機車焊接齒輪箱整體退火工藝的探討—齒輪箱裂紋分析及解決方案

賴志剛，劉平安，史小恒，

（1.江西制造職業技術學院，南昌 330095；2.華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013）

0 引言

合理的工藝路線對產品的質量起著關鍵作用，同樣的工序和工藝方法，采用不同的工藝流程，有時會起到預想不到的效果，因此工藝路線的制定對產品質量的保證具有至關重要的意義，有時會克服產品制造的工藝難點，解決產品的質量問題。本文通過對機車齒輪箱的工藝路線的合理調整，解決了齒輪箱的裂紋問題，為科學合理地制訂零件工藝路線提供了一個很好的例證，具有啟發和借鑒意義。

1 背景介紹

長期以來，機車齒輪箱的漏油問題困擾著幾乎每個機車生產廠家，常常因為齒輪箱的漏油問題，給廠家造成大量的返修，同時也大大縮短了齒輪箱的壽命，致使每年光這一項返修費用就可能高達幾十萬元，主要原因是齒輪箱局部裂紋造成齒輪箱的漏油。

另一方面，由于焊接齒輪箱的特殊結構，其變形很難控制，特別是在加工的各個工序的裝夾也會引起尺寸的變化，常常出現安裝位置的孔偏等問題，影響齒輪箱的裝配和安裝，造成齒輪箱的標準化程度低，制約了齒輪箱的通用性和標準化。

針對此長期以來的無法從根本上解決的慣性質量問題，大同電力機車公司領導組織專門的技術人員對這一產品質量問題進行分析、排查，查找零件質量缺陷的根本原因。在公司領導的支持和技術中心設計部門的主導下，通過潛心研究，深入調查，最終提出了新的工藝方案，從根本上解決了機車齒輪箱由于焊接裂紋導致漏油的質量問題。

2 分析研究

在分析原因之前，先介紹一下機車齒輪箱的結構和簡單的制造過程。

2.1 機車齒輪箱結構介紹

機車齒輪箱是為防止灰塵等雜物進入齒輪，同時為給機車齒輪提供潤滑油以保護齒輪的箱體。機車齒輪箱主要分焊接結構和鑄造結構兩種，目前包括幾乎所有焊接機車齒輪箱遵守著同樣的工藝路線，只是因車型的不同在有些尺寸上有差異而已。本文所提及的齒輪箱是焊接結構的齒輪箱，以ss7c型機車齒輪箱為研究對象進行介紹。

機車齒輪箱主要由上箱和下箱組成，上箱和下箱結構類似，只是下箱有油量檢查盒，而上箱沒有，卻比下箱多出排氣管。

齒輪箱上箱如圖1所示，主要由側板、頂板、大領圈、小領圈、螺座二、耳座和排氣孔焊接而成。

齒輪箱下箱如圖2所示，主要由側板、頂板、大領圈、小領圈、螺座一、耳座和油量檢查盒焊接而成。

圖2 齒輪箱下箱

上、下側板采用5mm厚的薄板，為齒輪箱的主要框架，其它小部件都焊接在側板上，因此形成了齒輪箱薄板焊接而焊縫較多的特殊的箱型結構。

2.2 齒輪箱原有工藝介紹

2.2.1 齒輪箱工藝介紹

先將側板和領圈放在組焊臺上進行組對，接著組對頂板（低板），半箱組焊完畢進行半箱退火，然后加工合箱面，最后將上箱和下箱用螺栓把緊，進行領圈和安裝座的加工。

2.2.2 工藝路線

齒輪箱半箱焊接→半箱退火→銑合箱面合箱→整箱鏜領圈孔→組焊齒輪箱各螺座→銑螺座端面→加工螺座螺紋→檢驗。

齒輪箱最關鍵的要求，就是確保齒輪箱不漏油，因此最后還要做滲漏試驗，檢驗其氣密性。

2.3 原因分析

我們對現有齒輪箱的檢查發現，所有的齒輪箱裂紋主要發生在齒輪箱的螺座的焊接處和周圍。為解決此問題，我們從以下幾方面來分析得出了齒輪箱裂紋的原因。

首先從齒輪箱的受力來分析裂紋產生的外因，由于齒輪箱本身懸臂在機車輪對上，在自身重力作用，再加上機車在運行過程中的振動載荷影響，造成齒輪箱的裂紋。

其次是齒輪箱特殊的焊接結構，通過前面對齒輪箱結構的介紹，因為齒輪箱是由薄板焊接而成的箱型結構，容易變形，加上焊縫比較多，造成焊接后的焊接應力比較大。

最后本身的工藝路線存在缺陷，因為機車齒輪箱的螺座位置是齒輪箱與電機連接的唯一支承，也就是說機車齒輪箱重量的絕大部分要傳遞給螺座，而在工藝上卻存在嚴重的違背焊接件加工必須退火的基本原則，而焊接齒輪箱的工藝中卻違背了這一條，就是齒輪箱焊接完落座后，為進行焊接應力的消除而進行螺座端面的加工。

3 方案的制定及試驗

3.1 制定工藝方案

通過以上分析和現場實際調研，我們開始從改變齒輪箱現有工藝為突破點展開了工作，通過認真分析研究，最后制定出了以下的解決方案。

ss7c型機車齒輪箱整箱如圖3所示。

圖3 齒輪箱整箱

工藝方案決定在現有的工藝方法不變的情況下對原有工藝路線進行改進，工藝改進后的工藝路線：

齒輪箱半箱焊接→銑合箱面→合箱→整箱鏜領圈孔→組焊齒輪箱各螺座→整體退火→加工螺座螺紋→檢驗。

改進后工藝路線看似大致相同，其實卻有本質的區別，最根本的就是后一種路線解決了機加工后不再有焊接工序的問題，即避免了前一工序由于焊接螺座而產生的焊接應力，因為它的焊接螺座的工序在退火前已經完成。

另外，由于齒輪箱是薄板焊接而成的箱型結構，致使容易變形，而對于整體退火后加工螺座，不僅解決了原來焊接螺座后加工前未退火的問題，而且整體退火加工有利于螺座加工尺寸的保證，減少了齒輪箱安裝不上的問題。

3.2 試驗

實驗數據的記錄，在齒輪的基本要求中，最關鍵的一條就是不能漏油，因此對齒輪箱的合箱面（上、下箱的結合面）的要求很高，其次要求半箱兩側板內側距離偏差不能超過±1mm，表1為齒輪箱上、下箱結合面間隙尺寸和半箱兩側板內側距離實驗數據。

表1 實驗數據

通過對五個齒輪箱的尺寸的測量，均能滿足圖紙要求，因此證明這種工藝方法是可行的。然后對其它車型也進行了類似的試驗，均能滿足要求。

3.3 實際效果

通過此工藝的改進，機車齒輪箱的裂紋問題得到了有效解決，提高了齒輪箱的使用壽命，為公司挽回了經濟損失，同時為齒輪箱的標準化、產品化做出了貢獻。最后所有的機車焊接齒輪箱使用了整體退火的工藝方案，解決了類似問題，得到公司的認可和獎勵。

4 工藝難點和啟示

4.1 工藝的難點

1）工藝概念的突破，因為此工藝改進應用了同一工藝焊接件加工前需退火理論的兩個矛盾方面，在加工半箱合口面時恰好焊接件沒有消除應力就加工，違背了焊接件加工前需進行去應力處理的基本原則，而在后面的螺座加工時卻是專門為符合這一原則而特意改變了工序，因此往往會讓人首先排除這種做法。

2）對于合口面未進行熱處理就加工，往往會損壞刀具，另外怕加工完的合口面不能滿足要求，因為齒輪箱的合口面的間隙要求不能超過0.02mm,否則就會漏油，因此作為工藝人員覺得技術上可能行不通，就排除此工藝方法。

4.2 啟示

1）作為一名合格的工藝工程師，一定要面對具體問題進行深入細致的研究，不要想當然的從一開始就下結論，否定某種工藝方法，有時可能所否定的正是解決問題所要的正確方法。

2）作為一名合格的工藝工程師，一定要善于分析問題，不要被定勢思維所左右，要抓住所要解決問題的核心，不要停留在表面，將理論知識與實踐相結合進行判斷分析。

5 結論

1）通過此次工藝改進達到了圖紙要求,從根本上消除了齒輪箱裂紋的產生,省去了返修費用；

2）整體退火加工有利于螺座加工尺寸的保證，提高了齒輪箱的標準化率和齒輪箱的產品化、市場化；

3）此次工藝的改進從技術上突破了機車焊接齒輪箱從設計生產以來半箱焊接退火的工藝上的缺陷,具有創新意義，解決了長期以來的工藝慣性問題；

4）從工藝學的角度，應該綜合考慮影響產品質量的各方面因素，有時甚至需要犧牲某個工序的成本來滿足別的比較難保證工序的完成。

[1] 羅家元.齒輪箱系統耦合動態特性研究[D].重慶大學,2004.

[2] 黃旭光.罩式退火爐工藝制度的優化[J].冶金從刊,2003.

[3] 周立秋.SS_3型機車齒輪箱滲漏油分析與改進[J].電力機車與城軌車輛,2003,04.

[4] 安運錚.熱處理工藝學[M].機械工業出版社,1988.

[5] 劉孝峰,叢云中.地鐵齒輪箱加工工藝的優化[D].中國科學院上海冶金研究所,2000.