大型齿圈热处理变形多点应力补偿装置及其补偿方法

技术领域

本发明涉及一种热处理变形补偿技术，尤其涉及一种基于有限元仿真预测热处理中的变形和引起的应力，提供一种大型齿圈热处理变形多点可调应力补偿装置，以及利用该装置进行补偿的方法。

背景技术

以大型齿圈为基础部件的齿轮箱传动在航海、矿业、新能源等领域具有无可替代的作用。随着舰船、风力发电、大型工程装备领域的快速发展，需要大型齿圈提高强度、传动精度、效率，满足重载、高速、长寿命、高可靠性的需求。由于大型齿圈直径较大、薄壁、断面结构形状较复杂等特点，加工中的变形导致精度下降乃至开裂等问题不但一直是生产厂家非常关注的技术质量问题。大型齿圈的变形直接关系到齿轮强度、精度等重要质量指标的控制。

对于渗碳淬火的齿圈，特别是大型齿圈，其变形量很大且难以严格控制，对大型齿圈的后续加工及使用带来严重的影响。较大的变形不仅使磨削量增加，导致加工制造成本提高。更严重的是，而且由于变形的不均匀，在磨削过程中出现磨削的余量不同，很容易将磨削量较大的一边的渗碳层全部磨掉，降低承载能力，甚至导致大型齿圈的过早报废，最终寿命也会大大下降。大型齿圈的制造、加工成本高昂，特别是精密部件的材料、加工成本可达百万元以上，其变形不能得到有效控制，会给生产、应用带来极大的影响。针对这一问题企业在生产中需要制作定型工装并且后期的磨齿加工要求也高，严重影响企业的生产周期。精密齿圈出现较大的变形导致产品不合格，返工成本高昂、不能按期交货给生产企业较高的违约成本。大型齿圈交付使用后，引起变形、开裂导致齿轮箱的工作效率下降、寿命大为减少，如风力发电增速齿轮箱安装在几十米高空，维护及更换代价较高，大型船舶中的齿轮部件失效导致船舶动力系统受损，造成严重的后果。

大型齿圈的变形主要由工件在机加工时产生的残余应力，热处理过程中产生的热应力和组织应力以及工件自重变形等共同作用而产生，其影响因素包括齿圈几何形状、原材料及冶金质量、锻造和机加工的残余应力、装料方式和热处理工艺及设备等诸方面，控制变形十分复杂。目前国内外控制大型齿圈变形的主要方法有齿圈热处理工艺优化，工装固定等措施。热处理工艺优化改善齿轮上中下部位冷却的均匀性，使组织转变趋于同步，改善端面和中段的冷速不均匀，可以收到明显的效果。

采用工装固定方法进行大型齿圈变形控制主要分为两种方法，即补偿法及压淬法。补偿法对截面形状不规则的大型齿圈采用垫块或者套筒等补偿件，使齿圈截面均匀，起到加热冷却速度均匀、减少热处理的热应力作用，在实际生产中有一定的应用。压淬法是普遍采用的工装固定控制变形方法，采用拉筋夹具或者专用卡盘对大型齿圈进行装夹，随后进行热处理，比较有效的控制热处理的变形。

上述方法尽管能够取得一些效果，但是实际应用中还有很多问题。比如优化热处理工艺缺少对工艺条件的系统性研究，其工艺稳定性也不能保证；压淬虽然可以解决平面翘曲和内孔圆度变形问题，但没有改善齿部变形问题，该方法对齿圈热处理工艺中的变形和残余应力的影响也缺少理论分析；补偿法在生产中尽管有一定应用，但是受大型齿圈几何参数复杂的影响，这一方法目前还主要依赖经验；工装固定方法在齿圈加工中对变形和残余应力的作用还缺少深入研究。目前，以上大型齿圈变形控制措施应用中主要依靠实际经验，还缺少计算机辅助分析进行工艺辅助设计和变形预测，同时没办法根据齿圈的具体情况进行调节。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于怎样解决大型齿圈热处理易变形，且变形后难以进行修复的问题，提供一种大型齿圈热处理变形多点应力补偿装置及其补偿方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种大型齿圈热处理变形多点应力补偿装置，其特征在于：包括底座、内液压缸、外液压缸、内应力补偿块以及外应力补偿块，所述底座包括上下并列设置的两圆盘，两圆盘固定连接在一起，且两圆盘的轴心线重合，其中，上方圆盘的直径小于下方圆盘的直径；所述内液压气缸与外液压气缸均为多个，其中，内液压气缸绕上方圆盘外缘一周均匀分布并与上方圆盘固定连接，其活塞杆的轴向与上方圆盘的径向一致，所述内应力补偿块与内液压缸的活塞杆相连；所述外液压缸与下方圆盘的外缘固定连接，且外液压缸的位置与内液压缸的位置相对应，其活塞杆的轴向与下方圆盘的径向一致，所述外应力补偿块与外液压缸的活塞杆相连。

进一步地，所述内应力补偿块的外侧和外应力补偿块的内侧均呈弧形，且当内液压缸的活塞杆和外液压缸的活塞杆伸出的长度分别一致时，内应力补偿块的外侧位于同一圆周上，外应力补偿块的内侧位于同一圆周上。

一种利用上述大型齿圈热处理变形多点应力补偿装置进行大型齿圈热处理变形多点应力补偿的补偿方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）建立大型齿圈模型，并根据大型齿圈模型进行有限元模型离散；同时，将大型齿圈热处理过程中的工艺条件输入到有限元模型；

（2）根据输入的工艺条件，结合大型齿圈模型进行大型齿圈热处理过程有限元仿真，预测大型齿圈热处理完成后的变形量和引起变形的应力位置及大小；

（3）根据（2）获得的应力位置和大小，对有限元模型进行应力的反向补偿，然后仿真大型齿圈热处理完成后的变形量和引起变形的应力；

（4）将步骤（3）获得的变形量与大型齿圈模型对比，如果变形量在公差范围内，则该应力作为最终补偿应力；如果变形超差，则利用步骤（3）获得应力累积步骤（2）获得应力再次补偿后仿真大型齿圈热处理的变形量和引起变形的应力，重新进行步骤（3），直至变形的公差允许，将累积的应力作为最终补偿应力；

（5）将步骤（4）获得的最终补偿应力利用控制系统输出给多点应力补偿装置的内液压缸和外液压缸，以对大型齿圈热处理变形进行控制。

进一步地，所述最终补偿应力为若干连续分布的应力的集合。

进一步地，所述控制系统将最终补偿应力等效为沿大型齿圈周向均匀分布的数个补偿作用力，然后通过控制多点应力补偿装置在各个补偿作用力的位置进行施加向外的推力或向内的拉力，以实现对大型齿圈应力的补偿。

进一步地，所述控制系统的控制方法是，以最终补偿应力中的最大应力处为起点，对应到一个应力补偿点，然后根据应力补偿个数将齿圈划分成数段，每段等效为一个补偿作用力补偿到相应应力补偿点，其中内液压气缸提供从齿圈从中心向外的推力，外液压气缸提供从外向中心的拉力。

进一步地，在补偿过程中，有限元模型根据齿圈的标准和要求对输入的工艺条件进行优化，然后将获得的最优的工艺条件输出。

进一步地，所述最优的工艺条件包括热处理温度、热处理介质、渗碳渗氮工艺炉氛、各个阶段的时间、应力补偿位置和其大小。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）不同规格的大型齿圈可以通过调液压缸活塞位置和更换内、外应力补偿块调节，适应不同的产品，节约了成本。

（2）采用多点应力补偿控制大型齿圈热处理变形，使齿圈在热处理过程中，能有效的控制大型齿圈热处理过程中的变形，提高产品质量，从而提高生产合格率。

（3）本方法和装置可以对齿圈热处理变形过程根据需要提供提供内圈向外推力和外圈的向内拉力，需要的应力补偿值可以根据需要利用液压缸进行调节，装置所需的支撑块、液压缸数量和位置均可以根据需要改变。

（4）利用计算机预测大型齿圈热处理变形量和引起变形的综合应力数值、位置，并进行多次累计计算、逼近，提高了效率和准确度，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的装置的俯视图；

图2为图1的侧视图；

图3为本法补偿方法的流程图。

图中：1—底座，2—内液压缸，3—外液压缸，4—内应力补偿块，5—外应力补偿块。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1、图2，一种大型齿圈热处理变形多点应力补偿装置，包括底座1、内液压缸2、外液压缸3、内应力补偿块4以及外应力补偿块5。所述底座1包括上下并列设置的两圆盘，两圆盘固定连接在一起，且两圆盘的轴心线重合，其中，上方圆盘的直径小于下方圆盘的直径。所述内液压气缸与外液压气缸均为多个。其中，内液压气缸绕上方圆盘外缘一周均匀分布并与上方圆盘固定连接，其活塞杆的轴向与上方圆盘的径向一致，所述内应力补偿块4与内液压缸2的活塞杆（伸出缸体的一端）相连。所述外液压缸3与下方圆盘的外缘固定连接，且外液压缸3的位置与内液压缸2的位置相对应，其活塞杆的轴向与下方圆盘的径向一致，所述外应力补偿块5与外液压缸3的活塞杆（伸出缸体的一端）相连。

所述内应力补偿块4的外侧和外应力补偿块5的内侧均呈弧形，且当内液压缸2的活塞杆和外液压缸3的活塞杆伸出的长度分别一致时，内应力补偿块4的外侧位于同一圆周上，外应力补偿块5的内侧位于同一圆周上。

具体实施时，所述内液压缸2和外液压缸3均由计算机（或工控机）控制，通过计算机控制各内液压缸2和外液压缸3的活塞杆的伸出长度，从而实现对变形部分的补偿，这样能够能够根据不同的热处理环境进行适应性的形变补偿，从而能够更好地保证齿圈的稳定性。

参见图3，一种利用上述大型齿圈热处理变形多点应力补偿装置进行大型齿圈热处理变形多点应力的补偿方法，包括如下步骤：

（1）建立大型齿圈模型，并根据大型齿圈模型进行有限元模型离散；同时，将大型齿圈热处理过程中的工艺条件输入到有限元模型。

（2）根据输入的工艺条件，结合大型齿圈模型进行大型齿圈热处理过程有限元仿真，预测大型齿圈热处理完成后的变形量和引起变形的应力位置及大小。

（3）根据（2）获得的应力位置和大小，对有限元模型进行应力的反向补偿，然后仿真大型齿圈热处理完成后的变形量和引起变形的应力。

（4）将步骤（3）获得的变形量与大型齿圈模型对比，如果变形量在公差范围内，则该应力作为最终补偿应力；如果变形超差，则利用步骤（3）获得应力累积步骤（2）获得应力再次补偿后仿真大型齿圈热处理的变形量和引起变形的应力，重新进行步骤（3），直至变形的公差允许，将累积的应力作为最终补偿应力；所述最终补偿应力为若干连续分布的应力的集合。所述控制系统将最终补偿应力等效为沿大型齿圈周向均匀分布的数个补偿作用力，然后通过控制多点应力补偿装置在各个补偿作用力的位置进行施加向外的推力或向内的拉力，以实现对大型齿圈应力的补偿。

所述控制系统的控制方法是，以最终补偿应力中的最大应力处为起点，对应到一个应力补偿点，然后根据应力补偿个数将齿圈划分成数段，每段等效为一个补偿作用力补偿到相应应力补偿点，其中内液压气缸提供从齿圈从中心向外的推力，外液压气缸提供从外向中心的拉力。其中，每个内外液压缸独立控制，根据所需应力补偿值由控制系统调节液压缸上面的压力控制阀或溢流阀进行调节控制。

（5）将步骤（4）获得的最终补偿应力利用控制系统输出给多点应力补偿装置的内液压缸和外液压缸，以对大型齿圈热处理变形进行控制。

在补偿过程中，有限元模型根据齿圈的标准和要求（如硬度、组织分布等）对输入的工艺条件进行优化（优化热处理温度、热处理介质（以此调节换热系数和材料的冷却速度）、渗碳渗氮工艺炉氛、各个阶段理时间），然后将获得的最优的工艺条件输出。所述最优的工艺条件包括热处理温度、热处理介质（以此调节换热系数和材料的冷却速度）、渗碳渗氮工艺炉氛、各个阶段的时间、应力补偿位置和其大小。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。