机车焊接齿轮箱整体退火工艺的探讨—齿轮箱裂纹分析及解决方案

赖志刚，刘平安，史小恒，

（1.江西制造职业技术学院，南昌 330095；2.华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013）

0 引言

合理的工艺路线对产品的质量起着关键作用，同样的工序和工艺方法，采用不同的工艺流程，有时会起到预想不到的效果，因此工艺路线的制定对产品质量的保证具有至关重要的意义，有时会克服产品制造的工艺难点，解决产品的质量问题。本文通过对机车齿轮箱的工艺路线的合理调整，解决了齿轮箱的裂纹问题，为科学合理地制订零件工艺路线提供了一个很好的例证，具有启发和借鉴意义。

1 背景介绍

长期以来，机车齿轮箱的漏油问题困扰着几乎每个机车生产厂家，常常因为齿轮箱的漏油问题，给厂家造成大量的返修，同时也大大缩短了齿轮箱的寿命，致使每年光这一项返修费用就可能高达几十万元，主要原因是齿轮箱局部裂纹造成齿轮箱的漏油。

另一方面，由于焊接齿轮箱的特殊结构，其变形很难控制，特别是在加工的各个工序的装夹也会引起尺寸的变化，常常出现安装位置的孔偏等问题，影响齿轮箱的装配和安装，造成齿轮箱的标准化程度低，制约了齿轮箱的通用性和标准化。

针对此长期以来的无法从根本上解决的惯性质量问题，大同电力机车公司领导组织专门的技术人员对这一产品质量问题进行分析、排查，查找零件质量缺陷的根本原因。在公司领导的支持和技术中心设计部门的主导下，通过潜心研究，深入调查，最终提出了新的工艺方案，从根本上解决了机车齿轮箱由于焊接裂纹导致漏油的质量问题。

2 分析研究

在分析原因之前，先介绍一下机车齿轮箱的结构和简单的制造过程。

2.1 机车齿轮箱结构介绍

机车齿轮箱是为防止灰尘等杂物进入齿轮，同时为给机车齿轮提供润滑油以保护齿轮的箱体。机车齿轮箱主要分焊接结构和铸造结构两种，目前包括几乎所有焊接机车齿轮箱遵守着同样的工艺路线，只是因车型的不同在有些尺寸上有差异而已。本文所提及的齿轮箱是焊接结构的齿轮箱，以ss7c型机车齿轮箱为研究对象进行介绍。

机车齿轮箱主要由上箱和下箱组成，上箱和下箱结构类似，只是下箱有油量检查盒，而上箱没有，却比下箱多出排气管。

齿轮箱上箱如图1所示，主要由侧板、顶板、大领圈、小领圈、螺座二、耳座和排气孔焊接而成。

齿轮箱下箱如图2所示，主要由侧板、顶板、大领圈、小领圈、螺座一、耳座和油量检查盒焊接而成。

图2 齿轮箱下箱

上、下侧板采用5mm厚的薄板，为齿轮箱的主要框架，其它小部件都焊接在侧板上，因此形成了齿轮箱薄板焊接而焊缝较多的特殊的箱型结构。

2.2 齿轮箱原有工艺介绍

2.2.1 齿轮箱工艺介绍

先将侧板和领圈放在组焊台上进行组对，接着组对顶板（低板），半箱组焊完毕进行半箱退火，然后加工合箱面，最后将上箱和下箱用螺栓把紧，进行领圈和安装座的加工。

2.2.2 工艺路线

齿轮箱半箱焊接→半箱退火→铣合箱面合箱→整箱镗领圈孔→组焊齿轮箱各螺座→铣螺座端面→加工螺座螺纹→检验。

齿轮箱最关键的要求，就是确保齿轮箱不漏油，因此最后还要做渗漏试验，检验其气密性。

2.3 原因分析

我们对现有齿轮箱的检查发现，所有的齿轮箱裂纹主要发生在齿轮箱的螺座的焊接处和周围。为解决此问题，我们从以下几方面来分析得出了齿轮箱裂纹的原因。

首先从齿轮箱的受力来分析裂纹产生的外因，由于齿轮箱本身悬臂在机车轮对上，在自身重力作用，再加上机车在运行过程中的振动载荷影响，造成齿轮箱的裂纹。

其次是齿轮箱特殊的焊接结构，通过前面对齿轮箱结构的介绍，因为齿轮箱是由薄板焊接而成的箱型结构，容易变形，加上焊缝比较多，造成焊接后的焊接应力比较大。

最后本身的工艺路线存在缺陷，因为机车齿轮箱的螺座位置是齿轮箱与电机连接的唯一支承，也就是说机车齿轮箱重量的绝大部分要传递给螺座，而在工艺上却存在严重的违背焊接件加工必须退火的基本原则，而焊接齿轮箱的工艺中却违背了这一条，就是齿轮箱焊接完落座后，为进行焊接应力的消除而进行螺座端面的加工。

3 方案的制定及试验

3.1 制定工艺方案

通过以上分析和现场实际调研，我们开始从改变齿轮箱现有工艺为突破点展开了工作，通过认真分析研究，最后制定出了以下的解决方案。

ss7c型机车齿轮箱整箱如图3所示。

图3 齿轮箱整箱

工艺方案决定在现有的工艺方法不变的情况下对原有工艺路线进行改进，工艺改进后的工艺路线：

齿轮箱半箱焊接→铣合箱面→合箱→整箱镗领圈孔→组焊齿轮箱各螺座→整体退火→加工螺座螺纹→检验。

改进后工艺路线看似大致相同，其实却有本质的区别，最根本的就是后一种路线解决了机加工后不再有焊接工序的问题，即避免了前一工序由于焊接螺座而产生的焊接应力，因为它的焊接螺座的工序在退火前已经完成。

另外，由于齿轮箱是薄板焊接而成的箱型结构，致使容易变形，而对于整体退火后加工螺座，不仅解决了原来焊接螺座后加工前未退火的问题，而且整体退火加工有利于螺座加工尺寸的保证，减少了齿轮箱安装不上的问题。

3.2 试验

实验数据的记录，在齿轮的基本要求中，最关键的一条就是不能漏油，因此对齿轮箱的合箱面（上、下箱的结合面）的要求很高，其次要求半箱两侧板内侧距离偏差不能超过±1mm，表1为齿轮箱上、下箱结合面间隙尺寸和半箱两侧板内侧距离实验数据。

表1 实验数据

通过对五个齿轮箱的尺寸的测量，均能满足图纸要求，因此证明这种工艺方法是可行的。然后对其它车型也进行了类似的试验，均能满足要求。

3.3 实际效果

通过此工艺的改进，机车齿轮箱的裂纹问题得到了有效解决，提高了齿轮箱的使用寿命，为公司挽回了经济损失，同时为齿轮箱的标准化、产品化做出了贡献。最后所有的机车焊接齿轮箱使用了整体退火的工艺方案，解决了类似问题，得到公司的认可和奖励。

4 工艺难点和启示

4.1 工艺的难点

1）工艺概念的突破，因为此工艺改进应用了同一工艺焊接件加工前需退火理论的两个矛盾方面，在加工半箱合口面时恰好焊接件没有消除应力就加工，违背了焊接件加工前需进行去应力处理的基本原则，而在后面的螺座加工时却是专门为符合这一原则而特意改变了工序，因此往往会让人首先排除这种做法。

2）对于合口面未进行热处理就加工，往往会损坏刀具，另外怕加工完的合口面不能满足要求，因为齿轮箱的合口面的间隙要求不能超过0.02mm,否则就会漏油，因此作为工艺人员觉得技术上可能行不通，就排除此工艺方法。

4.2 启示

1）作为一名合格的工艺工程师，一定要面对具体问题进行深入细致的研究，不要想当然的从一开始就下结论，否定某种工艺方法，有时可能所否定的正是解决问题所要的正确方法。

2）作为一名合格的工艺工程师，一定要善于分析问题，不要被定势思维所左右，要抓住所要解决问题的核心，不要停留在表面，将理论知识与实践相结合进行判断分析。

5 结论

1）通过此次工艺改进达到了图纸要求,从根本上消除了齿轮箱裂纹的产生,省去了返修费用；

2）整体退火加工有利于螺座加工尺寸的保证，提高了齿轮箱的标准化率和齿轮箱的产品化、市场化；

3）此次工艺的改进从技术上突破了机车焊接齿轮箱从设计生产以来半箱焊接退火的工艺上的缺陷,具有创新意义，解决了长期以来的工艺惯性问题；

4）从工艺学的角度，应该综合考虑影响产品质量的各方面因素，有时甚至需要牺牲某个工序的成本来满足别的比较难保证工序的完成。

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