風(fēng)電齒輪箱內(nèi)螺紋圓柱銷工藝優(yōu)化

孫兆鋒，張海軍

（1.中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213000；2.創(chuàng)買(mǎi)工業(yè)科技（上海）有限公司，上海 201900）

1 產(chǎn)品概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)械部件，其主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速[1]。中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司的風(fēng)電齒輪箱也有10多年的設(shè)計(jì)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并在各大風(fēng)場(chǎng)有成熟的運(yùn)用業(yè)績(jī)，其主要有1.5 MW、1.65 MW、2 MW、2.5 MW、2 MW半直驅(qū)等風(fēng)電齒輪箱產(chǎn)品。如圖1所示的2.5 MW風(fēng)電齒輪箱。

2 問(wèn)題描述

作為風(fēng)電齒輪箱中涉及到產(chǎn)品安全的連接件-內(nèi)螺紋圓柱銷，產(chǎn)品采用GCr15鋼，該材料是一種合金含量較少、性能良好、應(yīng)用廣泛的高碳鉻軸承鋼。經(jīng)過(guò)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(qiáng)度的機(jī)械零件及各種精密量具冷沖模等[2]，本內(nèi)螺紋圓柱銷使用工況具有以上特點(diǎn)。該產(chǎn)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(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司在對(duì)該產(chǎn)品（規(guī)格Φ40×120）進(jìn)行入廠驗(yàn)收時(shí)，發(fā)現(xiàn)近期連續(xù)幾批次產(chǎn)品的硬度和表面脫碳存在超差的情況。

3 原因分析

3.1 產(chǎn)品要求

GCr15鋼原材料須符合GB/T 18254的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。產(chǎn)品進(jìn)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(nèi)螺紋圓柱銷外圓表面脫碳層深度單邊不大于0.03 mm，在對(duì)近幾批供方送貨的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)表面硬度和脫碳存在超差的情況，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 硬度及脫碳層檢測(cè)結(jié)果

3.2 可能原因梳理

對(duì)影響該產(chǎn)品硬度和脫碳層的主要因素采用因果圖（魚(yú)刺圖）原因分析，在熱處理人員、原材料、生產(chǎn)工藝（包括熱處理、加工工藝）、硬度測(cè)量設(shè)備等環(huán)節(jié)進(jìn)行分解，原因分析因果圖見(jiàn)圖3。

人員：經(jīng)過(guò)對(duì)熱處理作業(yè)人員進(jìn)行確認(rèn)，人員未發(fā)生變動(dòng)，此要素排除。

原材料：對(duì)該產(chǎn)品原材料進(jìn)行分析，材料成分滿足GB/T 18254的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，具體如表2所示。

表2 GCr15成分測(cè)量結(jié)果 %

且原材料脫碳層在中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司規(guī)定的“表面脫碳層深度單邊應(yīng)不大于0.6 mm”范圍內(nèi)，此要素排除。

生產(chǎn)工藝：熱處理工藝，該產(chǎn)品的熱處理工藝為淬火+回火，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格、熱處理爐型號(hào)、裝爐量等實(shí)際要求，設(shè)定的熱處理?xiàng)l件如下：熱處理設(shè)備為普通箱式爐，過(guò)程參數(shù)設(shè)定為淬火-溫度800～850℃、保溫時(shí)間為2 h左右，回火-溫度為150～170℃，保溫時(shí)間為15 min左右。

經(jīng)過(guò)對(duì)該產(chǎn)品的熱處理工藝中的加熱溫度、加熱時(shí)間等進(jìn)行確認(rèn)，符合設(shè)置的工藝要求。

但在對(duì)該熱處理爐進(jìn)行保護(hù)氣氛測(cè)定時(shí)，保護(hù)氣氛未達(dá)到規(guī)定的要求，導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)脫碳的現(xiàn)象，表面硬度降低。此要素為該問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因之一。

該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝為：下料→車(chē)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(chǎn)品的成品外徑要求為Φ40P6，在材料的選擇時(shí)，選用Φ40.5 mm外徑的材料，由于材料本身的脫碳層可能達(dá)到單邊0.6 mm，在經(jīng)過(guò)下料、車(chē)加工及磨加工等工序，產(chǎn)品尺寸達(dá)到Φ40P6要求時(shí)，其表面的脫碳層遠(yuǎn)超過(guò)0.03 mm的標(biāo)準(zhǔn)，加之熱處理脫碳導(dǎo)致其脫碳層加深，脫碳層檢測(cè)超標(biāo)，硬度超差。此要素為該問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因之一。

測(cè)量設(shè)備：通過(guò)雙方在硬度測(cè)量設(shè)備方面的對(duì)標(biāo)，測(cè)量設(shè)備一致。

導(dǎo)致產(chǎn)品的硬度和表面脫碳存在超差的根本原因有：熱處理設(shè)備的保護(hù)氣氛未達(dá)到規(guī)定的要求和材料的選用規(guī)格不合適。

4 改善措施

針對(duì)導(dǎo)致該產(chǎn)品的表面脫碳層及硬度超差的根本原因，后續(xù)改善措施有：對(duì)于熱處理設(shè)備的保護(hù)氣氛進(jìn)行定期檢測(cè)，確保滿足產(chǎn)品熱處理表面脫碳的要求；材料選用時(shí)，采取Φ42的原材料，留夠一定的加工余量，通過(guò)車(chē)加工，去除材料本身的脫碳層，再通過(guò)磨加工，能夠保證降低熱處理后表面的脫碳現(xiàn)場(chǎng)，滿足產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)要求。通過(guò)改善后，其產(chǎn)品的相關(guān)性能見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)后產(chǎn)品硬度及脫碳層檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司風(fēng)電齒輪箱用內(nèi)螺紋圓柱銷在熱處理人員、原材料、生產(chǎn)工藝（包括熱處理、加工工藝）、硬度測(cè)量設(shè)備等方面進(jìn)行分析，尋求出現(xiàn)產(chǎn)品表面硬度及脫碳層超差的根本原因?yàn)闊崽幚碓O(shè)備保護(hù)氣氛及材料選用的問(wèn)題，對(duì)改進(jìn)后的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果滿足中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司相關(guān)要求。