(diào)質(zhì)后可用于制造截面較大的零件[8]。因此，可選擇40CrNiMoA作為爬升齒輪的優(yōu)選國產(chǎn)材料。

2.2 鍛件樣品訂制

根據(jù)材料性能試驗要求，從鍛造廠家訂制1 件（由于存在不確定性，也可能訂制2件及以上）爬升齒輪鍛件樣品，毛坯鍛造需滿足以下要求：

（1）鋼錠鍛造廠家應(yīng)具有船級社工廠認證資質(zhì)。

（2）鋼錠化學(xué)成分符合材料標準GB/T 3077—2015要求[9]。

（3）鍛造比大于等于3.5，鍛造工藝要求符合船級社規(guī)范。

（4）熱處理正火+回火，晶粒度不低于5級。

（5）鍛件整體超聲波探傷，符合JB/T 5000.15—2007《重型機械通用技術(shù)條件第15部分：鍛鋼件無損檢測》Ⅱ級要求[10]。

2.3 調(diào)質(zhì)熱處理

為保證齒部的調(diào)質(zhì)淬透性和均勻性，在留有齒形余量的前提下，齒部先粗制齒形，再進行調(diào)質(zhì)熱處理。調(diào)質(zhì)熱處理需滿足以下要求：

（1）熱處理工廠具有船級社認可的熱處理工廠資質(zhì)。

（2）嚴格按船級社認可的熱處理工藝執(zhí)行，熱處理后，零件編號和船級社標識應(yīng)清晰保留。

（3）鍛件整體超聲波探傷和齒部表面磁粉探傷，符合JB/T 5000.15—2007《重型機械通用技術(shù)條件第15部分：鍛鋼件無損檢測》Ⅱ級要求。

2.4 材料性能試驗

對本文研究的爬升齒輪試樣進行拉伸和沖擊試驗。如圖2和圖3所示，拉伸試樣和沖擊試樣尺寸按船級社規(guī)范執(zhí)行。如圖4所示，從鍛件本體取2組試樣（每組試樣包括1 個拉伸試樣、3 個沖擊試樣）。第1組試樣取自軸端，縱向取樣，用于檢驗軸部的力學(xué)性能；第2組試樣取自齒部的齒槽內(nèi)，縱向取樣，用于檢驗齒部的力學(xué)性能。

圖2 拉伸試樣Fig.2 Tensile specimen

圖3 沖擊試樣Fig.3 Impact specimen

圖4 材料性能試驗取樣圖Fig.4 Sampling scheme of material performance test

爬升齒輪拉伸和沖擊試驗結(jié)果如表2 所示。由表2 中可知，試樣的抗拉強度、屈服強度和收縮率都高于技術(shù)要求，延伸率均高于技術(shù)要求，低溫下試樣沖擊功高于所要求的標準值27 J。因此，所采取的一系列工藝措施能夠保證爬升齒輪材料達到所要求的力學(xué)性能。

表2 爬升齒輪材料性能試驗結(jié)果Tab.2 Material performance test results of climbing pinions

另外，對殘余試樣所做的晶粒度金相試驗表明，晶粒度在7級及以上，為細晶粒，晶粒的細化有助于提高該鍛件的材料力學(xué)性能。測得的鍛件表面硬度均在330 HB 以上（含齒面和齒根部位），硬度越高，材料的延伸率相應(yīng)下降，這也是材料性能試驗中試樣延伸率僅略高于技術(shù)標準值12%的原因。對鍛件整體超聲波探傷和齒部表面磁粉探傷，結(jié)果顯示不存在裂紋等影響齒面質(zhì)量的缺陷。

3 精制齒加工

由于爬升齒輪具有超大模數(shù)，無法采用常規(guī)的齒輪加工設(shè)備實現(xiàn)要求的成品齒形，目前國內(nèi)的加工技術(shù)條件下，可以采用以下幾種方法：

（1）采用插床設(shè)備，制作齒條齒形的插刀，利用插床的分度機構(gòu)分齒，依次進行齒槽的展成加工[11]。采用這種加工方式，需訂制插刀，齒輪的加工精度低，加工效率低。

（2）采用線切割加工[12]。線切割加工的優(yōu)點是能加工難以切削的材料和復(fù)雜形狀工件，但該方式生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高。

（3）采用數(shù)控銑加工[13]。數(shù)控銑床具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、精度穩(wěn)定性好、操作勞動強度低、用途廣等特點，能完成各種平面、溝槽、螺旋槽、成形表面、平面曲線和空間曲線等復(fù)雜型面的加工，適合于加工各種模具、凸輪、板類及箱體類的零件。

考慮成本和效率等因素，爬升齒輪的精制齒采用數(shù)控銑加工。本文中采用的加工設(shè)備為數(shù)控龍門銑床。精制齒的工藝方案制定和實施過程如下：

（1）繪制爬升齒輪齒部成品齒形CAD 圖。采用CAD 軟件并利用漸開線生成方程繪制爬升齒輪漸開線齒形，通常采用樣條曲線擬合漸開線齒形，建議精度偏差控制在1 μm以內(nèi)。

（2）由成品齒形CAD 圖生成數(shù)控程序。通過數(shù)控程序軟件，將成品齒形CAD圖轉(zhuǎn)換為數(shù)控程序。

（3）爬升齒輪找正。采用專用工裝夾持爬升齒輪于工作臺，數(shù)控龍門銑床對刀找正，保證最終齒形加工后齒部軸心線與爬升齒輪軸部中心線的同軸度控制在所要求的精度范圍內(nèi)。

（4）精銑齒。數(shù)控龍門銑床調(diào)用數(shù)控程序，分工序精銑爬升齒輪齒部，最終加工出成品齒形。

本文中研究的爬升齒輪成品齒面粗糙度要求Ra=6.3 μm，齒部公法線長度公差要求1.5 mm 以內(nèi)。如圖5所示，采用數(shù)控精銑齒加工方式，爬升齒輪成品齒面狀況良好，經(jīng)檢測，齒面粗糙度可以滿足Ra=6.3 μm要求；批量生產(chǎn)中，單件爬升齒輪的公法線變動量在0.2 mm 以內(nèi)，滿足公法線長度公差要求。對成品齒面進行磁粉探傷，結(jié)果顯示不存在裂紋等影響齒面質(zhì)量的缺陷。

圖5 爬升齒輪精銑齒照片F(xiàn)ig.5 Finished tooth photo of climbing pinions

4 結(jié)論

（1）爬升齒輪的粗制齒，采用改進的氧-燃氣數(shù)控火焰切割技術(shù)，不但可提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，同時解決了齒部需留有一定的均勻余量這一技術(shù)難點。另外，調(diào)質(zhì)熱處理前對齒面進行粗制齒能保證齒面和齒根部位獲得要求的表面硬度。

（2）熱處理工藝試驗結(jié)果滿足技術(shù)要求是批量生產(chǎn)爬升齒輪的重要前提，而材料性能試驗結(jié)果是評判爬升齒輪成品是否滿足力學(xué)性能要求的重要標準。將40CrNiMoA 作為爬升齒輪的優(yōu)選國產(chǎn)材料，對調(diào)質(zhì)熱處理后的爬升齒輪鍛件從本體截取試樣，進行了材料性能試驗。結(jié)果表明，拉伸性能和沖擊功均滿足所要求的力學(xué)性能。晶粒度在7 級及以上，晶粒的細化有助于提高該鍛件的材料力學(xué)性能。鍛件表面（含齒面和齒根部位）硬度均在330 HB 以上，不存在影響齒面質(zhì)量的缺陷。

（3）爬升齒輪的精制齒采用數(shù)控銑加工，解決了常規(guī)齒輪加工設(shè)備無法實現(xiàn)成品齒形的問題，降低了加工成本，提高了加工效率。爬升齒輪成品齒面狀況良好，齒面粗糙度滿足Ra=6.3 μm 要求，且單件爬升齒輪的公法線變動量在0.2 mm以內(nèi)。