淺談大型軋機齒輪箱的加工要點

朱晨

摘要：大型軋機齒輪箱作為鋼廠主軋線的關(guān)鍵傳動設(shè)備，其加工制造過程的保證十分重要。本文結(jié)合訪問世界頂尖的冶金設(shè)備制造商——意大利達(dá)涅利（Danieli）和德國西馬克（SMS Group）的總部實地交流見聞，及實際加工制造過程的經(jīng)驗，淺談一些加工要點供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：軋機齒輪箱;大型齒輪件;加工要點;達(dá)涅利;西馬克

機械行業(yè)的發(fā)展離不開鋼鐵，鋼鐵的生產(chǎn)離不開冶金設(shè)備，放眼全球范圍內(nèi)，公認(rèn)的三家最知名的冶金設(shè)備設(shè)計和制造企業(yè)為——意大利達(dá)涅利（Danieli），德國西馬克（SMS Group），日本普瑞特（Primetals）[1]，在行業(yè)內(nèi)具有強大的知名度和影響力，也代表設(shè)計和制造能力的先進性。

軋機齒輪箱作為鋼廠主軋線的關(guān)鍵機械傳動設(shè)備，其質(zhì)量的好壞與是否穩(wěn)定直接影響生產(chǎn)線的運行。本文根據(jù)實際工作中曾出國去達(dá)涅利Buttrio總部（意大利布特里奧）和西馬克Hilchenbach總部（德國希爾辛巴赫）訪問和技術(shù)交流的見聞，結(jié)合大型軋機齒輪箱加工制造的現(xiàn)場情況，對其中部分加工要點做簡單敘述。

齒輪箱的關(guān)鍵零部件主要為齒輪件、箱體和軸承（通常采購）。大型軋機齒輪箱重量往往都大于50噸，100多噸的也常見。國內(nèi)在制造這種大型軋機齒輪箱時，根據(jù)鋼廠軋機線的技術(shù)提供者，比如是達(dá)涅利還是西馬克等，通常會有相應(yīng)的監(jiān)造人員全過程進行監(jiān)造。

一、齒輪件的加工淺述

大型軋機齒輪箱中的齒輪件往往具有單個零件重量大、尺寸大、模數(shù)大的特點。例如，單個零件重量往往都大于10噸，20多噸的也常見。齒軸直徑超過1米，長度大于5米。齒輪直徑大于3米，有的超過4米。齒輪法向模數(shù)通常大于Mn30，有的大于Mn40。

得益于歐盟成員國內(nèi)部基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化程度水平高，達(dá)涅利和西馬克雖然是來自于兩個不同國家的公司，但其使用的大部分標(biāo)準(zhǔn)都是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)或EN歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

針對大型軋機齒輪箱中齒輪件的特點，在齒輪件材料的選擇上，達(dá)涅利和西馬克都常選用滲碳鋼18CrNiMo7-6+HH，要求符合EN 10084標(biāo)準(zhǔn)。

毛坯上通常都選用鍛件，采用大型水壓機鍛造方式獲得，對于單個鍛件重量往往大于20噸或者30噸的情況下，為了確保質(zhì)量，正常都要從最初的制作鍛件用的鋼錠冶煉開始就需要關(guān)注。達(dá)涅利和西馬克對鍛件用鋼錠通常都要求采用電爐和真空脫氣的冶煉方法。對于材料的晶粒度，一般都要求奧氏體晶粒度控制到ISO 643的5～8級。另外，由于齒輪件的模數(shù)大，需要進行淬透性檢驗（Jominy）來保證HH級鋼淬透性要求。且在鍛造過程中要保證足夠的鍛造比。鍛造過程和鍛后的熱處理也需控制，以減少內(nèi)部應(yīng)力。

對于鍛件的檢查可以分為外表面檢查和內(nèi)部的檢查。鍛件外表面的檢測一般采用目視檢查VT，磁粉探傷檢測MT，液體滲透檢測PT。鍛件不允許出現(xiàn)裂紋、白點、縮松縮孔的情況。鍛件內(nèi)部的檢測通常采用超聲波探傷檢測UT。要求超聲波探傷檢測100%覆蓋鍛件。達(dá)涅利和西馬克一般都按EN 10228-3的4級控制。但應(yīng)考慮到齒輪件的齒部為關(guān)鍵部位，至少對于齒輪全齒高范圍內(nèi)，需要著重探傷，探傷的標(biāo)準(zhǔn)等級應(yīng)適當(dāng)提高。

達(dá)涅利和西馬克一般都要求在鍛件本體上取試樣，做機械性能分析，按EN 10250標(biāo)準(zhǔn)或額外的規(guī)定要求。

由于大型齒輪箱的齒輪件重量大、尺寸大、模數(shù)大的特點，鍛件質(zhì)量質(zhì)量控制往往在付出較大精力后，仍會有概率出現(xiàn)不符合要求的情況，在遇到這種特殊情況時，及時的與達(dá)涅利或西馬克監(jiān)造人員充分溝通十分重要，如何在滿足質(zhì)量要求的前提下，確定出最優(yōu)的處理方案需要考量制造企業(yè)的經(jīng)驗水平。

達(dá)涅利對大模數(shù)齒輪的齒部粗加工上，采用硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位銑刀盤進行粗銑齒，在去除齒部大部分余量后，會進行調(diào)質(zhì)熱處理，再接著用可轉(zhuǎn)為硬質(zhì)合金滾刀進行滾齒，給齒部留出精加工余量。達(dá)涅利的齒輪銑刀盤和滾刀都是系列化，其設(shè)計人員在設(shè)計圖紙時會考慮到其工廠的刀具資源情況。可能會出現(xiàn)對于達(dá)涅利自己是正常的刀具，對于國內(nèi)公司就需要定制專用刀具的情況。滾齒需要結(jié)合熱處理能力，留出適當(dāng)?shù)木庸び嗔俊L齒精度及齒面質(zhì)量也需要關(guān)注控制。

在熱處理后，西馬克通常對齒輪進行超聲波探傷。對于大型軋機齒輪件，建議熱處理后對齒輪進行超聲波探傷。經(jīng)過滲碳淬火熱處理，需要注意有效硬化層深，齒面硬度，金相組織等方面要求的符合性檢查控制。

對于熱后精加工，西馬克設(shè)計人員通常會根據(jù)計算分析及其熱處理能力，給出熱處理后齒輪件齒頂圓允許的最大脹大量。其熱后加工方案是盡可能避免對滲碳淬火后齒部的非必要加工，包括避免進行熱后齒頂齒側(cè)的打磨。建議制造企業(yè)根據(jù)自身熱處理情況合理策劃工藝尺寸，避免齒部的非必要加工。熱后精加工部位經(jīng)過磨削的，例如軸頸外圓，需要對磨削表面進行MT或PT檢測。達(dá)涅利和西馬克通常需要在熱后對所有部位進行無損檢測。

齒部精加工正常都需要進行磨齒加工，磨齒后的齒面需采用酸洗或磁彈來對齒面磨削燒傷進行檢測。對于需要齒輪烘套到軸上的結(jié)構(gòu)時，盡量采用烘套后磨齒的方案，以避免單獨磨齒后再烘套的精度損失或基準(zhǔn)失效情況。組合后的齒輪件重量將大增，例如可能達(dá)到40多噸，需要充分策劃其起吊方案、烘套方案以及運轉(zhuǎn)方案。另外在對大型齒輪件磨齒加工時需要考慮精度計量方案。因為通常無法離線計量，一般大型齒輪件都會超出齒輪計量儀的承重和尺寸。磨齒時需要避免磨削到齒根，不能出現(xiàn)齒根臺階的情況。

二、箱體的加工淺述

大型軋機齒輪箱中的箱體常見為上中下三層式的結(jié)構(gòu)，具有零件重量大、尺寸大、軸承孔徑大的特點。例如，單個零件重量往往都大于10噸，整個箱體組合后達(dá)到30～40噸。

針對大型軋機齒輪箱中箱體的特點，通常采用鋼板拼裝焊接成箱體。在材料的選擇上，達(dá)涅利和西馬克對主要部位的都常選用材料S355J2鋼板（國內(nèi)一般用牌號Q355D替代），其它部位材料選用材料S235JR鋼板（國內(nèi)一般用牌號Q235B替代），要求符合EN 10025-2標(biāo)準(zhǔn)。對于箱體中的重要部位如軸承座一般采用鍛件而非鋼板。

鋼板在切割下料前進行超聲波探傷，達(dá)涅利和西馬克一般要求按照EN 10160的S2/E2級控制。除了控制使用鋼板質(zhì)量外，焊接質(zhì)量也十分重要。由于焊接過程是特殊的工藝過程，通常需要從焊接操作者資質(zhì)、焊材、焊接工藝性、坡口加工方式、拼裝質(zhì)量、焊縫要求（比如全焊透焊縫）、焊接過程溫度控制，焊接后去應(yīng)力熱處理等等方面關(guān)注控制。所有焊縫需要進行滲漏試驗檢測確保不漏油。

如果過程中發(fā)現(xiàn)缺陷，通常需要和監(jiān)造人員工溝通，一般可采取徹底清除缺陷部位后補焊處理。需要注意的是，補焊完成后，需要對補焊周圍區(qū)域重新進行全覆蓋的無損探傷檢查，確保符合要求。

由于大型軋機齒輪箱中箱體的重量大，尺寸大的特點，精加工完成后，通常會遇到無法離線上三坐標(biāo)計量檢測的情況。這種情況下通常采用在機床上檢查，確保符合圖紙要求。重點關(guān)注各組軸承孔的尺寸精度，形位公差的符合性。

三、裝配的過程淺述

裝配是齒輪箱加工制造的重要一環(huán)，也是達(dá)涅利和西馬克的監(jiān)造人員重點關(guān)注的環(huán)節(jié)。在所有零部件全部加工完成后，應(yīng)參照圖紙并核實各零部件的最終檢測報告，確保合格后再進入到裝配環(huán)節(jié)。投裝后的零部件的先要符合清潔度后，再開始進行裝配過程。

裝配過程中，需要把軸承安裝到相應(yīng)的軸上，需要關(guān)注軸承徑向和軸向游隙的符合性。在檢查齒輪側(cè)隙前，需要確保齒輪箱的水平位置，測量側(cè)隙是否符合圖紙要求。對于齒輪接觸斑點的檢查也是十分重要，按照圖紙要求和標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)涅利和西馬克傾向于用藍(lán)油作為接觸斑點檢查印記，圓周范圍內(nèi)至少做3組，并把接觸印痕拍照或有透明膠帶拓印留存，接觸斑點的位置、有效面積、占比都需要符合規(guī)定要求。

對于大型軋機齒輪箱，為了補償裝配后反應(yīng)到齒輪副上的綜合誤差，通常會采用偏心套機構(gòu)[2]。在裝配過程中對偏心套調(diào)整并在調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)時，用銷軸固定位置。此處關(guān)于偏心套的偏心量何時確定并不統(tǒng)一，達(dá)涅利一般是要求齒輪件和箱體加工測量得到數(shù)據(jù)后再計算給出偏心量，西馬克并非如此。

裝配好合箱前需要檢查齒輪箱內(nèi)部的清潔度，對內(nèi)部油漆檢查，對噴油嘴位置、方向的檢查，檢查油管及各噴嘴是否暢通，檢查螺栓防松是否到位等等。

合箱后把齒輪箱在試驗區(qū)域安裝固定好，并與測試電機連接。需要進行空載試車檢查。試車前先檢查潤滑系統(tǒng)，通潤滑油后保持一段時間，確認(rèn)各儀表信號是否正常。按照試車要求逐步提升轉(zhuǎn)速，這個過程中需要關(guān)注軸承溫度并記錄，只有軸承溫度穩(wěn)定后才能提速，軸承溫度不能過高于進油溫度。達(dá)到最高轉(zhuǎn)速后，一般要連續(xù)試驗1個小時，過程中關(guān)注溫度和流量變化情況。在試車過程中，需要檢查齒輪箱的密封情況即是否有滲漏油的情況，檢查齒輪箱的振動情況是否符合要求，檢查齒輪箱的噪音情況是否符合要求。試車結(jié)束后檢查過濾器的情況是否無異常。

各環(huán)節(jié)都無異常符合要求后，進行外觀油漆和包裝，以及運輸發(fā)貨。對于大型軋機齒輪箱，最終裝配的重量可達(dá)100多噸，需要提前規(guī)劃運輸方案和運輸路徑，防止超重限高等情況的發(fā)生。例如，西馬克裝配車間有火車鐵軌，對齒輪箱包裝后可直接到通過火車運輸，其曾經(jīng)制造過超過260噸的齒輪箱。

四、結(jié)語

通過對大型軋機齒輪箱的齒輪件、箱體和裝配過程中加工要點的簡述，以及結(jié)合達(dá)涅利和西馬克的一些獨到加工要點的梳理，期望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員有一定的參考及借鑒作用。

參考文獻：

[1]宋德春.三大國際知名冶金服務(wù)商發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國鋼鐵業(yè)，2021（10）：4.

[2]汪葉蘭.板材齒輪箱中偏心套設(shè)計和應(yīng)用[J].機械制造與自動化，2012，41（4）：3.