CN107815588A - 风力发电机组用偏航齿圈制造工艺 - Google Patents

风力发电机组用偏航齿圈制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了风力发电机组用偏航齿圈制造工艺，其工艺步骤为：原材料冶炼→下料→锻造前加热→制坯→辗环→正火→粗车→调质处理→半精车→去应力处理→铣齿→齿面表面淬火和回火→精车→非工作表面防腐→工作面表面防护。采用所述制造工艺制造的偏航齿圈能达到如下技术要求：抗拉强度Rm（MPa）为750～900，屈服强度Rp0.2（MPa）≥500，延伸率A（%）≥14，断面收缩率Z（%）≥55，硬度HB为228～270，冲击功（J）≥35，锻件的非金属夹杂物满足如下要求：A：粗系≤1.0，细系≤1.5；B：粗系≤1.0，细系≤1.5；C：粗系≤1.0，细系≤1.0；D：粗系≤1.0，细系≤1.5；DS≤1.5；锻件的低倍组织缺陷级别满足如下要求：一般疏松≤2级，中心疏松≤2级，偏析≤2级。

Description

风力发电机组用偏航齿圈制造工艺
技术领域
本发明涉及风电设备零件锻造领域，具体涉及风力发电机组用偏航齿圈制造工艺。
背景技术
偏航齿圈是风电设备偏航系统中的关键零部件，其作用相当于大型滑动轴承。它位于机舱座底部，下端通过螺栓与塔筒联接固定，上部通过滑动面支撑整个机舱机构，周围与四台偏航减速机输出齿轮相齿合，通过偏航电动机的驱动，带动机舱机构整体缓慢旋转，以达到调整风电叶轮方向的目的。偏航齿圈的设计寿命一般为20年，因为其安装位置的特殊，在使用过程中维修困难、更换成本高，所以对偏航齿圈的制造精度和质量都有较高的要求。但是现有的制造工艺还无法制得高精度和高质量的偏航齿圈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：将提供一种能制得高精度和高质量偏航齿圈的风力发电机组用偏航齿圈制造工艺。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案为：风力发电机组用偏航齿圈制造工艺，其工艺步骤如下：原材料冶炼→下料→锻造前加热→制坯→辗环→正火→粗车→调质处理→半精车→去应力处理→铣齿→齿面表面淬火和回火→精车→非工作表面防腐→工作面表面防护；其特点是：
（1）原材料冶炼中：以42CrMo4钢为原材料，其化学成分要求如下：C：0.41～0.45% 、Si：0.20～0.30%、Mn ：0.70～0.90%、P：≤0.015%、S：≤0.010 %、Cr：1.05～1.20%、Ni ：0.10～0.20% 、Mo： 0.20～0.25%、Cu：≤0.30%、Al：0.015～0.035%、V：≤0.02%、Ti：≤0.005%、Ca：≤0.0015%、N：60～110ppm、H：≤2.0ppm、O：≤20ppm；原材料通过电炉冶炼加钢包精炼或电渣重熔，并经真空除气；
（2）锻造前加热中：将下料所得的钢坯平放于加热炉中的垫块上，并且在钢坯的四周围一圈低温合金钢，钢坯装炉时炉内温度≤900℃，装炉完成后保温2～3h；然后加热炉的烧嘴对着低温合金钢进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至1100℃±20℃后保温2～4h，然后继续加热使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至1250℃±20℃后保温3～5h；
（3）制坯中：钢坯的始锻温度≤1230℃，钢坯的终锻温度≥850℃；首先对钢坯依次交替进行墩粗和拔长，墩粗和拔长分别至少进行一次，墩粗和拔长的锻造比之和≥5，然后对钢坯进行冲通孔；
（4）正火中：将辗环得到的环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时环件温度≤300℃、炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至870℃±10℃后至少保温D/25h，D为此时环件壁厚和高度中较小者，单位为mm，然后环件出炉空冷至室温；
（5）调质处理中：先对粗车后的环件进行淬火，然后进行回火，淬火和回火之间的时间间隔不大于2h，淬火步骤为：将环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时环件温度≤300℃、炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至650℃±10℃后保温1.5～2.5h，然后继续加热使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至850℃±10℃后至少保温D1/25h，然后环件出炉进行水冷，环件入水时，环件表面温度不低于770～780℃，水冷时水温控制在15～40℃，环件出水时温度控制在150～200℃；回火步骤为：将环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤150℃/h的速率升温至580℃±10℃后至少保温D1/25h，然后继续加热，使得炉内温度以≤150℃/h的速率升温至640℃±10℃后至少保温D1/25h，然后环件出炉进行空冷；D1为此时环件壁厚和高度中较小者，单位为mm；
（6）去应力处理中：将半精车后的环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至500℃±10℃后保温7～8h，然后环件炉冷至250～350℃后出炉进行空冷；
（7）非工作表面防腐中：对齿圈的非工作表面首先进行喷砂处理，然后进行喷涂纯锌、ZnAl15或者喷漆处理；
（8）工作面表面防护中：对齿圈摩擦面、齿面进行擦涂轴承专用防锈油或干膜防锈油进行防护。
进一步的，前述的风力发电机组用偏航齿圈制造工艺，其中：非工作表面防腐步骤中采用喷涂纯锌进行处理。
进一步的，前述的风力发电机组用偏航齿圈制造工艺，其中：制坯步骤中墩粗共进行三次，拔长共进行两次。
本发明的优点为：采用本发明所述的风力发电机组用偏航齿圈制造工艺制造的偏航齿圈能达到如下技术要求：抗拉强度Rm（MPa）为750～900，屈服强度Rp0.2（MPa）≥500，延伸率A（%）≥14，断面收缩率Z（%）≥55，硬度HB为228～270，冲击功（J）≥35，热处理后锻件的平均晶粒度不低于GB/T 6394中规定的6.0级；显微组织符合GB/T 13320中图3之1～3级的规定， 锻件的非金属夹杂物满足如下要求：A：粗系≤1.0，细系≤1.5；B：粗系≤1.0，细系≤1.5；C：粗系≤1.0，细系≤1.0；D：粗系≤1.0，细系≤1.5；DS≤1.5；锻件的低倍组织缺陷级别满足如下要求：一般疏松≤2级，中心疏松≤2级，偏析≤2级；锻件的超声检测能达到GB/T6402规定的2级，锻件的磁粉检测能达到JB/T 5000.15规定的1级。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
风力发电机组用偏航齿圈制造工艺，其工艺步骤如下：原材料冶炼→下料→锻造前加热→制坯→辗环→正火→粗车→调质处理→半精车→去应力处理→铣齿→齿面表面淬火和回火→精车→非工作表面防腐→工作面表面防护；
（1）原材料冶炼中：以42CrMo4钢为原材料，其化学成分要求如下：C：0.41～0.45% 、Si：0.20～0.30%、Mn ：0.70～0.90%、P：≤0.015%、S：≤0.010 %、Cr：1.05～1.20%、Ni ：0.10～0.20% 、Mo： 0.20～0.25%、Cu：≤0.30%、Al：0.015～0.035%、V：≤0.02%、Ti：≤0.005%、Ca：≤0.0015%、N：60～110ppm、H：≤2.0ppm、O：≤20ppm；原材料通过电炉冶炼加钢包精炼或电渣重熔，并经真空除气；
（2）下料中：下料的钢坯尺寸为φ700×1849mm，重量为5590Kg；
（3）锻造前加热中：将下料所得的钢坯平放于加热炉中的垫块上，并且在钢坯的四周围一圈低温合金钢，钢坯装炉时炉内温度≤900℃，装炉完成后保温2～3h；然后加热炉的烧嘴对着低温合金钢进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至1100℃±20℃后保温2～4h，然后继续加热使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至1250℃±20℃后保温3～5h；
（4）制坯中：钢坯的始锻温度≤1230℃，钢坯的终锻温度≥850℃；首先将钢坯墩粗至φ1500×400，然后将钢坯拔长至φ1228×600，接着将钢坯墩粗至φ1500×400，然后将钢坯拔长至φ1228×600，然后将钢坯墩粗至φ1500×400，最后在钢坯的轴芯上冲φ440通孔；
（5）辗环中：钢坯的始锻温度≤1230℃，钢坯的终锻温度≥850℃；将冲有通孔的钢坯放置于轧环机上进行辗环，辗环比3.0，从而得到尺寸为φ4264×φ3560×154mm的环件；
（6）正火中：将辗环得到的环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时环件温度≤300℃、炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至870℃±10℃后至少保温154/25=6.16h，取6.5h，然后环件出炉空冷至室温；正火主要是为了去除材料的锻造内应力，此外降低锻造后材料的硬度，提高塑性，也为接下来的加工做准备。如果不正火，材料内部的应力会比较大，淬火的时候很容易开裂；
（7）粗车中：对正火后的环件进行粗车，从而得到外径为φ4264mm、内径为φ3568mm、高度为142mm的环件； 粗车必须安排在调质处理前，主要是为了去除环件的大部分锻造余量，保留热处理后的加工余量，尽可能的减少后道工序的机加工应力；
（8）调质处理中：先对粗车后的环件进行淬火，然后进行回火，淬火和回火之间的时间间隔不大于2h，淬火步骤为：将环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时环件温度≤300℃、炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至650℃±10℃后保温1.5～2.5h，然后继续加热使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至850℃±10℃后至少保温142/25=5.68h，取6h，然后环件出炉进行水冷，环件入水时，环件表面温度不低于770～780℃，水冷时水温控制在15～40℃，环件出水时温度控制在150～200℃；回火步骤为：将环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤150℃/h的速率升温至580℃±10℃后至少保温142/25=5.68h，取6h，然后继续加热，使得炉内温度以≤150℃/h的速率升温至640℃±10℃后至少保温142/25=5.68h，取6h，然后环件出炉进行空冷；
（9）半精车中：调质处理后环件尺寸会略微变大，对调质处理后的环件进行半精车会得到外径为φ4266mm、内径为φ3596mm、高度为132mm的环件；半精车安排在调质处理后是为了去除环件的大部分加工余量，各主要加工面仅留精加工余量，一是为了防止去应力变形，二是为了保证加工的表面质量；
（10）去应力处理中：将半精车后的环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至500℃±10℃后保温7～8h，然后环件炉冷至250～350℃后出炉进行空冷；去应力处理其目的是为了去除由于机械加工、锻造、热处理产生的残余应力；
（11）铣齿中：采用成型铣刀或其他加工方式，根据成品齿圈的齿精度等级，合理确定进给量，表面粗糙度≤Ra6.3；齿圈齿形采用GB/T 1356标准，为渐开线圆柱直齿齿型，齿形设计采用正变位（+0.5）处理，齿的模数符合国标GB/T 1357标准规定；
（12）齿面表面淬火和回火中：齿面淬火后的表面硬度要求为55HRC～62HRC，淬火后齿进行回火处理，回火温度为180～200℃，回火时间不小于4h，回火后齿表面硬度要求为50HRC～60HRC；齿精度需满足GB/T10095.1和GB/T10095.2标准规定的10GK要求；
（13）精车中：对所有有余量的表面进行精加工，确保公差要求在图纸范围之内，齿圈上的通孔需采用数控钻加工，保证孔的光洁度和垂直度、位置度；精车时已经完成了对主要面的加工，由于精加工余量很小，避免了较大的夹紧力和切削力所引起的弹性变形和热变形；
（14）非工作表面防腐中：对齿圈的非工作表面首先进行喷砂处理，然后进行喷涂纯锌处理；
（15）工作面表面防护中：对齿圈摩擦面、齿面进行擦涂轴承专用防锈油或干膜防锈油进行防护。

Claims (3)

1.风力发电机组用偏航齿圈制造工艺，其工艺步骤如下：原材料冶炼→下料→锻造前加热→制坯→辗环→正火→粗车→调质处理→半精车→去应力处理→铣齿→齿面表面淬火和回火→精车→非工作表面防腐→工作面表面防护；其特征在于：
（1）原材料冶炼中：以42CrMo4钢为原材料，其化学成分要求如下：C：0.41～0.45% 、Si：0.20～0.30%、Mn ：0.70～0.90%、P：≤0.015%、S：≤0.010 %、Cr：1.05～1.20%、Ni ：0.10～0.20% 、Mo： 0.20～0.25%、Cu：≤0.30%、Al：0.015～0.035%、V：≤0.02%、Ti：≤0.005%、Ca：≤0.0015%、N：60～110ppm、H：≤2.0ppm、O：≤20ppm；原材料通过电炉冶炼加钢包精炼或电渣重熔，并经真空除气；
（2）锻造前加热中：将下料所得的钢坯平放于加热炉中的垫块上，并且在钢坯的四周围一圈低温合金钢，钢坯装炉时炉内温度≤900℃，装炉完成后保温2～3h；然后加热炉的烧嘴对着低温合金钢进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至1100℃±20℃后保温2～4h，然后继续加热使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至1250℃±20℃后保温3～5h；
（3）制坯中：钢坯的始锻温度≤1230℃，钢坯的终锻温度≥850℃；首先对钢坯依次交替进行墩粗和拔长，墩粗和拔长分别至少进行一次，墩粗和拔长的锻造比之和≥5，然后对钢坯进行冲通孔；
（4）正火中：将辗环得到的环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时环件温度≤300℃、炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至870℃±10℃后至少保温D/25h，D为此时环件壁厚和高度中较小者，单位为mm，然后环件出炉空冷至室温；
（5）调质处理中：先对粗车后的环件进行淬火，然后进行回火，淬火和回火之间的时间间隔不大于2h，淬火步骤为：将环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时环件温度≤300℃、炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至650℃±10℃后保温1.5～2.5h，然后继续加热使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至850℃±10℃后至少保温D1/25h，然后环件出炉进行水冷，环件入水时，环件表面温度不低于770～780℃，水冷时水温控制在15～40℃，环件出水时温度控制在150～200℃；回火步骤为：将环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤150℃/h的速率升温至580℃±10℃后至少保温D1/25h，然后继续加热，使得炉内温度以≤150℃/h的速率升温至640℃±10℃后至少保温D1/25h，然后环件出炉进行空冷；D1为此时环件壁厚和高度中较小者，单位为mm；
（6）去应力处理中：将半精车后的环件放至于电炉中的垫块上，环件装炉时炉内温度≤400℃，开启电炉对环件进行加热，使得炉内温度以≤180℃/h的速率升温至500℃±10℃后保温7～8h，然后环件炉冷至250～350℃后出炉进行空冷；
（7）非工作表面防腐中：对齿圈的非工作表面首先进行喷砂处理，然后进行喷涂纯锌、ZnAl15或者喷漆处理；
（8）工作面表面防护中：对齿圈摩擦面、齿面进行擦涂轴承专用防锈油或干膜防锈油进行防护。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组用偏航齿圈制造工艺，其特征在于：非工作表面防腐步骤中采用喷涂纯锌进行处理。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电机组用偏航齿圈制造工艺，其特征在于：制坯步骤中墩粗共进行三次，拔长共进行两次。
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