风电齿轮箱内齿圈加工工艺研究与优化

庞晓丽

(太原重型机械集团，山西 太原 030024)

0 引言

随着我国风电建设的高速发展，风电设备制造业的投资热情空前高涨，市场竞争也更加激烈，特别是大容量的兆瓦级大型风力发电机组，更是获得了市场的热烈追捧。而兆瓦级风电齿轮箱大多采用的是多级行星结构，内齿圈的数量相对较多，因此内齿圈既要保证满足设计精度要求，又需降低生产成本、提高生产效率，这样产品才能具有市场竞争力。本文研究了3 MW风力发电机组42CrMoA内齿圈去应力退火后齿部的变形情况[1]，并对内齿圈的工艺进行了优化改进。通过加工工艺的优化，达到了节约成本、提高效率的目的。

1 传统的加工工艺

3 MW内齿圈材质为42CrMoA，氮化后最终基体硬度为HB290～HB310，齿部氮化层深度≥0.65 mm，硬度>600HV，由零件图分析可知，该零件的关键部位是齿部，齿部精度要求6-6-6，齿部粗糙度要求Ra0.5。内齿圈参数如表1所示。

表1 内齿圈参数

对图纸及技术要求进行分析可知，由于内齿圈零件尺寸大，半精加工时需去掉大部分余量，这样会产生较大的机加工应力，需进行去应力退火[2]，将加工应力释放出来，再进行精铣齿，最后进行磨齿，保证零件齿部精度满足图纸要求。因此，制定如下加工工艺：毛坯(探伤)—粗铣齿—调质—半精加工—半精铣齿—去应力退火—抛丸—精加工—精铣齿—磨齿—氮化。

2 工艺研究及数据分析

为了分析齿圈铣齿后去应力退火对齿部的影响，针对该零件，此次采用NILES磨齿机对齿圈去应力退火前、后齿部进行余量分配(每隔4齿，检测齿部余量)，分析齿面余量情况。

2.1 齿圈半精铣齿后检测数据分析

用磨齿机对3 MW内齿圈半精铣齿后，在去应力退火前对齿部进行余量分配。图1为利用NILES磨齿机得到的第1齿、第5齿、第9齿和第13齿的去应力退火前齿部余量分配图，图中左半部分为左齿面余量检测结果，右半部分为右齿面余量检测结果。图1可以显示整个齿宽方向齿部余量分布情况，同时将检测的最大余量与最小余量以数据形式显示出来。

图1 去应力退火前齿部余量分配图

根据余量分配结果，汇总得到左齿面余量分配数值和右齿面余量分配数值，如表2和表3所示。

根据表2和表3中数据可以得出：零件半精铣齿后进行余量分配，左齿面最小余量为1.089 mm,最大余量为1.375 mm；右齿面最小余量为1.125 mm，最大余量为1.431 mm。由此可见，左齿面余量极差为0.286 mm,右齿面余量极差为0.306 mm，要将零件齿面加工见亮，公法线磨削至少0.60 mm。

表2 去应力退火前左齿面余量分配数值表

表3 去应力退火前右齿面余量分配数值表

2.2 去应力退火

内齿圈在半精车、半精铣齿时，由于切削量大，产生了较大的机加工应力，需进行去应力退火，制定此零件退火工艺为：以60 ℃/h的速度升温至500 ℃，保温2 h，再升温至530 ℃～540 ℃，保温6 h，最后缓慢冷却至室温，以消除残余应力。设置升温速度及保温台阶的目的是使合金钢内外加热速度相同，减小升温时热应力的影响，防止温度过冲。

2.3 内齿圈去应力退火后检测数据分析

内齿圈去应力退火后，以齿部为基准，以齿部两端节圆棒找正，对角找正允差≤0.03 mm，精加工外圆与基面找正带，然后去同一磨齿机进行余量分配(与退火前分配相同的齿数)，根据余量分配图汇总数据，得到左齿面余量分配数值和右齿面余量分配数值，如表4和表5所示。

表4 去应力退火后左齿面余量分配数值表

表5 去应力退火后右齿面余量分配数值表

从表4和表5中数据可知：零件在去应力退火后进行余量分配，左齿面最小余量为1.116 mm,最大余量为1.410 mm；右齿面最小余量为1.052 mm，最大余量为1.427 mm。由此可见，左齿面余量极差为0.294 mm,右齿面余量极差为0.375 mm，要将零件齿面加工见亮，公法线磨削需要约0.80 mm。

3 总结及应用

3 MW内齿圈在去应力退火前后，通过磨齿机进行余量分配，检测齿部变形情况，得出一系列数据，并对数据进行了分析，最终可以得出去应力退火对内齿圈齿部变形影响较小。基于该研究结果，对内齿圈的加工工艺进行了优化，取消了去应力退火后齿圈的精铣齿工序，适当增加磨齿余量(根据模数大小调整)，同时在半精加工时对零件非配合面外圆部位直接加工到位，精加工时不再进行加工，优化后工艺如下：毛坯(探伤)—粗铣齿-调质—半精加工—半精铣齿—去应力退火—抛丸—精加工(不加工外圆)—磨齿—氮化。

该优化的加工工艺已经在同规格及更大兆瓦级齿轮箱内齿圈的加工中得到了应用，既减少了精加工时间，节约了刀具损耗费用，又省去了精铣齿装夹找正工作，减少了机床占用，降低了内齿圈零件的加工成本，提高了加工效率，为大兆瓦级齿轮箱多级齿圈的批量加工奠定了基础。