風電齒輪箱內螺紋圓柱銷工藝優化

孫兆鋒，張海軍

（1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213000；2.創買工業科技（上海）有限公司，上海 201900）

1 產品概述

風力發電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功能是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機并使其得到相應的轉速[1]。中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司的風電齒輪箱也有10多年的設計研發經驗，并在各大風場有成熟的運用業績，其主要有1.5 MW、1.65 MW、2 MW、2.5 MW、2 MW半直驅等風電齒輪箱產品。如圖1所示的2.5 MW風電齒輪箱。

2 問題描述

作為風電齒輪箱中涉及到產品安全的連接件-內螺紋圓柱銷，產品采用GCr15鋼，該材料是一種合金含量較少、性能良好、應用廣泛的高碳鉻軸承鋼。經過淬火加回火后具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。因此，可以制作高耐磨性、高彈性極限、高接觸疲勞強度的機械零件及各種精密量具冷沖模等[2]，本內螺紋圓柱銷使用工況具有以上特點。該產品安裝在齒輪箱的箱體和齒圈間，起到定位及傳遞扭矩的作用，如圖2所示。但中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司在對該產品（規格Φ40×120）進行入廠驗收時，發現近期連續幾批次產品的硬度和表面脫碳存在超差的情況。

3 原因分析

3.1 產品要求

GCr15鋼原材料須符合GB/T 18254的相關標準要求。產品進行熱處理，熱處理硬度（HV1）要求550～650（表面硬度），而要求熱處理后內螺紋圓柱銷外圓表面脫碳層深度單邊不大于0.03 mm，在對近幾批供方送貨的產品進行檢測時，發現表面硬度和脫碳存在超差的情況，具體結果見表1。

表1 硬度及脫碳層檢測結果

3.2 可能原因梳理

對影響該產品硬度和脫碳層的主要因素采用因果圖（魚刺圖）原因分析，在熱處理人員、原材料、生產工藝（包括熱處理、加工工藝）、硬度測量設備等環節進行分解，原因分析因果圖見圖3。

人員：經過對熱處理作業人員進行確認，人員未發生變動，此要素排除。

原材料：對該產品原材料進行分析，材料成分滿足GB/T 18254的相關標準要求，具體如表2所示。

表2 GCr15成分測量結果 %

且原材料脫碳層在中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司規定的“表面脫碳層深度單邊應不大于0.6 mm”范圍內，此要素排除。

生產工藝：熱處理工藝，該產品的熱處理工藝為淬火+回火，根據產品規格、熱處理爐型號、裝爐量等實際要求，設定的熱處理條件如下：熱處理設備為普通箱式爐，過程參數設定為淬火-溫度800～850℃、保溫時間為2 h左右，回火-溫度為150～170℃，保溫時間為15 min左右。

經過對該產品的熱處理工藝中的加熱溫度、加熱時間等進行確認，符合設置的工藝要求。

但在對該熱處理爐進行保護氣氛測定時，保護氣氛未達到規定的要求，導致產品表面出現脫碳的現象，表面硬度降低。此要素為該問題產生的根本原因之一。

該產品的生產工藝為：下料→車加工→鏜孔攻絲→熱處理→磨加工→磁粉探傷→成品檢查。

具體外形如圖4所示。

該產品的成品外徑要求為Φ40P6，在材料的選擇時，選用Φ40.5 mm外徑的材料，由于材料本身的脫碳層可能達到單邊0.6 mm，在經過下料、車加工及磨加工等工序，產品尺寸達到Φ40P6要求時，其表面的脫碳層遠超過0.03 mm的標準，加之熱處理脫碳導致其脫碳層加深，脫碳層檢測超標，硬度超差。此要素為該問題產生的根本原因之一。

測量設備：通過雙方在硬度測量設備方面的對標，測量設備一致。

導致產品的硬度和表面脫碳存在超差的根本原因有：熱處理設備的保護氣氛未達到規定的要求和材料的選用規格不合適。

4 改善措施

針對導致該產品的表面脫碳層及硬度超差的根本原因，后續改善措施有：對于熱處理設備的保護氣氛進行定期檢測，確保滿足產品熱處理表面脫碳的要求；材料選用時，采取Φ42的原材料，留夠一定的加工余量，通過車加工，去除材料本身的脫碳層，再通過磨加工，能夠保證降低熱處理后表面的脫碳現場，滿足產品的相關技術要求。通過改善后，其產品的相關性能見表3。

表3 改進后產品硬度及脫碳層檢測結果

5 結語

通過對中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司風電齒輪箱用內螺紋圓柱銷在熱處理人員、原材料、生產工藝（包括熱處理、加工工藝）、硬度測量設備等方面進行分析，尋求出現產品表面硬度及脫碳層超差的根本原因為熱處理設備保護氣氛及材料選用的問題，對改進后的產品進行檢測，結果滿足中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司相關要求。