一、精轧机大倾角鼓形齿主轴
带钢热轧精轧机的主轴根据联轴器形式，主要有十字万向轴式和鼓形齿式两种，十字万向轴式的主轴能够适应更大的主轴倾角，鼓形齿联轴器能够传递更大扭矩，且使用寿命长、维修成本低，但主轴的工作倾角超过 2°，鼓形齿接轴的承载能力将大幅度下降。这限制了鼓形齿接轴在大工作倾角度条件下的应用。随着轧制钢种的不断升级，对轧制力和主轴倾角同时提出了更高要求，为了适应这一变化趋势，目前一些国外主轴制造商已经开发出能够在大倾角工况下使用的鼓形齿联轴器，德国西马克公司率先研发了大倾角鼓形接轴( 最大带载工作倾角为 3. 5° ) ,并成功应用于德国 Salzgitter 钢厂，其 F1 和 F2 机架主轴的最大带载工作倾角达到了 2. 4° 。
某带钢热连轧精轧机使用交叉头控制板型 ,导致主轴扁头套使用过程中的位移量和偏转角度变化较大，因此在产线设计初期选择了十字轴式的主轴，出于对高强钢、超薄钢的轧制需求，现场将 F1、F2 两个机架的主轴改为了鼓形齿主轴，采购进口件 。进口鼓形齿对详细的齿形信息保密且价格较为昂贵，导致鼓形齿维护工作困难、成本高，为了缩短采购周期、降低使用成本 ,某热轧厂进行了鼓形齿国产化试制，请国内重型机械制造厂家测绘了进口扁头套的主要尺寸和鼓形齿内齿齿形，以此为依据制作了备件，但上机使用数小时后发现鼓形齿处的温度异常高，随即紧急停机更换了主轴 ,异常发热的国产化扁头套经过解体发现，扁头套的鼓形齿内齿位置有明显的发黑碳化痕迹，说明停机前温度极高，如图 1a) 所示 ,鼓形齿外齿则能够看 到明显的磨损和胶合痕迹 ,如图 1b) 所示。
为了分析鼓形齿损坏的根本原因 ,寻找国产件与进口件的差别,本文首先设计了一套未知参数齿形和精度的测量方法，并测量对比了国产和进口鼓形齿的齿形和精度，随后引申讨论了鼓形齿的后期修复问题，探讨了激光堆焊修复过程引起的鼓形齿内齿圈变形问题,解析了修复引起内齿圈变形的原因，提出了修复过程的变形控制方法 ,并在实际应用中验证了该方法的可行性。
二、鼓形齿齿形参数及精度检测
分别测量了国产鼓形齿内齿套和进口鼓形齿内齿套的齿形参数及加工精度 ,以分析国内外鼓形齿在设计理念和制造精度两方面的差异。测量工作借助齿轮测量中心进行，国产鼓形齿以测绘图纸上的参数为准，主要包括模数、压力角、直径等，如表 1 所示 ,并以该参数为基准测量齿的制造精度;进口鼓形齿未提供具体齿形参数，通过反复测量及拟合修正获得最为接近的齿形参数，过程如下：首先试用齿轮测量中心测量主要齿形参数，随后根据得到的结果，在不改变基圆的情况下，修正模数和压力角的小数部分，得到数值较为合理的齿形参数，认为是设计参数;将修正后的齿形设计参数输入齿轮测量中心，再次检测进口鼓形齿，从而获得现有齿形参数和制造精度。
经过测量，进口件的齿形参数与国产鼓形齿存在明显差别，主要体现在模数和压力角上，进口件的模数和压力角的取值均大于国产件，尤其是压力角的差异会导致齿面受力区域和应力值的变化，导致油膜难以建立进而引发本次烧损事故。进一步的，测量了两种鼓形齿的制造精度，主要测量齿形、齿向精度和周累精度 。齿形精度测量结果如图 2(a) (b) 所示 , 国产鼓形齿的齿形精度为 10 级(国产鼓形齿测绘图纸上要求制造精度达到 6 级)，进口鼓形齿的齿形精度为 4 级;齿向精度测量结果如图 2(c) (d) 所示 , 国产件为 9 级 ,进口件为 4 级;周累误差测量结果如图 2(e) (f) 所示，周累精度为 9 级，周累精度为 6 级。从测量结果可知，国产的制造精度均低于图纸要求的 6 级，也显著低于进口的制造精度 ,根据各类轧机上鼓形齿主轴的使用经验，制造精度差同样会引起鼓形齿的异常磨损甚至烧损。进口鼓形齿的制造精度在 4 ~ 6 级之间，因此其图纸要求的精度应当为齿形和齿向精度 4 级，周累精度 6 级，略高于国产图纸要求。
三、扁头套修复引起的鼓形齿变形及控制方法
扁头套修复工艺及变形量化
扁头套的扁势面在传动时主要承受正压力，换辊时主要承受切向摩擦力，长时间使用后发生显著磨损需要通过堆焊恢复尺寸，并恢复表面硬度。某热轧厂常用的修复手段为激光堆焊，过程为：首先机加工去除扁势面疲劳层，然后使用激光堆焊恢复尺寸，最后机加工至图纸尺寸，并对表面进行渗碳淬火处理恢复硬度。扁势面渗碳淬火层的厚度≥2mm，硬度要求为 HRC57- 62，因此在去除疲劳层时，难以直接使用机床加工，通常需要先入炉进行消应力退火处理，降低表面硬度、改善加工性能。在消应力退火的实操过程中观察到，扁头套及鼓形齿处积累的残余应力释放，引起结构发生椭圆变形，尤其是壁厚最薄的鼓形齿处，椭圆趋势最为明显。
为了定量测量鼓形齿内齿圈的变形程度，设计了如图 3 所示的测量工装。选择两根直径为 20mm 左右的金属棒材，分别放置在第 n 和 n+20 个齿间隙内，随后使用夹钳将棒材紧紧地固定在鼓形齿齿面上，此时使用卡尺测量两个棒材外径间距，并不断调整卡尺方位，直至测量到最大的外径间距，根据奇数齿和偶数齿可以选择多种不同的测量方案，图3(a) (b) 共提供了三种不同的测量方案，图 3(c) 为测量鼓形齿内径 d2 时的实操图。选择以上任意一种测量方案，并在每个界面上测量四个不同角度的内径，分别测量 0°，45°，90°，135°的鼓形齿内径，如图 4(a) 所示，通过比较四个内径的数值差距可以得到鼓形齿内齿椭圆变形的程度，另外为了反映不同壁厚度处的变形程度，分别选择了三个测量截面如图 4(b)所示 。为了使测量结果具有横向对比意义，需要保证多次测量选择相同尺寸的金属棒材和相同的测量方案，最后计算得到不同角度的内径最大差值进行变形量大小的对比，差值越大说明内齿圈变形越大。
根据该方法 ,实测了一套下机修复的扁头套截面 1 位置的鼓形齿内径 ,分别测量了下机后、消应力退火、堆焊及渗碳淬火后的变形量，并测量了一个鼓形齿新品尺寸做对比，结果如表 2 所示。对比各个阶段的最大差值可以看出，使用一个周期后，鼓形齿的变形量不明显，两次热处理带来的热变形较为显著，消应力退火后的直径最大差值增大了 0. 43mm，堆焊和渗碳淬火后的直径最大差值增大了 0. 94mm，参考齿形测量结果 ,鼓形齿对齿形和精度要求较高，如此变形量将严重影响再次上机使用。
扁头套变形控制方法
1. 抱箍热处理法
加工一个具有一定厚度和高度的圆桶形抱箍，如图 5 (a) 所示，抱箍与鼓形齿外径之间采用过盈配合，通过加热涨大后安装到鼓形齿外侧。使用过盈配合主要有两个目的：其一 ,能够施加收紧的预紧力，达到增大鼓形齿处壁厚、防止热处理中发生变形的效果;其二，抱箍平均直径大于鼓形齿内齿圈，在加热温度相同时，抱箍的涨大量略大于鼓形齿内齿圈，需要通过预制过盈量保证抱箍始终与鼓形齿贴合。
为了达到减小或防止热处理变形的目的，抱箍设计时需要考量三个主要的尺寸参数：
1) 抱箍厚度：图 5(b) 为抱箍厚度的定义及测量方法，厚度主要影响抱箍施加的抱紧力的大小，壁厚需要大于扁势面厚度与鼓形齿内齿圈厚度的差值，使得安装抱箍后的鼓形齿内齿圈总壁厚大于扁势面处厚度。
2) 抱箍高度：图 5( c) 为抱箍高度的定义及测量方法，抱箍需要覆盖鼓形齿端绝大部分的薄壁结构，主要指图 4(b)中的截面 1 和截面 2，并且抱箍应当延伸至超过扁头套的位置，以保证抱箍能够在壁厚较厚的扁头套处获得足够的轴向抗弯能力，否则抱箍易跟随鼓形齿端整体发生偏斜。
3) 过盈量：过盈量指抱箍与鼓形齿之间的配合过盈量，选值需要考虑消应力退火、堆焊、渗碳战火过程抱箍的温升，保证受热膨胀后抱箍和鼓形齿外侧始终贴合，基于此原则可以得到最小过盈量 δ 的计算公式为 :
式中：
α—钢材的线膨胀系数 ,可以近似为 10-5/ ℃;
Db —抱箍外径;
Dg —和鼓形齿外径;
Ta —最高温度温度;
T0 —室温;
w—抱箍厚度;
b—余量系数 ,根据实际情况在 1. 1 ~ 1. 3 之间取值。
抱箍过盈量不易取得过大，需要考虑抱箍装拆的便捷性。
现场实际使用抱箍进行消应力退火的鼓形齿内齿圈变形如表 3 所示。
通过比较四个相位内径的差值，可以看到内齿圈任存在椭圆变形趋势，但是相较不使用抱箍时具有明显减小，截面 1 热处理前的最大差值为 0. 05mm，热处理后为 0. 3mm，增大量为 0. 25mm (不使用抱箍时的增大量为 0. 43mm) 减小了 41. 8% 。
截面 2 热处理前的最大差值为 0. 05mm，热处理后为 0. 17mm;截面 3 热处理前的最大差值为 0. 06mm，热处理后为 0. 04mm。截面 1 和截面 2 的位置发生了显著的椭圆变形，截面 3 基本未发生变形，对比发现壁厚越薄，椭圆变形越明显，截面 1 位于鼓形齿处，该处壁厚最薄，变形量最大。
2. 鼓形齿冷矫法
对于已经发生变形的鼓形齿内齿圈，可以使用冷矫的方法。首先使用量棒测量各角度的直径，找到直径最大的位置，直径最小处通常与该位置呈 90°夹角，使用夹具在直径最大的位置由外向内夹紧鼓形齿，同时使用千斤顶和顶杆在直径最小的位置由内向外撑紧鼓形齿，并保持一定时间 ,随后重新检查各个相位的直径大小，找到最大、最小直径并利用上述方法进行冷矫，直至变形量达到期望值。
3. 线切割法
在去除疲劳层时，使用线切割代替机加工，由于线切割不受材料硬化的影响，因此可以不进行消应力退火直接去除疲劳层。但是线切割的效率低，完成扁头套内孔疲劳层切割需要花费较长的加工时间，通常无法满足现场的修复周期要求，且线切割的成本较高，比较适合精度要求高、修复时间充裕的场合。
四、结论
通过对进口、国产鼓形齿扁头套的齿形和精度的测量，以及对修复过程中的经验总结，本文主要得到如下结论 :
1) 扁头套的鼓形齿内齿圈对模数和压力角较为敏感，国产件的齿形与进口件存在差异，是造成鼓形齿烧损的主要原因;
2) 国产件的图纸精度要求为 6 级，实际加工精度在9 ~ 10 级之间未达到图纸要求，进口件的实际精度为 4 ~ 6 级，高于高产图纸要求;
3)扁头套修复时进行的消应力退火导致的变形与壁厚负相关，壁厚越薄则椭圆形变形越明显，鼓形齿内齿处变形最为明显，鼓形齿与扁势面的过渡位置几乎不产生变形;
4) 通过在热处理过程中佩戴抱箍，能够缓解薄壁处产生的椭圆变形，使用抱箍后鼓形齿处的内径最大差值由 0. 43mm 降低至 0. 25mm，减小了 41. 8% 。
作者简介：马遵农 ,宝山钢铁股份有限公司
参考文献略.