非標(biāo)準(zhǔn)變位齒輪的研制

劉永東，徐繼林，王 璇

（蘭州石化維達(dá)公司，甘肅蘭州 730060）

0 引言

蘭州石化化工廠高密度聚乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備擠壓機(jī)是從日本進(jìn)口的設(shè)備，在近階段設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪泵轉(zhuǎn)子運(yùn)行振動(dòng)超差，運(yùn)行不平穩(wěn)且噪聲較大，經(jīng)停車拆卸檢查發(fā)現(xiàn)齒輪泵轉(zhuǎn)子其齒面大面積點(diǎn)蝕、剝落，點(diǎn)蝕坑深2～3 mm，有兩處輪齒折斷1/3。齒輪泵轉(zhuǎn)子是高密度聚乙烯裝置中擠壓機(jī)內(nèi)關(guān)鍵的零部件，進(jìn)口件費(fèi)用是國(guó)產(chǎn)幾倍，且生產(chǎn)到貨周期長(zhǎng)，急需測(cè)繪加工制作以應(yīng)急生產(chǎn)需要。

1 擠壓機(jī)工作原理

高密度聚乙烯裝置采用國(guó)產(chǎn)化的日本三井油化淤漿法聚合工藝。乙烯、丙烯、氫氣經(jīng)預(yù)熱后與主催化劑、助催化劑一起進(jìn)入聚合釜，在低壓下進(jìn)行液相聚合反應(yīng)，產(chǎn)品淤漿溢出后送至離心分離干燥工序脫出己烷，干粉送擠壓機(jī)造粒工序進(jìn)行造粒，經(jīng)摻和、包裝，生產(chǎn)出聚乙烯產(chǎn)品。

2 問題分析

（1）檢修發(fā)現(xiàn)齒輪泵轉(zhuǎn)子有兩處輪齒折斷1/3，從輪齒斷裂處截面分析，原進(jìn)口件內(nèi)部可能存在缺陷，在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)下，缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大，引起疲勞斷裂。

（2）齒面點(diǎn)蝕、剝落情況分析。當(dāng)聚乙烯濕餅經(jīng)干燥工序脫出己烷，干粉送擠壓機(jī)擠壓造粒，齒輪泵電機(jī)功率600 kW，物料溫度200℃，高密度聚乙烯在200℃時(shí)黏度很大，這時(shí)轉(zhuǎn)子齒面不斷反復(fù)受到很大壓力和拉力，加劇齒面點(diǎn)蝕和剝落的進(jìn)程。隨著齒面點(diǎn)蝕和剝落的不斷惡化，轉(zhuǎn)子在擠壓物料過程中受阻、物流不順暢更加劇齒面的點(diǎn)蝕。

3 進(jìn)口件測(cè)繪及計(jì)算

（1）由于沒有新的備件測(cè)繪，只能對(duì)輪齒局部斷裂且齒面有嚴(yán)重點(diǎn)蝕、剝落的齒輪泵轉(zhuǎn)子進(jìn)行測(cè)繪（圖1），測(cè)繪參數(shù)：齒數(shù)Z=14，齒頂圓直徑da=366 mm，齒根圓直徑df=268 mm，公法線長(zhǎng)度Wk=2=103.4～104.5 mm，實(shí)測(cè)裝置兩齒輪泵轉(zhuǎn)子中心矩a實(shí)測(cè)=320 mm。

圖1 齒輪泵轉(zhuǎn)子

（2）計(jì)算測(cè)繪參數(shù)。①模數(shù)確定，m=da（/Z+2）=22.875，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=22，則a計(jì)算=m（Z1+Z2）/2=308，由于a實(shí)測(cè)＞a計(jì)算,故該對(duì)齒輪為角變位齒輪。②經(jīng)過計(jì)算確定，計(jì)算確定總的變位系數(shù)xE=0.616 61，則單個(gè)齒輪變位系數(shù)x1=x2=0.3083。經(jīng)過計(jì)算，da計(jì)算=362.4337 mm，df計(jì)算=266.5652 mm，公法線長(zhǎng)度Wk=2計(jì)算=106.3749。測(cè)繪原件數(shù)值da實(shí)測(cè)=366 mm，df實(shí)測(cè)=268 mm，Wk=2實(shí)測(cè)=103.4～104.5 mm。從上述數(shù)值可以看出，測(cè)繪值與計(jì)算值出入很多，可見該對(duì)齒輪是非標(biāo)準(zhǔn)角變位齒輪。

4 原理分析

（1）采用非標(biāo)準(zhǔn)齒輪的原因。由于該對(duì)齒輪各有一個(gè)減速機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)子齒輪起的作用并非傳遞動(dòng)力、變速、分度等，主要起擠壓物料的作用，而嚙合齒面并不接觸。物料填充在輪齒之間，兩齒的側(cè)隙，齒頂和齒根的間隙始終處在等間隙嚙合過程中，物料受到極大的擠壓作用。因此保證合理的間隙，對(duì)擠壓效果和產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量都有很大關(guān)系。

（2）根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際要求，齒輪的側(cè)隙值應(yīng)保持在1 mm左右，而按計(jì)算的公法線長(zhǎng)度Wk=2計(jì)算=106.3749 mm來加工的齒輪，將無法保證合理的側(cè)隙值。為了保證合理的側(cè)隙值和頂隙值，故將齒輪的齒厚有意減薄，而齒頂圓及齒根圓直徑有意加大。

5 準(zhǔn)確公法線確定

（1）由于齒輪的齒面有點(diǎn)蝕、剝落等，故不能按測(cè)繪的公法線來加工齒輪，因此確定準(zhǔn)確的公法線值至關(guān)重要。

（2）在計(jì)算機(jī)上按齒廓形成的原理，模擬做出齒輪的齒面漸開線，并在中心矩a=320 mm情況下嚙合（圖2）。

圖2 齒厚未減薄時(shí)齒輪轉(zhuǎn)子嚙合情況

此時(shí)公法線長(zhǎng)度與理論計(jì)算值一致，為Wk=2=106.37 mm，但此時(shí)齒面之間無間隙，為了保證齒面間隙值為1 mm，需要將齒厚削薄。在計(jì)算機(jī)上將齒厚逐漸削薄，模擬實(shí)際工況進(jìn)行嚙合，最后確定當(dāng)齒面間隙為1 mm時(shí)，測(cè)出公法線Wk=2=105.5 mm（圖3）。

圖3 齒厚減薄后齒輪轉(zhuǎn)子嚙合情況

6 材料的選定

對(duì)原材料取樣分析，進(jìn)口轉(zhuǎn)子材料化學(xué)成份接近國(guó)產(chǎn)35Cr-MoA，工件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，除直徑170外，其余各處高頻淬火處理。經(jīng)實(shí)踐證明，此種材料不十分理想。最后確定選用38CrMoAlA高強(qiáng)度氮化鋼，毛坯采用鍛造成型，粗加工后經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。機(jī)械性能：σb≥1000 N/mm2，σs≥850 N/mm2，δ5≥14%，ψ≥50%，Aku≥71 J，精加工后經(jīng)滲氮處理，HV≥900，無論綜合機(jī)械性能，還是表面硬度都比選用35CrMoA要好，經(jīng)氮化處理后表面還有耐蝕作用，這樣對(duì)防止齒面點(diǎn)蝕及剝落都有很好的作用。

7 加工難點(diǎn)

（1）由于該對(duì)齒輪轉(zhuǎn)子齒形為角變位非標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒形，齒頂圓直徑、齒根圓直徑、公法線值都為非標(biāo)形，齒面經(jīng)磨削拋光、處理，光潔度和精度要求都很高。用一般標(biāo)準(zhǔn)齒輪滾刀加工不出滿足以上要求的齒形。

（2）由于該齒輪轉(zhuǎn)子模數(shù)大而齒數(shù)少（Z=14）、直徑小，一般齒輪加工機(jī)床不能勝任該齒輪轉(zhuǎn)子的加工（超出大模數(shù)滾齒子加工范圍，大模數(shù)滾齒機(jī)對(duì)齒輪最小直徑有限制規(guī)定）。

8 制造方案

（1）根據(jù)齒形實(shí)際值，專門定做非標(biāo)準(zhǔn)刀具，而非標(biāo)刀具制造難度非常大，且費(fèi)用很高。經(jīng)與刀具廠互相探討，刀具廠專門針對(duì)該對(duì)齒輪進(jìn)行非標(biāo)刀具的設(shè)計(jì)與制造，這套刀具由3把刀組成，對(duì)齒輪輪齒進(jìn)行組合加工。

（2）滾齒機(jī)不能加工該對(duì)齒輪，只有在銑床上加工，但在加工時(shí)，齒輪如何保證分度準(zhǔn)確，這對(duì)齒輪的精度非常重要。

設(shè)計(jì)一套工裝胎具，在銑床上加工該齒輪轉(zhuǎn)子，如圖4所示，由分度頭負(fù)責(zé)精確分度，由分度頭輸出端齒輪和轉(zhuǎn)子軸上的同步齒輪進(jìn)行嚙合，來帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行加工時(shí)準(zhǔn)確分度。

圖4 齒輪轉(zhuǎn)子加工方法

9 工藝路線確定

該轉(zhuǎn)子對(duì)材料的要求很高，對(duì)鍛造工藝有嚴(yán)格限制，鍛件按JB/ZQ 4000.7—1986的通用技術(shù)要求執(zhí)行，Ⅴ級(jí)合格，取鍛造比不得小于3.5，要進(jìn)行防白點(diǎn)處理。為了防止組織內(nèi)部有缺陷，工件粗加工后進(jìn)行超聲波探傷，符合JB 4726—2000規(guī)定，Ⅰ級(jí)合格，為防止表面缺陷，精加工后，所有表面進(jìn)行磁粉探傷，符合JB 4730—1994規(guī)定，Ⅰ級(jí)合格。

根據(jù)以上的分析，制定轉(zhuǎn)子加工工序：下料→鍛造→熱處理（防白點(diǎn)處理）→粗加工→超聲波探傷→粗銑齒→調(diào)質(zhì)處理→精車→粗磨→精銑齒→粗拋齒面→精磨→磁粉探傷→表面氮化處理→齒面拋光。

10 模擬試驗(yàn)

對(duì)加工好的一對(duì)齒輪轉(zhuǎn)子，在胎具中進(jìn)行模擬擠壓情況試驗(yàn)，放入橡皮泥對(duì)轉(zhuǎn)子間隙、擠壓情況進(jìn)行研究分析，從實(shí)際分析結(jié)果看，效果比較理想，能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的要求。