風(fēng)電齒輪箱高精度硬齒面內(nèi)花鍵工藝研究

文 | 冉雄濤，吳剛，姚洋洋，王廷霞

（作者單位：中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 ）

隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)量與日俱增，運(yùn)行過程中機(jī)械故障量也逐年增長，其中花鍵副的故障就是其中之一，從分析結(jié)果來看，花鍵副的加工精度，特別是內(nèi)花鍵的精度差、齒面硬度低、缺乏主動潤滑是其失效的主要原因。而內(nèi)花鍵由于本身結(jié)構(gòu)尺寸限制、較大過盈的組裝要求，很難在加工同時保證其高精度和高硬度的要求。

目前，國內(nèi)主流的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱制造商對于內(nèi)花鍵的加工工藝主要有以下幾種：第一種是軟齒面并以插齒作為最終加工狀態(tài)，第二種是以插齒后滲氮作為最終加工狀態(tài)，第三種是以插齒后感應(yīng)淬火作為最終加工狀態(tài)。三種工藝的共同缺點(diǎn)就是無法同時保證精度和硬度，基于此種情況，本文以高精度、硬齒面內(nèi)花鍵為目標(biāo)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計開始，到有限元分析計算，再到試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了一種可行的、可靠的工藝方案。

因外花鍵可與太陽輪輪齒同時進(jìn)行滲碳淬火，工藝實(shí)現(xiàn)難度低，故本文主要對高精度、硬齒面的內(nèi)花鍵加工工藝進(jìn)行研究。

工藝方案

風(fēng)電齒輪箱的傳動結(jié)構(gòu)一般采用1級行星級+2級平行軸傳動或者2級行星級+1級平行軸傳動，行星級輸出與平行軸輸入間都是通過花鍵連接傳遞扭矩和功率，其中外花鍵在行星級輸出的太陽輪上，內(nèi)花鍵在中間軸（也稱內(nèi)花鍵軸）上，內(nèi)花鍵軸與大齒輪通過過盈配合實(shí)現(xiàn)扭矩和功率的傳遞，如圖1所示。

針對圖1中的兩種零件，傳統(tǒng)的加工工藝是將內(nèi)花鍵軸和大齒輪組裝后加工內(nèi)花鍵，這樣避免了過盈配合對花鍵精度的影響，但由于兩零件材料不同，組裝后無法再進(jìn)行熱處理，因此只能將內(nèi)花鍵做成軟齒面。若將內(nèi)花鍵軸和大齒輪選用同樣的材料，并做成整體式結(jié)構(gòu)，理論上也可以實(shí)現(xiàn)外齒和內(nèi)花鍵同時硬化，但是會大大增加原材料成本和后期機(jī)加工難度。

對于內(nèi)花鍵軸的硬化工藝，由于內(nèi)花鍵本身結(jié)構(gòu)尺寸較小，感應(yīng)器的制作難度較大，同時感應(yīng)淬火存在開裂風(fēng)險，因此本文采用工藝難度較小的滲氮工藝。對于過盈裝配后內(nèi)花鍵變形，目前只能通過磨齒來解決，且有裝配前磨齒和裝配后磨齒兩種方案，這兩種方案都要對內(nèi)花鍵進(jìn)行修形，區(qū)別是前者為預(yù)先的逆向修形，以抵消過盈裝配產(chǎn)生的變形，而后者是對已產(chǎn)生的變形進(jìn)行修正。考慮到滲氮層深較淺，裝配后磨齒會顯著降低齒面硬度，因此本文選用裝配前磨內(nèi)花鍵的方案，總體工藝流程為插花鍵→去應(yīng)力回火→磨花鍵→滲氮→過盈裝配。

圖1 內(nèi)花鍵軸和大齒輪裝配結(jié)構(gòu)圖

過盈配合有限元計算

根據(jù)上一節(jié)已選擇的工藝方案可知，需要對內(nèi)花鍵進(jìn)行預(yù)先的逆向修形，以抵消過盈裝配產(chǎn)生的變形。本文利用有限元軟件ANSYS計算過盈配合的變形規(guī)律及變形量，然后轉(zhuǎn)化成對內(nèi)花鍵精度的影響，作為對其進(jìn)行逆向修形的輸入。

首先按照實(shí)物尺寸1:1 建立內(nèi)花鍵軸和大齒輪的過盈配合有限元模型，通過有限元分析計算，得到過盈配合的應(yīng)變云圖，如圖2所示。

從圖2 可以看出，由過盈配合引起的內(nèi)花鍵軸徑向收縮變形沿軸向?yàn)榉蔷€性分布，過盈配合區(qū)變形明顯大于非配合區(qū)，內(nèi)花鍵軸兩端幾乎沒有變形。同時，由于設(shè)計結(jié)構(gòu)原因，內(nèi)花鍵僅約有一半處于過盈配合區(qū)，這必將產(chǎn)生錐度變形，直接體現(xiàn)在內(nèi)花鍵的齒向精度上。

在內(nèi)花鍵齒寬方向上，選取圖2所示的最左端截面，然后選擇一個輪齒，從齒頂?shù)烬X根每隔0.5mm選取一個節(jié)點(diǎn)的綜合位移，如圖3所示，得到了齒形的變形規(guī)律，其中橫坐標(biāo)為所選輪齒的齒頂圓到齒根圓的直徑。從圖3可看出，齒形方向上的整體變形量較為均勻，僅在靠近齒根處，變形量稍微增大，這是因?yàn)辇X根處受到過盈裝配的擠壓力，齒厚稍有變小，而靠近齒頂處僅有內(nèi)花鍵軸整體收縮而產(chǎn)生的徑向位移。由于齒形方向最大和最小變形量僅相差0.002mm，可將齒形變形視為整體的徑向位移，且由于位移量也較小，對于齒面各點(diǎn)的壓力角影響也很小，即對于齒形精度的影響可以忽略。

在內(nèi)花鍵齒寬方向上，等距離共取了17 個截面，包括內(nèi)花鍵的兩個端面，提取這17個截面齒高中點(diǎn)處的徑向位移，如圖4所示，得到內(nèi)花鍵齒向的變形規(guī)律，其中最大變形量為0.081mm，同時也可看出齒面徑向變形量并非線性分布，在最左端和最右端呈現(xiàn)拋物線分布規(guī)律。

圖2 過盈配合的應(yīng)變云圖

圖3 內(nèi)花鍵齒面綜合位移

圖4 內(nèi)花鍵齒面徑向變形規(guī)律

內(nèi)花鍵逆向修形

從上述有限元分析可知，過盈配合后，內(nèi)花鍵齒形變形可以忽略，而齒向發(fā)生較大的錐度變形，對齒向精度影響較大，為保證組裝后整體精度滿足設(shè)計要求，須在組裝前對齒向進(jìn)行逆向修形。

上一節(jié)的有限元分析結(jié)果僅顯示了內(nèi)花鍵齒面徑向變形量，并不能直接作為磨齒的修形輸入，還需轉(zhuǎn)化為內(nèi)花鍵齒面的法向變形量，即齒高中點(diǎn)處的徑向變形量乘以此處的壓力角正弦值，帶入數(shù)值，得到內(nèi)花鍵齒向的逆向修行量約為0.042mm。為防止修形量過大導(dǎo)致裝配后內(nèi)花鍵齒向產(chǎn)生倒錐度影響裝配，故將磨花鍵時的齒向修形量減小0.005mm，即為0.037mm，同時對兩端面約10%的范圍進(jìn)行0.015mm的拋物修薄，以應(yīng)對內(nèi)花鍵兩端的拋物線變形。

經(jīng)上述分析，將逆向修形參數(shù)設(shè)置為：齒形不修，為標(biāo)準(zhǔn)漸開線，齒向斜度修形量為（0.037±0.005）mm，齒向兩端拋物修薄（0.015±0.005）mm。將內(nèi)花鍵軸采用數(shù)控磨齒機(jī)進(jìn)行逆向修形，經(jīng)齒輪精度檢測儀檢測的內(nèi)花鍵齒形齒向報告如圖5、圖6所示。從圖中可看出，齒形精度為5級，遠(yuǎn)高于8級的設(shè)計要求，齒向雙邊呈現(xiàn)明顯的斜度修形，其中左齒面齒向斜度約為0.034mm，右齒面約為0.031mm。需要注意的是，因齒向兩端有拋物修薄，圖6中的齒向斜度評價范圍并非整個全齒寬160mm，而是去除兩端各9mm，即142mm齒寬范圍內(nèi)的齒向斜度，這樣按照比例得出全齒寬范圍內(nèi)的齒向斜度應(yīng)分別為0.038mm和0.035mm，滿足要求值（0.037±0.005）mm。

將經(jīng)過磨齒逆向修形的內(nèi)花鍵軸進(jìn)行氮化，然后測量內(nèi)花鍵齒形齒向精度，如圖7、圖8所示。對比氮化前的圖5、圖6可以看出，齒形精度基本沒有發(fā)生變化，這是因?yàn)辇X形精度對檢測基準(zhǔn)的變形不敏感，但部分齒向的修形量略有變化，這是因?yàn)榈蟮膬?nèi)花鍵軸發(fā)生輕微變形，檢測內(nèi)花鍵的基準(zhǔn)面的平面度也有微小變形所致，這是氮化過程中不可避免的，但對于本文的研究及實(shí)際應(yīng)用影響不大。

圖5 內(nèi)花鍵齒形精度報告

圖6 內(nèi)花鍵齒向精度報告

過盈裝配及檢測

圖7 氮化后的內(nèi)花鍵齒形精度報告

對氮化后的內(nèi)花鍵軸采用液氮冷凍，大齒輪采用感應(yīng)加熱內(nèi)孔，兩零件組裝并恢復(fù)常溫后，檢測內(nèi)花鍵齒形齒向，如圖9、圖10所示。

將圖9與圖7對比可看出，齒形精度略有變化，由組裝前的5級變?yōu)?級，變形主要集中在靠近齒根部位，這是由于內(nèi)花鍵齒根處在過盈裝配下，受到擠壓，產(chǎn)生變形，這與第一節(jié)的有限元分析結(jié)果相吻合。對比圖10和圖8可看出，齒向在組裝前的逆向斜度修形則被過盈配合變形所抵消，整體呈現(xiàn)一定的鼓型，同時也可以看出齒向仍然存在一定的斜度，且斜度方向與逆向修行的斜度方向相反，說明齒向的逆向斜度修形量不夠，不足以完全抵消過盈配合產(chǎn)生的錐度變形，這是上文中齒向逆向斜度修形量趨于保守所致，但也側(cè)面印證了我們逆向修形量的有限元計算值是較為準(zhǔn)確的。

圖8 氮化后的內(nèi)花鍵齒向精度報告

同時，圖9和圖10作為內(nèi)花鍵組件最終的的齒形齒向精度報告，其結(jié)果是較為令人滿意的，首先圖9所示的齒形精度為6級，高于設(shè)計要求的8級；而圖10所示的齒向呈現(xiàn)鼓型，因此只需重點(diǎn)關(guān)注齒向精度中的螺旋線傾斜偏差fHβ，從圖10可看出，左齒面的螺旋線傾斜偏差平均值為18.4μm，右齒面為20.3μm，精度等級為8級，滿足設(shè)計要求，當(dāng)然仍有優(yōu)化的空間，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，可將有限元計算結(jié)果經(jīng)轉(zhuǎn)化后直接作為磨齒逆向修形輸入，最終得到的齒向精度將高于本文。

圖9 過盈裝配后的內(nèi)花鍵齒形精度報告

結(jié)論

圖10 過盈裝配后的內(nèi)花鍵齒向精度報告

攝影：王舒琪

本文提出了一種高精度、硬齒面內(nèi)花鍵軸的加工方法，解決了內(nèi)花鍵硬化后過盈裝配而導(dǎo)致的齒向精度差的問題。相比傳統(tǒng)的內(nèi)花鍵軸調(diào)質(zhì)后以插齒作為最終工序的工藝，具有齒形齒向精度高、齒面硬度高的特點(diǎn)，其關(guān)鍵在于前期的過盈配合有限元計算，以及裝配前的磨齒逆向修形。研究結(jié)果總結(jié)如下：

（1）過盈配合后內(nèi)花鍵齒形精度的變形量可以忽略，齒向精度的變形量與過盈量、內(nèi)花鍵的軸向位置關(guān)系直接相關(guān)；

（2）逆向修形時，除了考慮齒向總體修形量外，還必須考慮齒向變形規(guī)律曲線，適當(dāng)增加齒向兩端拋物修形量；

（3）過盈裝配的有限元計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，經(jīng)分析換算后可作為內(nèi)花鍵磨齒逆向修形的輸入。