周动林
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150066
摘要：风电发电机组因其严苛的服役环境和高的可靠性要求，对齿轮箱寿命提出了较高的要求，齿轮、行星齿轮、高速齿轮轴等关键零部件，必须要有较高的耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、冲击韧度及高的尺寸精度。为了获得优良的综合性能，这类零件材料一般选用18CrNiMo7-6钢，热处理方式为渗碳淬火。但是该钢作为一种高淬透性钢，在渗碳淬火过程中会产生严重的变形，行星齿轮由于壁薄，内孔变形问题尤为突出。严重的内孔变形不仅增加了车削量，降低车削效率，而且使内孔车削加工后表面硬度下降，影响行星齿轮的承载能力和服役寿命。
关键词：行星齿轮；装炉方式；热处理变形
引言
改革开放40年来，我国实现了硬齿面技术从无到有的转变和发展，也促进了热处理技术装备的进步。迈入新世纪，借力风电行业的迅猛发展，以南高齿为代表的国内齿轮制造商，以满足国际高端用户为宗旨，引领热处理及装备技术的发展，奠定了参与国际竞争的坚实基础。尽管我国风电齿轮热处理技术有了长足的进步，然而，在自主的风电装备特别是核心零部件增速箱齿轮的研制方面，国内普遍水平与国外先进水平还存在较大的差距，如技术标准体系不够完善、核心技术指标落后、原材料质量分散性大、普遍缺乏对齿轮疲劳强度基础研究，使得产品研发和制造缺少数据支撑。
1.齿轮渗碳淬火工艺技术
齿轮通常根据工件的性能要求，决定要选择的材料和要使用哪些工艺来满足这些要求。大部分齿轮使用渗碳淬火热处理工艺的原因是，当齿轮移动时，当驱动齿轮向从动齿轮传递动力时，传递力矩会改变运动方向，通过速度比的变化来改变运动速度。齿轮在循环冲击摩擦振动中，两个齿面相交并滑动，因此在接触中受到交变接触压力应力，齿根受到交变弯曲应力，齿轮受到额外的动力载荷。这些服役条件决定齿轮的性能，齿侧应具有高耐磨性和高接触疲劳极限，齿根应具有高弯曲强度和充分的冲击韧性，并相应地对材料的选择提出合理的要求。另外，必须通过适当的热处理修改技术满足相应的要求。精密齿轮必须产生高传动精度和最低NVH噪音，对加工精度和热处理变形控制的要求相当高。只有不太重要的低速轻型齿轮可以使用中间碳钢或碳合金钢材料，在调节或净化表面淬火路径或力小的情况下使用塑料齿轮。高速重载齿轮应选择渗碳钢，以满足最终使用要求。调整或定期进行准备热处理。齿轮加工后，可将渗碳淬火和回火工艺用作最终热处理，以满足性能要求。必要时，热处理后应完成齿形，以便在齿表面具有高硬度耐磨性和高接触疲劳强度的同时，有足够的齿愁。
2.齿轮热处理发生变形的重要影响因素分析
2.1齿轮设计形状
齿轮在制作中主要以钢等为材料，钢的属性材料容易暴露在温度变化中，引起韧性变化。因此，齿轮在高温热处理环境下会发生一定的变形。主要是因为受热太快而造成的。在高温下，齿容易轮受热不均匀，内部温度与外部表面温度相比相对较慢，因此局部温度加热后形状会发生变化，局部位置突出或凹陷的情况发生。分析了加工热处理过程中齿轮变形的原因，发现设计结构形状是更突出的影响因素。例如，如果设计结构不正确，齿轮的热量可能会不同，导致变形。因此，设计齿轮时，要合理控制墙的厚度，确保合理性和均匀的对称性。另外，应避免截面尺寸比例间距也过大的现象。在这方面，必须重视齿轮设计的优化改造，才能有效地减少齿轮设计的影响。
2.2材料的选择
要保证金属小齿轮的质量，减少热处理的形状变量，关键是选择合格的材料。纯度、均匀性、淬透性是金属小齿轮原材料选择的主要指标，是直接影响变形的主要材料因素。在符合标准或设计要求的情况下，钢中杂质含量的比重是齿轮钢材料的纯净度。成分、组织和缺陷分布的均匀性统称为材料的均匀性。淬火性是指在预设环境下，根据样品淬火层的深度和硬度的排列来说明材料特性，材料的临界淬火冷却速度的速度决定了淬火性的大小。化学成分排列不均匀，产生偏析，点火后偏析部分的组织和应力与其他地方有差异，发生变形。
其中，带状组织以不均匀的配置表示，可以轻松地增加齿轮的形状变量。淬火值分布带的宽度窄是说明淬火性能的重要方面。一般来说，淬透性值J9处大小十分重要。J9表示端9毫米的硬度，该位置的淬透性值为28HRC以上，42HRC以下是合理的值。J9高于42HRC时，淬火材料容易发生大变形和脆裂。因此，淬透性带的宽度越窄越好。3.热处理工艺及装炉要求
行星齿轮渗碳、淬火及回火设备为2m滴注式井式气体渗碳炉生产线，碳势及炉温均由计算机自动控制。热处理工艺过程为：清洗→涂刷→装炉→渗碳→高温回火→淬火保温→油冷→低温回火。淬火油槽为2m井式淬火油槽，淬火入液油温控制为45℃。改善前行星齿轮装炉3层，每层5件均布在蛇形蜂窝板工装上，行星齿轮下端面与蜂窝板直接接触。改善后的装炉方式为装炉3层，每层1件套装在料杆中，零件下端面与蜂窝板不直接接触，采用3块30mm高工字型垫块呈120°均布垫在零件与蜂窝板之间。
4.变速箱齿轮热处理变形控制方法
4.1材料选择
材料渗透性对热处理变形的影响表明，钚带宽与齿轮变形量成正比。因此，应合理控制齿轮加工材料的淬透性，获得最佳的金属小齿轮加工材料参数。齿轮材料的结晶度和粒度大小也要严格控制，结晶度与金属小齿轮形状变量成正比，因此齿轮选材在淬透性合理的情况下，决定也合理就可以了。
4.2齿轮设计要注重壁厚且均匀对称的零件
如果零件壁厚不符合相关要求，热处理时比较薄的区域加热速度更快，发生卷曲的概率更高。为此，可以设计两个独立的零件来控制热处理变形现象，还可以简化加工过程。
4.3淬火控制
淬火温度对变形量的影响测试，淬火温度冷却测试结果显示，淬火温度约为840℃，金属小齿轮热处理的形状变量最小，在此温度值下调节金属小齿轮变形量相对容易。另外，淬火内外温差大时材料会变形，淬火温度达到80℃时，通过提高淬火温度来减少齿轮内外温差的效果不大，淬火温度控制在80℃左右。另外，还可以在火中添加添加剂，提高金属小齿轮硬度。
4.4运用等温退火技术
近年来，等温退火技术在预热处理加工中得到了比较广泛的应用，在此背景下热处理效果也有了很大的提高。对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，等温退火技术也是缩短退火周期的重要方法，在稳定热处理变形的过程中也具有重要意义。
4.5改善机械加工水平量
在加工阶段，可以通过反向变形法改善金属小齿轮热处理质量。通过二次加工和热处理，解决厚度和形状不均匀、不对称的问题，并在热处理前科学地调整齿轮尺寸，使齿轮变形量达到合理的值。金属小齿轮锻造时，应确保锻造金属流线沿齿轮毛坯外部对称排列，纵向截面流线排列为封闭状态，热处理变形规律良好，防止齿轮过度变形。为了满足高速重型机械条件下的齿轮制造要求，锻造比必须在5以上。通过上述改革加强锻后热处理控制，改善金属小齿轮锻件质量、减小热处理变形。
结束语
综上所述，在实施热处理环节时，相关操作人员要对齿轮加工技术熟练掌握，在清晰影响热处理变形的主要因素基础上，实现对热处理工作的有效控制，以此使齿轮变形的发生几率大大降低，确保齿轮质量，这对于企业综合竞争能力提升和后续企业可持续发展都具有积极意义。
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