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大型齿轮毛坯复合结构设计

大型齿轮毛坯复合结构设计

编辑:钣金加工厂???来源:本站原创???发布时间:2019-11-30 12:16????浏览量:

  编辑:马利永袁广华梁栋

  单位:山钢莱芜钢铁集团设备检修中心

  来源:《金属加工(冷加工)》杂志?

  齿轮作为机械工业中最基本的传动件之一,被用来调节机械设备中的速度和传递功率,在汽车、机床和起重机等设备中发挥着关键的作用,应用非常广泛。

  齿轮运转过程中,会在齿面形成接触传递作用力,齿面会受到巨大的交变弯曲应力和接触应力的作用,相互啮合的齿面之间同时会受到摩擦应力,啮合不均匀的情况下甚至会产生冲击力,在这些力的作用下,齿轮会产生齿面磨损和断齿情况。

  基于齿轮受力情况和损坏形式,机械设计中,一般对齿轮毛坯的质量要求都很高。目前,常用的齿轮毛坯制造工艺,一般有锻造和铸造两种工艺形式,对小型齿轮毛坯,因锻造容易保证质量而常采用锻造工艺,而对于直径在2m以上的大型齿轮,因受锻造设备加工范围的限制和毛坯成本的制约,往往不采用锻造工艺而采用成本相对较低的铸造工艺。对铸造齿轮,优点是可以方便的得到齿轮的外形结构,加工余量小,毛坯制造成本低。而制约铸件的主要因素是铸钢件齿轮质量难以保证,出品率约为60%,齿轮因其形状特殊,轮缘铣齿深度一般达到轮缘厚度的一半,机加工后在齿根处即轮缘的中心部位易出现铸造缺陷,严重影响齿轮使用寿命。

  我企业承接某钢厂120t转炉炉倾减速机的制造任务,其炉倾二次减速机大齿轮直径达3m以上,属于大型齿轮,原设计铸造毛坯,材料ZG40Mn2,探伤标准要求达到JB/T5000.14-1998《铸钢件无损探伤》规定的超声波探伤检验结果I级合格。达到这样要求的铸件,出品合格率极低,国内没有几家铸造厂家可以承接,基于此,经与厂家协商,在不改变齿轮质量的前提下,将铸造毛坯改为铸锻复合结构。本文将具体方案做先容,供参考。

  1.齿轮结构分析

  转炉二次减速机大齿轮是转炉倾动,实现出钢、加料运转过程中主要承载部件,受低速、重载及冲击载荷的作用,齿轮表面会出现点蚀、磨损和断齿的情况,齿轮最易出现故障的部位是齿部,因此,加强齿形部位的强度是齿轮毛坯改造的关键点。

  图1、图2和图3所示是大家对转炉二次减速机悬挂大齿轮结构进行的改进设计,即将齿轮分体制造成轮毂和齿圈两部分,齿圈采用锻造工艺成形,超声波探伤JB/T5000.15-1998规定II级检验合格,轮毂部分仍然采用铸造工艺,因轮毂部位不易出现故障,所以对其探伤要求可以降低到JB/T5000.14-1998规定的III级标准,这样复合的齿坯既可以满足质量要求,又能降低制造成本。

大型齿轮毛坯复合结构设计

  图1铸锻复合结构齿轮毛坯

  1.齿圈2.轮毂3.圆柱销

大型齿轮毛坯复合结构设计

  图2齿圈结构

大型齿轮毛坯复合结构设计

  图3轮毂结构

  2.关键制造工艺

  (1)材料要求,因齿轮毛坯改为分体结构,滚齿前必须要焊接为一体,所以要选择焊接性能好,且机械性能满足齿轮使用要求的材料,综合这些因素,结合原图样设计材料,推荐轮毂部分选择ZG35CrMo,齿圈部位选择锻造35CrMo。

  (2)轮毂制造,轮毂按铸造工艺生产,铸造过渡圆角R(17~25)mm,拔模斜度1∶20,铸件经退火处理,转机械加工。粗加工轮毂各部位,留余量单边5mm左右,然后进行调质处理,调质硬度控制在250~280HB,调质后经探伤合格再进行机械加工,加工好与齿圈结合的部位及焊接坡口后等待与齿圈的组合,焊接坡口加工成U型坡口,尺寸30mm×8°。

  (3)齿圈制造,齿圈部位进行锻造碾环,锻造选用优质合格钢锭,其锻造比不小于3,锻后进行热处理以减小锻造应力。毛坯粗车,调质250~280HB,车好与轮毂结合面部位及坡口,按要求进行超声波探伤,合格后转下道工序。

  (4)齿圈与轮毂复合,经检验合格后的轮毂与齿圈,钳工进行组装,结合面部位打定位销,两侧各8件,销子根据划线定位,为保证齿部强度,不得出现后续滚齿销子在齿根部位的情况。组装完成后转焊接工序,焊前进行预热,采用火焰加热(注意不可大能效火焰集中加热,以免材料局部过热引起组织和成分改变,以及产生局部应力集中),预热温度250~300℃,焊接采用Ar-CO2混合气体保护焊,焊丝采用H08Mn2SiA,焊接电流200A,焊接电压27~30V,因焊接位置为全位置焊接,为防止变形,需要两侧轮流反复焊接,可以安排两个或多个焊工同时施焊,焊接完成要用石棉布包裹覆盖,缓慢冷却,冷却完成后清理焊缝,转退火工序。

  (5)退火。因母体齿圈与轮毂都进行过热处理,此处热处理仅是为去除焊接应力。退火温度设置低于外齿圈回火温度,控制在520±20℃即可,保温时间3h,冷却至350℃后出炉空冷。

  (6)机械加工,经焊接后复合好的齿轮毛坯,转加工工序,按照普通机械加工流程,分半精车、精车外圆内孔,制齿,插键槽等工序,完成齿轮的加工制造任务。

  3.结语

  采用铸锻复合齿轮结构形式和制造工艺方法,可以使大型齿轮毛坯一次交检合格,既可以保证齿轮质量,又能降低生产成本,是一种较为合理的齿坯结构形式。

  参考文献:

  [1]曾磊,等.转炉大齿轮焊接分析[J].冶金设备,2011(S1):82+151-152.

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