超大模數爬升齒輪制造技術研究

任 寧 周 峰

（1 河南工業大學 機電工程學院， 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

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

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

（1）爬升齒輪是超大模數齒輪，如果直接采用整體毛坯調質，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，需要在調質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效率，降低生產成本。粗制齒是大模數齒輪加工的關鍵技術，且粗制齒加工中，如何保證齒部留有均勻余量是一大技術難點。

（2）爬升齒輪形狀復雜（存在多個截面尺寸差別大的軸段），對熱處理工藝和質量控制水平要求高，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，無法通過常規的齒輪加工設備實現要求的成品齒形。因此，精制齒技術是加工難點之一。

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鍵制造技術。

1 粗制齒加工

以往，在大模數齒輪粗制齒加工中，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、生產效率低等缺點?；鹧媲懈钤泝H用于下料及粗加工場合，表面質量差，難以達到工件的加工質量要求[6]；而采用數控火焰切割方式，不僅效率高、成本低，還可切割任意形狀曲線，非常適合大模數齒輪的粗制齒工序。

爬升齒輪的粗制齒加工，采用氧-燃氣數控火焰切割，具有以下優點：

（1）生產效率高、成本低?；鹧媲懈钏俣瓤?，切割板厚度范圍大，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輪齒條是通過數控程序驅動切割噴槍來實現的，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控程序。顯然，編程過程可脫離切割機進行，不影響正常生產，且易于準備、修改和保存，重復利用率高。另外，同一把噴槍可用于切割不同模數且尺寸精度、表面質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上，生成粗制齒齒形CAD 圖。該CAD 圖作為切割圖形生成數控程序，采用數控火焰切割，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難點。

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

表1 爬升齒輪參數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進行控制，保證切割后的工件滿足技術要求，特別是要滿足以下幾個切割控制關鍵技術指標：

（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）齒面不允許出現燒傷現象。

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

圖1 爬升齒輪粗制齒照片Fig.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矩，爬升齒輪的齒部和軸部均需要滿足較高的力學性能要求。因此，爬升齒輪進行批量生產之前需要進行熱處理工藝試驗，即鍛件調質熱處理后，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，材料性能試驗結果是判定爬升齒輪成品是否滿足力學性能要求的重要標志。如果材料性能試驗結果不合格，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，極易造成重大質量事故和生命財產損失。因此，驗船師在嚴密跟蹤爬升齒輪的生產過程時，會把材料性能試驗結果是否滿足力學性能要求作為評判爬升齒輪制造是否滿足船級社規范要求的關鍵項目之一。

材料性能試驗包括材料選擇、訂制鍛件樣品、調質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的低速重載大型輸出齒輪，其材料選擇至關重要。為滿足其齒部截面尺寸大、承受載荷大、力學性能要求高的特點，通常選用合金結構鋼。40CrNiMoA 作為高級優質合金結構鋼，在調質狀態下有很好的綜合力學性能，調質后可用于制造截面較大的零件[8]。因此，可選擇40CrNiMoA作為爬升齒輪的優選國產材料。

2.2 鍛件樣品訂制

根據材料性能試驗要求，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）鋼錠鍛造廠家應具有船級社工廠認證資質。

（2）鋼錠化學成分符合材料標準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《重型機械通用技術條件第15部分：鍛鋼件無損檢測》Ⅱ級要求[10]。

2.3 調質熱處理

為保證齒部的調質淬透性和均勻性，在留有齒形余量的前提下，齒部先粗制齒形，再進行調質熱處理。調質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。

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

（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范執行。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性能；第2組試樣取自齒部的齒槽內，縱向取樣，用于檢驗齒部的力學性能。

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要求，延伸率均高于技術要求，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性能。

表2 爬升齒輪材料性能試驗結果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，材料的延伸率相應下降，這也是材料性能試驗中試樣延伸率僅略高于技術標準值12%的原因。對鍛件整體超聲波探傷和齒部表面磁粉探傷，結果顯示不存在裂紋等影響齒面質量的缺陷。

3 精制齒加工

由于爬升齒輪具有超大模數，無法采用常規的齒輪加工設備實現要求的成品齒形，目前國內的加工技術條件下，可以采用以下幾種方法：

（1）采用插床設備，制作齒條齒形的插刀，利用插床的分度機構分齒，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]。線切割加工的優點是能加工難以切削的材料和復雜形狀工件，但該方式生產效率低、生產成本高。

（3）采用數控銑加工[13]。數控銑床具有加工精度高、生產效率高、精度穩定性好、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控銑加工。本文中采用的加工設備為數控龍門銑床。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。

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

（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。

（4）精銑齒。數控龍門銑床調用數控程序，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。如圖5所示，采用數控精銑齒加工方式，爬升齒輪成品齒面狀況良好，經檢測，齒面粗糙度可以滿足Ra=6.3 μm要求；批量生產中，單件爬升齒輪的公法線變動量在0.2 mm 以內，滿足公法線長度公差要求。對成品齒面進行磁粉探傷，結果顯示不存在裂紋等影響齒面質量的缺陷。

圖5 爬升齒輪精銑齒照片Fig.5 Finished tooth photo of climbing pinions

4 結論

（1）爬升齒輪的粗制齒，采用改進的氧-燃氣數控火焰切割技術，不但可提高生產效率，降低生產成本，同時解決了齒部需留有一定的均勻余量這一技術難點。另外，調質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）熱處理工藝試驗結果滿足技術要求是批量生產爬升齒輪的重要前提，而材料性能試驗結果是評判爬升齒輪成品是否滿足力學性能要求的重要標準。將40CrNiMoA 作為爬升齒輪的優選國產材料，對調質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。結果表明，拉伸性能和沖擊功均滿足所要求的力學性能。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，不存在影響齒面質量的缺陷。

（3）爬升齒輪的精制齒采用數控銑加工，解決了常規齒輪加工設備無法實現成品齒形的問題，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。