一、精軋機大傾角鼓形齒主軸
帶鋼熱軋精軋機的主軸根據(jù)聯(lián)軸器形式，主要有十字萬向軸式和鼓形齒式兩種，十字萬向軸式的主軸能夠適應(yīng)更大的主軸傾角，鼓形齒聯(lián)軸器能夠傳遞更大扭矩，且使用壽命長、維修成本低，但主軸的工作傾角超過 2°，鼓形齒接軸的承載能力將大幅度下降。這限制了鼓形齒接軸在大工作傾角度條件下的應(yīng)用。隨著軋制鋼種的不斷升級，對軋制力和主軸傾角同時提出了更高要求，為了適應(yīng)這一變化趨勢，目前一些國外主軸制造商已經(jīng)開發(fā)出能夠在大傾角工況下使用的鼓形齒聯(lián)軸器，德國西馬克公司率先研發(fā)了大傾角鼓形接軸( 最大帶載工作傾角為 3. 5° ) ,并成功應(yīng)用于德國 Salzgitter 鋼廠，其 F1 和 F2 機架主軸的最大帶載工作傾角達到了 2. 4° 。
某帶鋼熱連軋精軋機使用交叉頭控制板型 ,導(dǎo)致主軸扁頭套使用過程中的位移量和偏轉(zhuǎn)角度變化較大，因此在產(chǎn)線設(shè)計初期選擇了十字軸式的主軸，出于對高強鋼、超薄鋼的軋制需求，現(xiàn)場將 F1、F2 兩個機架的主軸改為了鼓形齒主軸，采購進口件 。進口鼓形齒對詳細的齒形信息保密且價格較為昂貴，導(dǎo)致鼓形齒維護工作困難、成本高，為了縮短采購周期、降低使用成本 ,某熱軋廠進行了鼓形齒國產(chǎn)化試制，請國內(nèi)重型機械制造廠家測繪了進口扁頭套的主要尺寸和鼓形齒內(nèi)齒齒形，以此為依據(jù)制作了備件，但上機使用數(shù)小時后發(fā)現(xiàn)鼓形齒處的溫度異常高，隨即緊急停機更換了主軸 ,異常發(fā)熱的國產(chǎn)化扁頭套經(jīng)過解體發(fā)現(xiàn)，扁頭套的鼓形齒內(nèi)齒位置有明顯的發(fā)黑碳化痕跡，說明停機前溫度極高，如圖 1a) 所示 ,鼓形齒外齒則能夠看 到明顯的磨損和膠合痕跡 ,如圖 1b) 所示。
為了分析鼓形齒損壞的根本原因 ,尋找國產(chǎn)件與進口件的差別,本文首先設(shè)計了一套未知參數(shù)齒形和精度的測量方法，并測量對比了國產(chǎn)和進口鼓形齒的齒形和精度，隨后引申討論了鼓形齒的后期修復(fù)問題，探討了激光堆焊修復(fù)過程引起的鼓形齒內(nèi)齒圈變形問題,解析了修復(fù)引起內(nèi)齒圈變形的原因，提出了修復(fù)過程的變形控制方法 ,并在實際應(yīng)用中驗證了該方法的可行性。
二、鼓形齒齒形參數(shù)及精度檢測
分別測量了國產(chǎn)鼓形齒內(nèi)齒套和進口鼓形齒內(nèi)齒套的齒形參數(shù)及加工精度 ,以分析國內(nèi)外鼓形齒在設(shè)計理念和制造精度兩方面的差異。測量工作借助齒輪測量中心進行，國產(chǎn)鼓形齒以測繪圖紙上的參數(shù)為準(zhǔn)，主要包括模數(shù)、壓力角、直徑等，如表 1 所示 ,并以該參數(shù)為基準(zhǔn)測量齒的制造精度;進口鼓形齒未提供具體齒形參數(shù)，通過反復(fù)測量及擬合修正獲得最為接近的齒形參數(shù)，過程如下：首先試用齒輪測量中心測量主要齒形參數(shù)，隨后根據(jù)得到的結(jié)果，在不改變基圓的情況下，修正模數(shù)和壓力角的小數(shù)部分，得到數(shù)值較為合理的齒形參數(shù)，認為是設(shè)計參數(shù);將修正后的齒形設(shè)計參數(shù)輸入齒輪測量中心，再次檢測進口鼓形齒，從而獲得現(xiàn)有齒形參數(shù)和制造精度。
經(jīng)過測量，進口件的齒形參數(shù)與國產(chǎn)鼓形齒存在明顯差別，主要體現(xiàn)在模數(shù)和壓力角上，進口件的模數(shù)和壓力角的取值均大于國產(chǎn)件，尤其是壓力角的差異會導(dǎo)致齒面受力區(qū)域和應(yīng)力值的變化，導(dǎo)致油膜難以建立進而引發(fā)本次燒損事故。進一步的，測量了兩種鼓形齒的制造精度，主要測量齒形、齒向精度和周累精度 。齒形精度測量結(jié)果如圖 2(a) (b) 所示 , 國產(chǎn)鼓形齒的齒形精度為 10 級(國產(chǎn)鼓形齒測繪圖紙上要求制造精度達到 6 級)，進口鼓形齒的齒形精度為 4 級;齒向精度測量結(jié)果如圖 2(c) (d) 所示 , 國產(chǎn)件為 9 級 ,進口件為 4 級;周累誤差測量結(jié)果如圖 2(e) (f) 所示，周累精度為 9 級，周累精度為 6 級。從測量結(jié)果可知，國產(chǎn)的制造精度均低于圖紙要求的 6 級，也顯著低于進口的制造精度 ,根據(jù)各類軋機上鼓形齒主軸的使用經(jīng)驗，制造精度差同樣會引起鼓形齒的異常磨損甚至燒損。進口鼓形齒的制造精度在 4 ~ 6 級之間，因此其圖紙要求的精度應(yīng)當(dāng)為齒形和齒向精度 4 級，周累精度 6 級，略高于國產(chǎn)圖紙要求。
三、扁頭套修復(fù)引起的鼓形齒變形及控制方法
扁頭套修復(fù)工藝及變形量化
扁頭套的扁勢面在傳動時主要承受正壓力，換輥時主要承受切向摩擦力，長時間使用后發(fā)生顯著磨損需要通過堆焊恢復(fù)尺寸，并恢復(fù)表面硬度。某熱軋廠常用的修復(fù)手段為激光堆焊，過程為：首先機加工去除扁勢面疲勞層，然后使用激光堆焊恢復(fù)尺寸，最后機加工至圖紙尺寸，并對表面進行滲碳淬火處理恢復(fù)硬度。扁勢面滲碳淬火層的厚度≥2mm，硬度要求為 HRC57- 62，因此在去除疲勞層時，難以直接使用機床加工，通常需要先入爐進行消應(yīng)力退火處理，降低表面硬度、改善加工性能。在消應(yīng)力退火的實操過程中觀察到，扁頭套及鼓形齒處積累的殘余應(yīng)力釋放，引起結(jié)構(gòu)發(fā)生橢圓變形，尤其是壁厚最薄的鼓形齒處，橢圓趨勢最為明顯。
為了定量測量鼓形齒內(nèi)齒圈的變形程度，設(shè)計了如圖 3 所示的測量工裝。選擇兩根直徑為 20mm 左右的金屬棒材，分別放置在第 n 和 n+20 個齒間隙內(nèi)，隨后使用夾鉗將棒材緊緊地固定在鼓形齒齒面上，此時使用卡尺測量兩個棒材外徑間距，并不斷調(diào)整卡尺方位，直至測量到最大的外徑間距，根據(jù)奇數(shù)齒和偶數(shù)齒可以選擇多種不同的測量方案，圖3(a) (b) 共提供了三種不同的測量方案，圖 3(c) 為測量鼓形齒內(nèi)徑 d2 時的實操圖。選擇以上任意一種測量方案，并在每個界面上測量四個不同角度的內(nèi)徑，分別測量 0°，45°，90°，135°的鼓形齒內(nèi)徑，如圖 4(a) 所示，通過比較四個內(nèi)徑的數(shù)值差距可以得到鼓形齒內(nèi)齒橢圓變形的程度，另外為了反映不同壁厚度處的變形程度，分別選擇了三個測量截面如圖 4(b)所示 。為了使測量結(jié)果具有橫向?qū)Ρ纫饬x，需要保證多次測量選擇相同尺寸的金屬棒材和相同的測量方案，最后計算得到不同角度的內(nèi)徑最大差值進行變形量大小的對比，差值越大說明內(nèi)齒圈變形越大。
根據(jù)該方法 ,實測了一套下機修復(fù)的扁頭套截面 1 位置的鼓形齒內(nèi)徑 ,分別測量了下機后、消應(yīng)力退火、堆焊及滲碳淬火后的變形量，并測量了一個鼓形齒新品尺寸做對比，結(jié)果如表 2 所示。對比各個階段的最大差值可以看出，使用一個周期后，鼓形齒的變形量不明顯，兩次熱處理帶來的熱變形較為顯著，消應(yīng)力退火后的直徑最大差值增大了 0. 43mm，堆焊和滲碳淬火后的直徑最大差值增大了 0. 94mm，參考齒形測量結(jié)果 ,鼓形齒對齒形和精度要求較高，如此變形量將嚴重影響再次上機使用。
扁頭套變形控制方法
1. 抱箍熱處理法
加工一個具有一定厚度和高度的圓桶形抱箍，如圖 5 (a) 所示，抱箍與鼓形齒外徑之間采用過盈配合，通過加熱漲大后安裝到鼓形齒外側(cè)。使用過盈配合主要有兩個目的：其一 ,能夠施加收緊的預(yù)緊力，達到增大鼓形齒處壁厚、防止熱處理中發(fā)生變形的效果;其二，抱箍平均直徑大于鼓形齒內(nèi)齒圈，在加熱溫度相同時，抱箍的漲大量略大于鼓形齒內(nèi)齒圈，需要通過預(yù)制過盈量保證抱箍始終與鼓形齒貼合。
為了達到減小或防止熱處理變形的目的，抱箍設(shè)計時需要考量三個主要的尺寸參數(shù)：
1) 抱箍厚度：圖 5(b) 為抱箍厚度的定義及測量方法，厚度主要影響抱箍施加的抱緊力的大小，壁厚需要大于扁勢面厚度與鼓形齒內(nèi)齒圈厚度的差值，使得安裝抱箍后的鼓形齒內(nèi)齒圈總壁厚大于扁勢面處厚度。
2) 抱箍高度：圖 5( c) 為抱箍高度的定義及測量方法，抱箍需要覆蓋鼓形齒端絕大部分的薄壁結(jié)構(gòu)，主要指圖 4(b)中的截面 1 和截面 2，并且抱箍應(yīng)當(dāng)延伸至超過扁頭套的位置，以保證抱箍能夠在壁厚較厚的扁頭套處獲得足夠的軸向抗彎能力，否則抱箍易跟隨鼓形齒端整體發(fā)生偏斜。
3) 過盈量：過盈量指抱箍與鼓形齒之間的配合過盈量，選值需要考慮消應(yīng)力退火、堆焊、滲碳戰(zhàn)火過程抱箍的溫升，保證受熱膨脹后抱箍和鼓形齒外側(cè)始終貼合，基于此原則可以得到最小過盈量 δ 的計算公式為 :
式中：
α—鋼材的線膨脹系數(shù) ,可以近似為 10-5/ ℃;
Db —抱箍外徑;
Dg —和鼓形齒外徑;
Ta —最高溫度溫度;
T0 —室溫;
w—抱箍厚度;
b—余量系數(shù) ,根據(jù)實際情況在 1. 1 ~ 1. 3 之間取值。
抱箍過盈量不易取得過大，需要考慮抱箍裝拆的便捷性。
現(xiàn)場實際使用抱箍進行消應(yīng)力退火的鼓形齒內(nèi)齒圈變形如表 3 所示。
通過比較四個相位內(nèi)徑的差值，可以看到內(nèi)齒圈任存在橢圓變形趨勢，但是相較不使用抱箍時具有明顯減小，截面 1 熱處理前的最大差值為 0. 05mm，熱處理后為 0. 3mm，增大量為 0. 25mm (不使用抱箍時的增大量為 0. 43mm) 減小了 41. 8% 。
截面 2 熱處理前的最大差值為 0. 05mm，熱處理后為 0. 17mm;截面 3 熱處理前的最大差值為 0. 06mm，熱處理后為 0. 04mm。截面 1 和截面 2 的位置發(fā)生了顯著的橢圓變形，截面 3 基本未發(fā)生變形，對比發(fā)現(xiàn)壁厚越薄，橢圓變形越明顯，截面 1 位于鼓形齒處，該處壁厚最薄，變形量最大。
2. 鼓形齒冷矯法
對于已經(jīng)發(fā)生變形的鼓形齒內(nèi)齒圈，可以使用冷矯的方法。首先使用量棒測量各角度的直徑，找到直徑最大的位置，直徑最小處通常與該位置呈 90°夾角，使用夾具在直徑最大的位置由外向內(nèi)夾緊鼓形齒，同時使用千斤頂和頂桿在直徑最小的位置由內(nèi)向外撐緊鼓形齒，并保持一定時間 ,隨后重新檢查各個相位的直徑大小，找到最大、最小直徑并利用上述方法進行冷矯，直至變形量達到期望值。
3. 線切割法
在去除疲勞層時，使用線切割代替機加工，由于線切割不受材料硬化的影響，因此可以不進行消應(yīng)力退火直接去除疲勞層。但是線切割的效率低，完成扁頭套內(nèi)孔疲勞層切割需要花費較長的加工時間，通常無法滿足現(xiàn)場的修復(fù)周期要求，且線切割的成本較高，比較適合精度要求高、修復(fù)時間充裕的場合。
四、結(jié)論
通過對進口、國產(chǎn)鼓形齒扁頭套的齒形和精度的測量，以及對修復(fù)過程中的經(jīng)驗總結(jié)，本文主要得到如下結(jié)論 :
1) 扁頭套的鼓形齒內(nèi)齒圈對模數(shù)和壓力角較為敏感，國產(chǎn)件的齒形與進口件存在差異，是造成鼓形齒燒損的主要原因;
2) 國產(chǎn)件的圖紙精度要求為 6 級，實際加工精度在9 ~ 10 級之間未達到圖紙要求，進口件的實際精度為 4 ~ 6 級，高于高產(chǎn)圖紙要求;
3)扁頭套修復(fù)時進行的消應(yīng)力退火導(dǎo)致的變形與壁厚負相關(guān)，壁厚越薄則橢圓形變形越明顯，鼓形齒內(nèi)齒處變形最為明顯，鼓形齒與扁勢面的過渡位置幾乎不產(chǎn)生變形;
4) 通過在熱處理過程中佩戴抱箍，能夠緩解薄壁處產(chǎn)生的橢圓變形，使用抱箍后鼓形齒處的內(nèi)徑最大差值由 0. 43mm 降低至 0. 25mm，減小了 41. 8% 。
作者簡介：馬遵農(nóng) ,寶山鋼鐵股份有限公司
參考文獻略.