CN112901640A - 一种齿轮合金轴及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种齿轮合金轴及其制备方法，涉及一种齿轮箱技术领域，一种齿轮合金轴包括长轴和铸件，所述长轴为多级阶梯柱，并且铸件通过焊接的方式固定安装在长轴的一端外壁上，本发明齿轮合金轴的结构设计合理，所述长轴位于铸接处的表面开设有至少一个用于提高抗扭矩力的定位凹孔，所述铸件成型后于定位凹孔处形成有与定位凹孔形状配合的定位凸起，通过这种方式大幅提高齿轮合金轴的抗扭矩力；同时本发明齿轮合金轴的材料配方设计合理，制备方法包括原料熔炼、球化处理、铸焊和热处理步骤，通过合理的工艺参数改进和配方组成，在铸焊过程中不易产生气孔，避免增加齿轮箱的工作噪音。

Description

一种齿轮合金轴及其制备方法
技术领域
本发明涉及齿轮箱技术领域，具体是一种齿轮合金轴及其制备方法。
背景技术
齿轮箱应用范围广泛，例如在风力发电机组中的应用，齿轮箱是在风力发电机组中应用很广泛的一个重要的机械部件。其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。
齿轮传动轴，为工程机械常用的齿轮箱传动件。在制造齿轮传动轴时，需要在圆轴上固定铸件以形成齿轮传动轴，凸环采用直接铸焊方式与长轴固定。传统的齿轮传动轴结构设计不够合理，其抗扭矩力较小，铸件与圆轴连接处易因扭矩大而出现开裂等问题，这限制了齿轮箱传动件的转速，无法满足高转速齿轮箱的传动需求。
另外，铸件的原料配方设计不够合理，传统方式铸焊时，由于长轴采用45#钢材质，相对于一个大的冷铁，与铁液接触易产生气体，气体渗进铁液中形成气孔铸件，这样会增加齿轮箱传动件工作时的噪音，而齿轮箱工艺要求噪音不能超过50分贝，因此只能在圆钢与长轴柱间部位涂刷特种涂料，防止直接接触产生气孔，增加了工序和材料成本。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种齿轮合金轴及其制备方法，大大提高齿轮合金轴的抗扭矩力。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种齿轮合金轴包括长轴和铸件，所述长轴为多级阶梯柱，并且长轴的材质为45#钢，所述铸件通过焊接的方式固定安装在长轴的一端外壁上，同时长轴位于铸接处的表面对称开设有两个用于提高抗扭矩力的定位凹孔，并且铸件成型后于定位凹孔处形成有与定位凹孔形状配合的定位凸起。
作为本发明进一步的方案：所述铸件为二级台阶柱，包括第一柱部和第二柱部，第一柱部的外径小于第二柱部的外径，定位凸起位于第二柱部的内侧，同时第一柱部的外径为50-70mm，厚度为10-16mm，并且第二柱部的外径为75-90mm，厚度为15-20mm。
作为本发明进一步的方案：所述定位凹孔为外宽内窄的锥体结构，定位凹孔的深度小于所在长轴部位的半径。
作为本发明进一步的方案：所述齿轮合金轴由球墨铸铁材料制成，球墨铸铁材料中各化学组分的重量百分比为：碳3.2-3.5％、硅2.0-2.4％、锰0.06-0.8％、镍1.3-1.6％、铬0.4-0.6％、筒0.04-0.06％、P≤0.04％、S≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。
作为本发明进一步的方案：所述齿轮合金轴的制备方法包括如下步骤：
1)原料熔炼：将各组分原料依次加入中频感应电炉中，熔炼过程中保证铁水温度为1460-1480℃，制得化学成分合格的铁液，然后进行静置扒渣处理；
2)球化处理：在球化包内加入球化剂，在球化剂上覆盖一层铁粉，铁粉上覆盖孕育剂，孕育剂上覆盖废钢片，紧实，冲入铁水，铁水温度为1420-1430℃，完成球化处理和包内孕育处理后，随后再加入孕育剂进行型内孕育；
3)铸焊：在长轴铸接处的表面钻孔形成设计的定位凹孔，将长轴固定于模具的型腔中，再将铁水浇注至模具的型腔中，得带长轴的铸件；
4)热处理：将带长轴的铸件升温至900-920℃，保温2-4h，以4-6℃/min的速度降温至650-700℃，保温2-4h，空冷至室温；将空冷后的铸件升温至900-920℃，以11-13℃/min的速度降温至420-440℃，空冷至室温后进行消除应力退火。
作为本发明进一步的方案：所述长轴位于铸接处的表面对称开设有一个用于提高抗扭矩力的定位凹孔，定位凹孔为贯穿长轴的柱形孔，且定位凹孔的中心轴线与长轴的中心轴线垂直交接，铸件内部的定位凸起两端均与内孔壁连为一体。
作为本发明进一步的方案：所述长轴为垂直工作的齿轮合金轴时，长轴靠近定位凹孔的一侧内部开设有椭圆形导液腔，导液腔的两端侧壁上对应开设有一对出液孔，并且出液孔的两端和长轴的外壁连通在一起，同时导液腔靠近定位凹孔的一侧设置有矩形储液腔一，储液腔一通过导液腔道和导液腔连通在一起，并且储液腔一远离导液腔的一侧壁上连通有进液孔，进液孔从长轴的侧壁伸出，并且进液孔的外壁上设置有密封槽，密封槽内螺纹安装有密封塞。
作为本发明进一步的方案：所述长轴为水平工作的齿轮合金轴时，长轴靠近定位凹孔的一侧内部开设有矩形储液腔二，其中储液腔二靠近定位凹孔的两侧设置成锥形，方便了储液腔而在旋转状态中将内部的润滑液排出，同时储液腔二的锥型两侧壁上开设有一对出液孔，出液孔从长轴的外壁伸出，并且储液腔二的左侧壁上连通有进液孔，进液孔从长轴的侧壁伸出，进液孔从长轴的侧壁伸出，并且进液孔的外壁上设置有密封槽，密封槽内螺纹安装有密封塞。
作为本发明进一步的方案：所述出液孔设置成弯折状，同时出液孔的外壁设置有梯形槽。
作为本发明再进一步的方案：所述长轴靠近定位凹孔的一侧外壁上开设有环形储液槽，储液槽位于定位凹孔和梯形槽之间，同时铸件的第一柱部内壁上对应开设有退刀槽，退刀槽扣合在梯形槽的顶壁上，形成油膜保护腔道。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明齿轮合金轴的结构设计合理，其长轴位于铸接处的表面开设有定位凹孔，定位凹孔使得铸接铁水能够渗透至其内部，进而形成定位凸起，通过这种方式大幅提高齿轮合金轴的抗扭矩力。
2、本发明齿轮合金轴的材料配方设计合理，由原料熔炼、球化处理、铸焊和热处理等步骤制成，通过合理的工艺参数改进和配方组成，在铸焊过程中不易产生气孔，避免增加齿轮箱的工作噪音。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的主视图。
图3为本发明的长轴主视图。
图4为本发明的铸件侧视图。
图5为本发明的长轴剖视图一。
图6为本发明的长轴剖视图二。
图7为本发明的铸件安装示意图。
如图所示：1、长轴，2、铸件，3、定位凹孔，4、定位凸起，5、第一柱部，6、第二柱部，7、导液腔一，8、出液孔，9、梯形槽，10、储液腔一，11、导液腔二，12、进液孔，13、密封塞，15、储液槽，16、储液腔二，17、退刀槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一：
请参阅图1～4，本发明实施例中，一种齿轮合金轴，包括长轴1和铸件2，所述铸件2通过焊接的方式固定安装在长轴1的一端外壁上，同时长轴1位于铸接处的表面对称开设有两个用于提高抗扭矩力的定位凹孔3，并且铸件2成型后于定位凹孔3处形成有与定位凹孔3形状配合的定位凸起4。
其中，所述长轴1为多级阶梯柱，并且长轴1的材质为45#钢。
其中，所述铸件2为二级台阶柱，包括第一柱部5和第二柱部6，第一柱部5的外径小于第二柱部6的外径，定位凸起4位于第二柱部6的内侧，同时第一柱部的外径为50-70mm，厚度为10-16mm，并且第二柱部的外径为75-90mm，厚度为15-20mm。
其中，所述定位凹孔3为外宽内窄的锥体结构，定位凹孔3的深度小于所在长轴1部位的半径。
上述齿轮合金轴结构设计合理，其长轴1位于铸接处的表面开设有定位凹孔3，定位凹孔3使得铸接铁水能够渗透至其内部，进而形成定位凸起4，通过这种方式大幅提高齿轮合金轴的抗扭矩力。
其中，所述齿轮合金轴由球墨铸铁材料制成，球墨铸铁材料中各化学组分的重量百分比为：碳3.2-3.5％、硅2.0-2.4％、锰0.06-0.8％、镍1.3-1.6％、铬0.4-0.6％、筒0.04-0.06％、P≤0.04％、S≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，所述齿轮合金轴的制备方法包括如下步骤：
1)原料熔炼：将各组分原料依次加入中频感应电炉中，熔炼过程中保证铁水温度为1460-1480℃，制得化学成分合格的铁液，然后进行静置扒渣处理；
2)球化处理：在球化包内加入球化剂，在球化剂上覆盖一层铁粉，铁粉上覆盖孕育剂，孕育剂上覆盖废钢片，紧实，冲入铁水，铁水温度为1420-1430℃，完成球化处理和包内孕育处理后，随后再加入孕育剂进行型内孕育；
3)铸焊：在长轴铸接处的表面钻孔形成设计的定位凹孔，将长轴固定于模具的型腔中，再将铁水浇注至模具的型腔中，得带长轴的铸件；
4)热处理：将带长轴的铸件升温至900-920℃，保温2-4h，以4-6℃/min的速度降温至650-700℃，保温2-4h，空冷至室温；将空冷后的铸件升温至900-920℃，以11-13℃/min的速度降温至420-440℃，空冷至室温后进行消除应力退火。
上述齿轮合金轴的材料配方设计合理，由原料熔炼、球化处理、铸焊和热处理等步骤制成，通过合理的工艺参数改进和配方组成，在铸焊过程中不易产生气孔，避免增加齿轮箱的工作噪音。
实施例二：
本实施例的主体结构与实施例一相同，不同之处在于：考虑到恶劣的工作环境下，对齿轮合金轴的抗扭矩力提出了更高的要求，为此，我们对定位凹孔3进行改进，来提高齿轮合金轴的抗扭矩力。
其中，所述长轴1位于铸接处的表面对称开设有一个用于提高抗扭矩力的定位凹孔3，定位凹孔3为贯穿长轴1的柱形孔，且定位凹孔3的中心轴线与长轴1的中心轴线垂直交接，铸件2内部的定位凸起4两端均与内孔壁连为一体。
实施例三：
请参阅图1～7可知：本实施例的主体结构与实施例一相同，不同之处在于：考虑到润滑不良是齿轮合金轴磨损发生的关键因素，为此，我们对长轴1内部结构进行改进，使其在工作过程中在长轴1的外壁上均匀形成一层顺滑油膜，减小合金轴的磨损消耗。
参阅图5～6可知，其中考虑到齿轮合金轴一般具有两种工作状态(水平和垂直)，为此我们对长轴1作出两种改进。
其中，所述长轴1为垂直工作的齿轮合金轴时，长轴1靠近定位凹孔3的一侧内部开设有椭圆形导液腔7，导液腔7的两端侧壁上对应开设有一对出液孔8，并且出液孔8的两端和长轴1的外壁连通在一起，同时导液腔7靠近定位凹孔3的一侧设置有矩形储液腔一10，储液腔一10通过导液腔道11和导液腔7连通在一起，并且储液腔一10远离导液腔7的一侧壁上连通有进液孔12，进液孔12从长轴1的侧壁伸出，并且进液孔12的外壁上设置有密封槽，密封槽内螺纹安装有密封塞13，通过密封塞13完成对进液孔12的密封；在工作过程中，将密封塞13从密封槽内取出，然后通过进液孔12向储液腔一10导入润滑液，一部分润滑液通过导液腔道11导入导液腔7内备用，在长轴1垂直转动过程中，在离心力的作用下，导液腔7内部的润滑液通过出液孔8排出，在长轴1外壁上形成一层润滑油膜，对长轴进行防护。
其中，所述长轴1为水平工作的齿轮合金轴时，长轴1靠近定位凹孔3的一侧内部开设有矩形储液腔二16，其中储液腔二16靠近定位凹孔3的两侧设置成锥形，方便了储液腔而16在旋转状态中将内部的润滑液排出，同时储液腔二16的锥型两侧壁上开设有一对出液孔8，出液孔8从长轴1的外壁伸出，并且储液腔二16的左侧壁上连通有进液孔12，进液孔12从长轴1的侧壁伸出，进液孔12从长轴1的侧壁伸出，并且进液孔12的外壁上设置有密封槽，密封槽内螺纹安装有密封塞13；在工作过程中，将密封塞13从密封槽内取出，然后通过进液孔12向储液腔二16导入润滑液，在长轴1水平转动过程中，在离心力的作用下，储液腔二16内部的润滑液通过出液孔8排出，在长轴1外壁上形成一层润滑油膜，对长轴进行防护。
优选的，所述出液孔8设置成弯折状，采用弯折设置的出液孔8减少了润滑液排出时的冲击力，使得润滑液排出的更加均匀，同时出液孔8的外壁设置有梯形槽9，既确保滑油在接口处的流量，又保证了工作面的结构强度，滑油易于流出，确保油膜的顺利生成。
其中，所述长轴1靠近定位凹孔3的一侧外壁上开设有环形储液槽15，储液槽15位于定位凹孔3和梯形槽9之间，同时铸件2的第一柱部5内壁上对应开设有退刀槽17，退刀槽17扣合在梯形槽9的顶壁上，形成油膜保护腔道，通过油膜保护腔道对多余的润滑液进行储存收集。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，且本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种齿轮合金轴，包括长轴(1)和铸件(2)，其特征在于：所述长轴(1)为多级阶梯柱，并且长轴(1)的材质为45#钢，所述铸件(2)通过焊接的方式固定安装在长轴(1)的一端外壁上，同时长轴(1)位于铸接处的表面对称开设有两个用于提高抗扭矩力的定位凹孔(3)，并且铸件(2)成型后于定位凹孔(3)处形成有与定位凹孔(3)形状配合的定位凸起(4)。
2.根据权利要求1所述的一种齿轮合金轴，其特征在于：所述铸件(2)为二级台阶柱，包括第一柱部(5)和第二柱部(6)，第一柱部(5)的外径小于第二柱部(6)的外径，定位凸起(4)位于第二柱部(6)的内侧，同时第一柱部(5)的外径为50-70mm，厚度为10-16mm，并且第二柱部(6)的外径为75-90mm，厚度为15-20mm。
3.根据权利要求1所述的一种齿轮合金轴，其特征在于：所述定位凹孔(3)为外宽内窄的锥体结构，定位凹孔(3)的深度小于所在长轴(1)部位的半径。
4.根据权利要求2所述的一种齿轮合金轴，其特征在于：所述齿轮合金轴由球墨铸铁材料制成，球墨铸铁材料中各化学组分的重量百分比为：碳3.2-3.5％、硅2.0-2.4％、锰0.06-0.8％、镍1.3-1.6％、铬0.4-0.6％、筒0.04-0.06％、P≤0.04％、S≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1-4所述的一种齿轮合金轴及其制备方法，其特征在于：所述齿轮合金轴的制备方法包括如下步骤：
1)原料熔炼：将各组分原料依次加入中频感应电炉中，熔炼过程中保证铁水温度为1460-1480℃，制得化学成分合格的铁液，然后进行静置扒渣处理；
2)球化处理：在球化包内加入球化剂，在球化剂上覆盖一层铁粉，铁粉上覆盖孕育剂，孕育剂上覆盖废钢片，紧实，冲入铁水，铁水温度为1420-1430℃，完成球化处理和包内孕育处理后，随后再加入孕育剂进行型内孕育；
3)铸焊：在长轴铸接处的表面钻孔形成设计的定位凹孔，将长轴固定于模具的型腔中，再将铁水浇注至模具的型腔中，得带长轴的铸件；
4)热处理：将带长轴的铸件升温至900-920℃，保温2-4h，以4-6℃/min的速度降温至650-700℃，保温2-4h，空冷至室温；将空冷后的铸件升温至900-920℃，以11-13℃/min的速度降温至420-440℃，空冷至室温后进行消除应力退火。
6.根据权利要求1所述的一种齿轮合金轴，其特征在于：所述长轴(1)位于铸接处的表面对称开设有一个用于提高抗扭矩力的定位凹孔(3)，定位凹孔(3)为贯穿长轴(1)的柱形孔，且定位凹孔(3)的中心轴线与长轴(1)的中心轴线垂直交接，铸件(2)内部的定位凸起(4)两端均与内孔壁连为一体。
7.根据权利要求1所述的一种齿轮合金轴，其特征在于：所述长轴(1)为垂直工作的齿轮合金轴时，长轴(1)靠近定位凹孔(3)的一侧内部开设有椭圆形导液腔(7)，导液腔(7)的两端侧壁上对应开设有一对出液孔(8)，并且出液孔(8)的两端和长轴(1)的外壁连通在一起，同时导液腔(7)靠近定位凹孔(3)的一侧设置有矩形储液腔一(10)，储液腔一(10)通过导液腔道(11)和导液腔(7)连通在一起，并且储液腔一(10)远离导液腔(7)的一侧壁上连通有进液孔(12)，进液孔(12)从长轴(1)的侧壁伸出，并且进液孔(12)的外壁上设置有密封槽，密封槽内螺纹安装有密封塞(13)。
8.根据权利要求1所述的一种齿轮合金轴，其特征在于：所述长轴(1)为水平工作的齿轮合金轴时，长轴(1)靠近定位凹孔(3)的一侧内部开设有矩形储液腔二(16)，其中储液腔二(16)靠近定位凹孔(3)的两侧设置成锥形，方便了储液腔而(16)在旋转状态中将内部的润滑液排出，同时储液腔二(16)的锥型两侧壁上开设有一对出液孔(8)，出液孔(8)从长轴(1)的外壁伸出，并且储液腔二(16)的左侧壁上连通有进液孔(12)，进液孔(12)从长轴(1)的侧壁伸出，进液孔(12)从长轴(1)的侧壁伸出，并且进液孔(12)的外壁上设置有密封槽，密封槽内螺纹安装有密封塞(13)。
9.根据权利要求7或8所述的一种齿轮合金轴，其特征在于：所述出液孔(8)设置成弯折状，同时出液孔(8)的外壁设置有梯形槽(9)。
10.根据权利要求7或8所述的一种齿轮合金轴，其特征在于：所述长轴(1)靠近定位凹孔(3)的一侧外壁上开设有环形储液槽(15)，储液槽(15)位于定位凹孔(3)和梯形槽(9)之间，同时铸件(2)的第一柱部(5)内壁上对应开设有退刀槽(17)，退刀槽(17)扣合在梯形槽(9)的顶壁上，形成油膜保护腔道。
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