齿轮磨削凸台的分析与处理

摘 要： 针对风力发电机组齿轮箱齿轮磨齿后产生凸台的情况进行分析，查找可能造成磨削凸台的因素，从改进刀具、调整预留变形量、控制滚齿余量、选择合适的加工设备等方面入手，综合考虑各方面工艺，解决齿轮出现磨削凸台的问题。

关键词： 风电齿轮箱；磨削凸台；一级行星轮0 前言

风电齿轮箱是风力发电机组机械动力传递的核心装置，由于其安装及使用环境的复杂性和特殊性，齿面承受交变载荷的影响，决定了风电齿轮箱必须安全可靠，经久耐用。

鉴于风电齿轮箱运行中的载荷及转速具有复杂多变等随机性特征，其齿轮材料普遍采用高等级的优质齿轮钢，齿轮的齿廓和齿向进行了适当的修形处理，内齿圈、外齿轮采用斜齿轮传动，并应用调质、渗碳淬火及磨削工艺。

在风电齿轮箱齿轮的制造过程中，发现部分渗碳淬火行星齿轮在磨齿后齿根产生磨削台阶，如图1和图2所示。

齿根磨削台阶会造成严重的应力集中现象，从而大大地削弱齿根弯曲疲劳强度。本文从几个方面分析齿根磨削台阶产生的原因及处理方法，确保风电齿轮20年的使用寿命。

1 磨削台阶产生的原因

尽管行星轮在滚齿的时候，采用了全圆弧留磨滚刀，但是因为种种原因，在磨齿后仍然会产生磨削凸台。经过查阅文献，造成齿轮磨削台阶的因素主要有以下几种：

1.1 磨前滚刀设计不合理

磨前滚刀的设计需考虑的几个因素：凸起量δ；齿顶圆角R；刀齿有效高度。这几个因素是相辅相成的，滚刀齿顶圆角R需要保证滚齿以后的齿根圆角达到0.3Mn；凸起量δ要保证磨齿后能消除滚齿和渗碳变形造成的误差；刀齿有效高度既要保证齿形的全齿高度，又要保证齿面的展开长度。预加工齿形根部圆弧起始点的位置取决于触角长度h2，而凸起量δ应为单侧留磨余量与沉割深度之和。若沉割深度取值过小，会造成预加工齿形齿根沉割深度过浅，从而在磨齿时齿根产生台阶。图片1中齿根的凸台，就是这种情况。

1.2 实际留磨余量偏大

由于预计到热处理变形较大而加大齿形滚齿时的留磨余量；或是由于齿轮渗碳淬火后尺寸胀大，使得实际留磨余量大于磨前滚刀设计时给定的留磨余量，会造成预加工齿形切深减小，致使沉割起始点的位置上移，使得磨前预加工出的齿根与磨齿后的最终齿形的相对位置发生变化，齿根突出而产生台阶。如图2所示。

1.3 渗碳齿轮的热处理畸变

齿轮的热处理畸变是齿轮在热处理过程中其应力高于齿轮材料的屈服强度使齿轮发生了不可逆转的塑变，应力主要有三种：1）热应力；2）组织应力；3）外来残余应力。生产工件的最终畸变并不是完全由热处理淬火引起，淬火工序只不过释放了潜在的畸变因素，这些引起畸变的潜在因素在生产的各个工序中逐步积累并最终在淬火后体现出来，主要包括齿轮结构设计、材料、锻造、预处理、机械加工及渗碳淬火工艺等因素。

2 减小齿轮磨齿后齿根产生磨削台阶的改进措施

2.0MW风电齿轮箱的一级行星轮是渗碳淬火齿轮，模数16、齿顶园直径700mm、齿宽360mm、压力角20°、螺旋角7°、齿轮精度DIN39625级精度。滚齿时采用全圆弧留磨滚刀，原滚刀参数为：凸起量δ=0.6mm，单侧留磨余量=0.36mm，沉割深度为0.24mm。在前面的图一及图二中出现的齿根凸台就是一级行星轮在磨齿后产生的，按照我们分析产生的原因，除了考虑控制渗碳淬火工艺，减小齿轮畸变，通过优化工艺参数和工艺过程，使每个细节都得到控制，做到定人、定设备、定工艺、将渗碳齿轮的热处理畸变减小到最低程度。

我们将根据磨削凸台产生的另外几个主要因素制定出几个方面的解决措施。

2.1 合理设计磨前滚刀

改进措施：适当增加磨前滚刀的触角高度值，增加预加工齿形齿根沉割深度。但是要注意，如果磨前滚刀的触角高度值过大，造成预加工齿形齿根沉割深度过深，就会产生根切。

2.2 修正螺旋角预留变形量

根据齿轮热处理畸变规律，调整机械加工预留变形量，使热处理后的齿轮尺寸符合技术要求，如大型齿轮渗碳淬火后“左旋向左、右旋向右”的规律，正是斜齿轮渗碳淬火后齿向的变形规律，于是就可以根据这种变化，调整机械加工的螺旋角，使热处理后的螺旋角符合要求。一级行星轮的螺旋角7°，根据磨齿后整个齿向齿根的情况，我们发现磨削凸台大多是一端浅、另一段深一些，因此，我们将滚齿的加工螺旋角减少了1分，这样通过预留变形量，控制了磨削凸台的产生。

2.3 控制滚齿余量减小齿轮畸变

模数16的一级行星轮滚齿一般分三次走刀，我们在最初滚齿时发现，厂家在滚齿时第二刀的留量比较随意，没有严格控制。实践证明，控制滚齿时第二刀的留量，对减少切削应力、去除积屑瘤、改善渗碳淬火变形都有好处。在滚齿第二刀时，我们要求余量最多留1mm。在第三刀精滚时，一定严格按照公法线留量的要求执行，同时，在最后精滚齿前，检查滚齿刀的刀刃是否磨损，对滚刀及时修磨。

2.4 控制滚齿机床的刚度和精度

在加工一级行星轮的厂家现场，我们发现有一台滚齿机是前苏联生产的，距今已有20多年，最大滚齿模数为12mm，最大加工直径1000mm，因为一级行星轮的模数为16，已经超过了滚刀架上滚刀的安装范围，所以，滚齿加工厂家进行了改造，但是从滚齿后一级行星轮齿面的效果来看，齿面粗糙度极差，明显是机床刚性不够所致，这样的齿轮将存在大量的切削应力，同时，齿向误差、齿距累积也难以保证，这将对以后的磨齿凸台的产生造成影响。在发现问题后。我们更换了滚齿厂家，选择刚性好、精度高、满足切削参数的滚齿设备，从设备加工上消除了产生影响磨齿凸台的因素。

3 结论

正如图3所示，通过改进刀具、调整预留变形量、控制滚齿余量、选择合适的加工设备等方面及严格监控齿轮的材料和热处理工艺，2.0MW风电齿轮箱的一级行星轮磨齿后的齿根台阶得到消除，这不仅满足了风电齿轮箱设计的要求，同时也符合风电齿轮批量制造的需要。

参考文献：

[1]重载齿轮加工，《齿轮手册》，机械工业出版社，2000，9.

[2]孙铭炎，渗碳齿轮的热处理畸变及其控制技术，热处理，2008，23（3）.

[3]李宝奎，渗碳淬火齿轮畸变控制技术的研究现状[J].金属热处理，2006，31（12）：6.