風電齒輪齒面粗糙度降低的實例分析

鄧 林 李濱琳 包 文 杭州前進齒輪箱集團股份有限公司

風電齒輪齒面粗糙度降低的實例分析

鄧 林 李濱琳 包 文 杭州前進齒輪箱集團股份有限公司

編者按：風力發電是近幾年最新崛起的綠色產業，是戰略性新興產業新能源的重要內容。風電增速齒輪箱作為風力發電系統的核心部件之一，使用在各大風場，而齒輪類零件又是風電增速箱傳動的關鍵零件，是風電領域自主研究的重要內容之一。

風電增速齒輪箱往往放在高山、荒野、海灘等位置，不便于維修，卻對使用年限要求長（一般為20年）。風電增速箱中齒輪類零件不但精度要求較高，而且通常要求具有較低的表面粗糙度值。如何在高精設備上保證齒輪零件齒面粗糙度，成為國內風機零件加工中的一大難點。

數控成型磨齒機已成為當今高精度齒輪精加工的主流設備，不但加工精度高，效率也是傳統展成磨齒機的數倍。齒面是在傳動中直接接觸的曲線面，而且在傳動中兩零件的齒面會產生滑移現象，如果齒面的粗糙度差，滑移現象必將導致零件精度受損，磨損、點蝕的速度加快，從而減少零件的使用壽命。成型磨齒機在磨齒時，通過金剛滾輪修整，使砂輪截形得到一條符合齒部參數要求的復雜的曲線。與平面磨削不同的是，平面磨削可以通過反復研磨來降低表面粗糙度，而齒面磨削時，砂輪與零件之間是線接觸，砂輪與齒面的最后一次接觸決定了齒面粗糙度。要解決齒面粗糙度問題，就要從加工的基本原理出發進行研究，以下是杭州前進齒輪箱集團股份有限公司在德國制造的NILES系列數控成形磨齒機上，通過反復對磨削參數調整，降低了齒面粗糙度的實例。

實驗中，采取了以下齒輪零件參數：齒數z=21,模數m=11,壓力角α=20°，螺旋角β=0°,變位系數X=+0.4,齒面硬度HRC58-62,齒面粗糙度要求RZ4,零件用于風機1.5兆瓦機型上。機床切削冷卻液選用15#機油添加殼牌添加劑，砂輪采用四砂股份有限公司制造的單金剛玉SA60JV45雙斜邊砂輪。

⒈修整參數的設置

由于成型磨齒法齒面精度與砂輪的修整有很大的關系，砂輪表面修整的精細程度會反映到齒面上，所以，砂輪如何進行修整至關重要。砂輪與金剛滾輪的相對速度是影響齒面粗糙度的重要因素，當金剛滾輪與砂輪速率為0.8且相對速度為反方向時為精修整（用-0.8表示）；當金剛滾輪與砂輪速率為0.8且相對速度為同方向時為粗修整（用0.8表示），對此，采用表1中的修整參數：

其中工具 1、2、3、4與表 2中的工作等級 1、2、3、4加工參數一一對應。

表1 砂輪修整參數

⒉零件磨削參數的設置

合理的設置零件加工參數，對齒面粗糙度有重要影響。經過反復試驗，得到了以下合理的切削參數：

表2中，工作等級1、2中參數的設置主要是為了磨去齒面大的余量，稱為粗磨工作等級。工作等級3設置的參數為工作等級4做好鋪墊，稱為半精磨工作等級。在四個工作等級的設置中，應注意以下幾點：

①工作等級1、2為粗磨等級，粗磨等級不影響零件最終精度。如果零件余量較少，工作等級1、2可以合并為一個工作等級。要保證零件最終精度，工作等級一般不得少于三個，即粗磨、半精磨、精磨。

②在精磨階段，砂輪在開始磨削前進行修整，而在磨削過程中盡可能不進行砂輪修整。在工作等級3、4中設置砂輪修整都是在21齒之后，與零件總齒數一致，避開了在加工過程中修整砂輪，以防止修整和補償誤差對齒部精度產生影響，從而確保零件齒面粗糙度。

表2 零件加工參數

③在3、4兩個磨削等級中，一般認為，磨削余量越少越好，砂輪進給量（軸向進給速度）越小越好，但在加工中，要考慮磨削的基本用量，而砂輪進給量太慢會造成齒面出現停頓現象。經過多次試驗得出，半精磨單邊余量一般為0.01-0.015mm，砂輪進給量為2000-2500mm/分，精磨單邊余量一般為0.005-0.01mm，砂輪進給量為1500-2000mm/分。

④在精磨階段，一般要求將砂輪表面線速度設置得相對較高，以進一步降低齒面粗糙度。

在此參數下磨削后，我們利用美國泰勒粗糙度檢驗儀對齒面粗糙度進行檢驗后，得出報告——齒面粗糙度為Rz3.8183＜Rz4,達到圖紙要求（見圖1）。

根據試驗結果的各項參數可以得知，在切削液、砂輪固定的情況下，通過改變各項磨削參數，完全可以達到風機零件要求的齒面粗糙度。同時，通過試驗還得出，參數的設置也要考慮零件模數大小、是否淬硬、零件剛性、砂輪平衡量等相關因素。目前，這一技術已經成功運用在風機零件批量生產時齒面粗糙度的控制上，為以后加工更低表面粗糙度的零件奠定了技術基礎。