浅谈大型轧机齿轮箱的加工要点

朱晨

摘要：大型轧机齿轮箱作为钢厂主轧线的关键传动设备，其加工制造过程的保证十分重要。本文结合访问世界顶尖的冶金设备制造商——意大利达涅利（Danieli）和德国西马克（SMS Group）的总部实地交流见闻，及实际加工制造过程的经验，浅谈一些加工要点供相关人员参考。

关键词：轧机齿轮箱;大型齿轮件;加工要点;达涅利;西马克

机械行业的发展离不开钢铁，钢铁的生产离不开冶金设备，放眼全球范围内，公认的三家最知名的冶金设备设计和制造企业为——意大利达涅利（Danieli），德国西马克（SMS Group），日本普瑞特（Primetals）[1]，在行业内具有强大的知名度和影响力，也代表设计和制造能力的先进性。

轧机齿轮箱作为钢厂主轧线的关键机械传动设备，其质量的好坏与是否稳定直接影响生产线的运行。本文根据实际工作中曾出国去达涅利Buttrio总部（意大利布特里奥）和西马克Hilchenbach总部（德国希尔辛巴赫）访问和技术交流的见闻，结合大型轧机齿轮箱加工制造的现场情况，对其中部分加工要点做简单叙述。

齿轮箱的关键零部件主要为齿轮件、箱体和轴承（通常采购）。大型轧机齿轮箱重量往往都大于50吨，100多吨的也常见。国内在制造这种大型轧机齿轮箱时，根据钢厂轧机线的技术提供者，比如是达涅利还是西马克等，通常会有相应的监造人员全过程进行监造。

一、齿轮件的加工浅述

大型轧机齿轮箱中的齿轮件往往具有单个零件重量大、尺寸大、模数大的特点。例如，单个零件重量往往都大于10吨，20多吨的也常见。齿轴直径超过1米，长度大于5米。齿轮直径大于3米，有的超过4米。齿轮法向模数通常大于Mn30，有的大于Mn40。

得益于欧盟成员国内部基础技术标准化程度水平高，达涅利和西马克虽然是来自于两个不同国家的公司，但其使用的大部分标准都是ISO国际标准或EN欧洲标准。

针对大型轧机齿轮箱中齿轮件的特点，在齿轮件材料的选择上，达涅利和西马克都常选用渗碳钢18CrNiMo7-6+HH，要求符合EN 10084标准。

毛坯上通常都选用锻件，采用大型水压机锻造方式获得，对于单个锻件重量往往大于20吨或者30吨的情况下，为了确保质量，正常都要从最初的制作锻件用的钢锭冶炼开始就需要关注。达涅利和西马克对锻件用钢锭通常都要求采用电炉和真空脱气的冶炼方法。对于材料的晶粒度，一般都要求奥氏体晶粒度控制到ISO 643的5～8级。另外，由于齿轮件的模数大，需要进行淬透性检验（Jominy）来保证HH级钢淬透性要求。且在锻造过程中要保证足够的锻造比。锻造过程和锻后的热处理也需控制，以减少内部应力。

对于锻件的检查可以分为外表面检查和内部的检查。锻件外表面的检测一般采用目视检查VT，磁粉探伤检测MT，液体渗透检测PT。锻件不允许出现裂纹、白点、缩松缩孔的情况。锻件内部的检测通常采用超声波探伤检测UT。要求超声波探伤检测100%覆盖锻件。达涅利和西马克一般都按EN 10228-3的4级控制。但应考虑到齿轮件的齿部为关键部位，至少对于齿轮全齿高范围内，需要着重探伤，探伤的标准等级应适当提高。

达涅利和西马克一般都要求在锻件本体上取试样，做机械性能分析，按EN 10250标准或额外的规定要求。

由于大型齿轮箱的齿轮件重量大、尺寸大、模数大的特点，锻件质量质量控制往往在付出较大精力后，仍会有概率出现不符合要求的情况，在遇到这种特殊情况时，及时的与达涅利或西马克监造人员充分沟通十分重要，如何在满足质量要求的前提下，确定出最优的处理方案需要考量制造企业的经验水平。

达涅利对大模数齿轮的齿部粗加工上，采用硬质合金可转位铣刀盘进行粗铣齿，在去除齿部大部分余量后，会进行调质热处理，再接着用可转为硬质合金滚刀进行滚齿，给齿部留出精加工余量。达涅利的齿轮铣刀盘和滚刀都是系列化，其设计人员在设计图纸时会考虑到其工厂的刀具资源情况。可能会出现对于达涅利自己是正常的刀具，对于国内公司就需要定制专用刀具的情况。滚齿需要结合热处理能力，留出适当的精加工余量。滚齿精度及齿面质量也需要关注控制。

在热处理后，西马克通常对齿轮进行超声波探伤。对于大型轧机齿轮件，建议热处理后对齿轮进行超声波探伤。经过渗碳淬火热处理，需要注意有效硬化层深，齿面硬度，金相组织等方面要求的符合性检查控制。

對于热后精加工，西马克设计人员通常会根据计算分析及其热处理能力，给出热处理后齿轮件齿顶圆允许的最大胀大量。其热后加工方案是尽可能避免对渗碳淬火后齿部的非必要加工，包括避免进行热后齿顶齿侧的打磨。建议制造企业根据自身热处理情况合理策划工艺尺寸，避免齿部的非必要加工。热后精加工部位经过磨削的，例如轴颈外圆，需要对磨削表面进行MT或PT检测。达涅利和西马克通常需要在热后对所有部位进行无损检测。

齿部精加工正常都需要进行磨齿加工，磨齿后的齿面需采用酸洗或磁弹来对齿面磨削烧伤进行检测。对于需要齿轮烘套到轴上的结构时，尽量采用烘套后磨齿的方案，以避免单独磨齿后再烘套的精度损失或基准失效情况。组合后的齿轮件重量将大增，例如可能达到40多吨，需要充分策划其起吊方案、烘套方案以及运转方案。另外在对大型齿轮件磨齿加工时需要考虑精度计量方案。因为通常无法离线计量，一般大型齿轮件都会超出齿轮计量仪的承重和尺寸。磨齿时需要避免磨削到齿根，不能出现齿根台阶的情况。

二、箱体的加工浅述

大型轧机齿轮箱中的箱体常见为上中下三层式的结构，具有零件重量大、尺寸大、轴承孔径大的特点。例如，单个零件重量往往都大于10吨，整个箱体组合后达到30～40吨。

针对大型轧机齿轮箱中箱体的特点，通常采用钢板拼装焊接成箱体。在材料的选择上，达涅利和西马克对主要部位的都常选用材料S355J2钢板（国内一般用牌号Q355D替代），其它部位材料选用材料S235JR钢板（国内一般用牌号Q235B替代），要求符合EN 10025-2标准。对于箱体中的重要部位如轴承座一般采用锻件而非钢板。

钢板在切割下料前进行超声波探伤，达涅利和西马克一般要求按照EN 10160的S2/E2级控制。除了控制使用钢板质量外，焊接质量也十分重要。由于焊接过程是特殊的工艺过程，通常需要从焊接操作者资质、焊材、焊接工艺性、坡口加工方式、拼装质量、焊缝要求（比如全焊透焊缝）、焊接过程温度控制，焊接后去应力热处理等等方面关注控制。所有焊缝需要进行渗漏试验检测确保不漏油。

如果过程中发现缺陷，通常需要和监造人员工沟通，一般可采取彻底清除缺陷部位后补焊处理。需要注意的是，补焊完成后，需要对补焊周围区域重新进行全覆盖的无损探伤检查，确保符合要求。

由于大型轧机齿轮箱中箱体的重量大，尺寸大的特点，精加工完成后，通常会遇到无法离线上三坐标计量检测的情况。这种情况下通常采用在机床上检查，确保符合图纸要求。重点关注各组轴承孔的尺寸精度，形位公差的符合性。

三、装配的过程浅述

装配是齿轮箱加工制造的重要一环，也是达涅利和西马克的监造人员重点关注的环节。在所有零部件全部加工完成后，应参照图纸并核实各零部件的最终检测报告，确保合格后再进入到装配环节。投装后的零部件的先要符合清洁度后，再开始进行装配过程。

装配过程中，需要把轴承安装到相应的轴上，需要关注轴承径向和轴向游隙的符合性。在檢查齿轮侧隙前，需要确保齿轮箱的水平位置，测量侧隙是否符合图纸要求。对于齿轮接触斑点的检查也是十分重要，按照图纸要求和标准，达涅利和西马克倾向于用蓝油作为接触斑点检查印记，圆周范围内至少做3组，并把接触印痕拍照或有透明胶带拓印留存，接触斑点的位置、有效面积、占比都需要符合规定要求。

对于大型轧机齿轮箱，为了补偿装配后反应到齿轮副上的综合误差，通常会采用偏心套机构[2]。在装配过程中对偏心套调整并在调整到最优状态时，用销轴固定位置。此处关于偏心套的偏心量何时确定并不统一，达涅利一般是要求齿轮件和箱体加工测量得到数据后再计算给出偏心量，西马克并非如此。

装配好合箱前需要检查齿轮箱内部的清洁度，对内部油漆检查，对喷油嘴位置、方向的检查，检查油管及各喷嘴是否畅通，检查螺栓防松是否到位等等。

合箱后把齿轮箱在试验区域安装固定好，并与测试电机连接。需要进行空载试车检查。试车前先检查润滑系统，通润滑油后保持一段时间，确认各仪表信号是否正常。按照试车要求逐步提升转速，这个过程中需要关注轴承温度并记录，只有轴承温度稳定后才能提速，轴承温度不能过高于进油温度。达到最高转速后，一般要连续试验1个小时，过程中关注温度和流量变化情况。在试车过程中，需要检查齿轮箱的密封情况即是否有渗漏油的情况，检查齿轮箱的振动情况是否符合要求，检查齿轮箱的噪音情况是否符合要求。试车结束后检查过滤器的情况是否无异常。

各环节都无异常符合要求后，进行外观油漆和包装，以及运输发货。对于大型轧机齿轮箱，最终装配的重量可达100多吨，需要提前规划运输方案和运输路径，防止超重限高等情况的发生。例如，西马克装配车间有火车铁轨，对齿轮箱包装后可直接到通过火车运输，其曾经制造过超过260吨的齿轮箱。

四、结语

通过对大型轧机齿轮箱的齿轮件、箱体和装配过程中加工要点的简述，以及结合达涅利和西马克的一些独到加工要点的梳理，期望能够对相关人员有一定的参考及借鉴作用。

参考文献：

[1]宋德春.三大国际知名冶金服务商发展战略研究[J].中国钢铁业，2021（10）：4.

[2]汪叶兰.板材齿轮箱中偏心套设计和应用[J].机械制造与自动化，2012，41（4）：3.