減速器箱體常用時效處理方法及實驗效果

蔡樹梅

1.中煤張家口煤礦機械有限責任公司，河北張家口，076250； 2.河北省高端智能礦山裝備技術創新中心，河北張家口，076250

0 引言

在減速器制造行業，生產單位一般重點關注軸、齒輪等傳動零件和軸承、密封等外購件的質量，往往忽視了減速器箱體。常規的減速器箱體又稱合箱組件，主要由上箱體和下箱體組成。箱體的主要作用一是保護內部零部件，防止外界的碰撞；二是存儲潤滑油，用于對齒輪、軸承等零件的冷卻和潤滑；三是支撐和保持其內部零件的位置和精度。由此可見，減速器箱體對于減速器的整體質量起著至關重要的作用。在減速器箱體的制造過程中，常見的質量問題是，箱體精工后時常會出現軸孔的圓度、位置度、同軸度超差，這種情況多發生在減速器組裝前，對減速器箱體復檢時。箱體輸出軸孔的圓度超差可能會造成漏油；位置度、同軸度超差會影響齒輪的正常嚙合，導致輪齒出現嚴重的壓潰磨損。經過多次論證，排除了偶然因素和測量誤差，可以確定，導致“差值”的原因是減速器箱體內部的鑄造殘余應力在箱體加工后的隨機釋放，造成箱體的軸位出現變化，進而影響減速器的整體質量。因此，減速器箱體加工前，應采取相應的措施，減小或消除鑄造殘余應力帶來的不利影響[1-2]。

1 鑄造殘余應力

在實際生產時，減速器箱體的生產工藝主要有鑄造和焊接，因鑄造的成本較低、結構適應性強、批量生產效率高、易于加工切削等優點，成為當前減速器箱體，尤其是大功率減速器箱體的主流生產工藝。由于鑄造工藝的本身特性，在減速器箱體的鑄造過程中，不可避免地會出現鑄造應力。鑄造應力會伴隨著鑄造的整個過程，在鑄造結束，仍存在于箱體內部的應力，稱為鑄造殘余應力。一般認為，鑄造應力主要包括熱應力、相變應力、收縮應力[3]。

1.1 熱應力

在減速器箱體鑄造末期，合金開始搭結成枝晶骨架，隨后進入冷卻時期，由于減速器箱體的鑄造結構非常復雜，各處截面積不相等，導致冷卻速度不一致。而這些冷卻速度不一致的地方會出現相互牽制，從而產生鑄造應力，這種由于冷卻速度不一致而生產的鑄造應力，稱為熱應力[4]。

1.2 相變應力

減速器箱體在冷卻時，發生固相的轉變，由于固相轉變前后的比容不同，就會產生體（線）膨脹或體（線）收縮現象。一直到相變過程完成，膨脹或收縮現象才隨之結束。在此過程中，同樣是由于減速器箱體的各處橫截面積不相等，導致各處的固相相變的發生時間不一致，先發生相變的地方受壓應力，后發生相變的地方受拉應力，這種在相變過程中受到的阻礙而產生的鑄造應力，稱為相變應力[5]。

1.3 收縮應力

減速器箱體在冷卻時，會發生固態線收縮，而固態線收縮會受到諸如芯盒、撐柱等因素的阻礙，由此產生的鑄造應力，叫做收縮應力，又叫機械阻礙應力。

在減速器箱體鑄造過程中，熱應力、相變應力和收縮應力共同作用，形成最終的鑄造應力，存儲在減速器箱體內部。需要說明的是，人們經過長期的摸索發現，隨著外力的作用或長時間的存放，鑄造應力會逐漸減小甚至消失，這也正是鑄造應力的消除機理。但是，仍然存在于減速器箱體內部的應力，稱為鑄造殘余應力。

鑄造殘余應力的大小與減速器箱體的壁厚差值有關。一般認為，減速器箱體的結構越復雜、各部位厚度差值越大，鑄造殘余應力越大。減速器箱體經過切削加工，受到了復雜的裝夾外力和切削外力，會加快其內部殘余應力的釋放速度，導致加工后的箱體，出現“變形”，影響加工的精確性。因此，采取工藝保障措施，降低或消除減速器箱體的鑄造殘余應力，就顯得十分必要，常用的工藝措施是時效處理[3]。

2 常用的時效處理方法

因為鑄造殘余應力的釋放是隨機的，體現在應力的釋放方向隨機、釋放大小隨機、釋放時間隨機。為了最大程度地降低或消除鑄造殘余應力對減速器箱體加工精度的影響，需要在精加工前采取時效處理措施。常用的時效處理措施有自然時效、振動時效和熱時效。

2.1 自然時效

自然時效（圖1）是一種古老的時效方式，在減速器箱體鑄造結束后，將其自然放置于室外露天環境下，經過幾個月或者更長時間的風吹、日曬、雨淋，通過季節的更替，溫度的變化，依靠大自然的力量，給箱體多次造成反復的溫度應力。在溫度應力施加的載荷下，促使減速器箱體內部的殘余應力出現松弛，緩慢地自然釋放，最終達到減少或消除的目的。

理論上，自然時效對降低或消除減速器箱體的殘余應力效果不明顯，但是，實踐證明，自然時效對減速器箱體的尺寸穩定性有較好的效果。原因是經過長時間的自然放置，石墨尖端及其他線缺陷尖端附近會出現應力集中，從而引發塑性變形，松弛了應力，同時也強化了這部分基體，于是該處的松弛剛度也提高了，增加了這部分材質的抗變形能力。自然時效的周期一般較長，減速器箱體的自然時效至少需要6個月，因此，對于生產工期短的訂單，自然時效有一定的局限性。

2.2 振動時效

振動時效（圖2）是指將激振器緊固在減速器箱體上，通過控制器調節電機轉速，使激振器產生周期性外力。迫使箱體在其共振范圍內產生共振，在此過程中，當周期性載荷大于箱體材料QT400-15的屈服強度時，在箱體內部殘余應力的高峰值處，會產生局部引起的微小塑性變形，使箱體內部的殘余應力高峰值降低，并使其重新均勻分布，從而達到提高箱體抗變形能力的效果[4]。

從能量轉換的角度講，振動時效是以機械能的形式給箱體提供能量，增大箱體內部的振動幅度、加快畸變晶格的排列趨于平衡。其原理是通過對減速器箱體施加略小于材料屈服極限的應力，引導“變形”提前發生，最終達到使其精加工后不再發生變形的效果。所以，振動時效的最佳時間應該在減速器箱體的粗加工工序結束以后，精加工工序之前進行。

2.3 熱時效

熱時效，即通常說的熱處理時效（圖3），是將減速器箱體放置在熱處理爐中，經過升溫、保溫和降溫三個過程的溫度變化，使材料發生迅速的膨脹和收縮，降低了減速器箱體的屈服極限，這就會導致其內部殘余應力高的地方，會超出屈服極限，產生晶格滑移，發生微小的塑性變形，進而實現殘余應力釋放、降低和均化。減速器箱體的具體熱時效工藝是將先加熱至550℃，再保溫5小時，然后冷卻至100℃開爐[2]。

從工藝耗時上看，熱時效相對自然時效的時間要短得多，而且，所用設備簡單，可以批量生產，是行業里常用的時效處理方式。熱時效也應該在箱體的粗加工工序結束之后，精加工工序之前進行。

3 實驗方案

為了驗證不同時效處理方法對減速器箱體加工精度的影響效果，選定了常用的60JS系列型號減速器，因減速器箱體需檢測項較多，本次實驗以減速器箱體加工圖（圖4）的輸出軸孔同軸度為例，圖紙要求尺寸3相對于尺寸1和尺寸2的同軸度≤0.04mm，到臺式三坐標檢測室，測量其實際同軸度。

每種時效方法分配10臺減速器，再從之前未做過時效處理的60JS減速器箱體，隨機選取10臺的已測量數據對比。在每臺箱體加工工序結束后，松開合箱螺栓，為使應力得到進一步釋放，在室內靜置3個月，再進行測量。

為盡可能地消除人為誤差，還需要考慮以下因素：

（1）同一時效方法均采用相同的工藝，例如自然時效時長、振動時效位置及時間及熱時效溫度等等。

（2）加工機床選用同一臺設備，本次實驗選用德國UNION公司的KCU150/1 CNC 840D加工中心。

（3）箱體的裝夾使用力矩扳手，每臺箱體的夾緊螺栓所用力矩相同。

（4）自動對刀，加工切削使用同一個程序，每件箱體加工前，更換成型刀片。

（5）檢測設備均采用LM302015三坐標測量機（圖5），檢測溫度設定20℃恒溫。

4 數據分析

因減速器箱體的檢測項目較多，本次選取輸出軸孔同軸度項目，記錄數據見表1。

表1 同軸度測量數據(單位：mm）

從測量數據不難看出，未經過時效處理的減速器箱體，同軸度偏差較大，部分箱體的實測值已經超過了圖紙規定的0.04mm，屬于不合格品，按要求需走評審手續。經過了時效處理的減速器箱體，精加工后軸孔位的同軸度均有不同程度的提升。其分布折線圖見圖6。

從圖6可以看出，三種時效方式中，自然時效和熱時效對減速器箱體加工精度的提升比較穩定，其中以熱時效的提升效果最明顯。對于部分減速器箱體，振動時效對加工精度提升效果較為明顯，但仍有一部分箱體提升效果不大，造成這種現象的原因一方面是振動時效對于操作者的經驗要求較高，另一方面說明振動時效具有不穩定性。

5 結語

（1）為消除鑄造殘余應力對減速器箱體加工精度的影響，箱體在精加工之前，有必要采取時效處理，減少或消除鑄造殘余應力。

（2）常規的三種時效處理方式：自然時效、振動時效、熱時效，以熱時效的提升效果最穩定，最明顯。

（3）在實際生產過程中，可以采用自然時效和熱時效相結合的方式進行時效處理，以期獲得更加顯著的提升效果。