先進(jìn)熱處理和表面處理工藝技術(shù)助力航空齒輪綠色制造

熱處理和表面處理是航空齒輪制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是航空齒輪服役性能的重要保障。同時，熱處理和表面處理也是耗能大戶，在節(jié)能減排與環(huán)境保護(hù)的大背景下，開展熱處理和表面處理工藝先進(jìn)技術(shù)升級、實現(xiàn)航空齒輪綠色制造是大勢所趨。當(dāng)前，環(huán)境問題已經(jīng)成為國際社會關(guān)注的焦點。2020年9月，我國明確提出2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的雙碳目標(biāo)。《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》指出，到2025年，工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式綠色低碳轉(zhuǎn)型取得顯著成效，綠色低碳技術(shù)裝備廣泛應(yīng)用，能源資源利用率大幅提高，綠色制造水平全面提升，為2030年工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰奠定堅實基礎(chǔ)。降低制造業(yè)碳排放成為能否實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。熱處理被稱為電老虎，我國每年熱處理總計耗能超過1000萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，排放超3000萬t二氧化碳，以及超過1000萬t的碳、氮氧化物和少量揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）等。傳統(tǒng)表面處理工作環(huán)境差、能耗大、對環(huán)境污染嚴(yán)重，同時危害工作人員的身體健康。持續(xù)推廣綠色熱處理和表面處理技術(shù)與裝備是大勢所趨，已成為“十四五”綠色制造發(fā)展的重點方向。齒輪在航空發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)中扮演著重要角色。一是在發(fā)動機(jī)起動時從起動機(jī)提取功率，帶動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；二是在發(fā)動機(jī)正常工作時從發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子提取功率，帶動發(fā)動機(jī)附件和飛機(jī)附件正常工作。高精度高性能航空齒輪是航空發(fā)動機(jī)整體性能的重要保障，而熱處理和表面處理技術(shù)是提升航空齒輪性能的重要途徑。中國航發(fā)中傳是高精密航空齒輪專業(yè)化企業(yè)，具有較完備的熱處理和表面處理工藝體系，近年來持續(xù)開發(fā)或改善了可控氣氛熱處理、真空熱處理、氣體氰化、高壓氣淬以及保護(hù)工裝等方法，廣泛開展了工藝仿真等前沿技術(shù)研究，在綠色改造與節(jié)能減排方面取得顯著成效。圖1為先進(jìn)熱處理和表面處理設(shè)備及工藝。圖1

先進(jìn)熱處理和表面處理設(shè)備及工藝熱處理和表面處理新技術(shù)滲碳新技術(shù)傳統(tǒng)滲碳采用井式爐滴注式滲碳，由人工控制滴量往爐內(nèi)滴注煤油、甲苯等有害物質(zhì)，通過高溫分解出碳原子實現(xiàn)滲碳，依靠抽試料觀察斷口判斷零件的滲層深度，決定出爐時間，滲碳后由人工操作行吊將高溫零件轉(zhuǎn)移到簡易的冷卻桶冷卻。滴注式滲碳勞動強(qiáng)度大，安全隱患多，產(chǎn)品穩(wěn)定性較差，同時排放的廢氣雖經(jīng)過燃燒但依然排放在廠房內(nèi)，嚴(yán)重影響工作環(huán)境。近年來，中國航發(fā)中傳已全面淘汰了滴注式滲碳工藝，引進(jìn)了底裝料立式多用途爐、低壓真空爐等新設(shè)備，不斷研究應(yīng)用可控氣氛滲碳和真空滲碳工藝。可控氣氛滲碳常采用多用途爐，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)或滲碳要求編制差異化程序，精準(zhǔn)控制溫度、碳勢、時間等主要參數(shù)，零件滲碳質(zhì)量和批次一致性顯著提高，工作強(qiáng)度和安全隱患也大大降低。同時，設(shè)備裝爐量一般在500～1000kg，減少了零件的分爐，提高效率的同時降低了能源消耗。真空滲碳是近年來熱處理行業(yè)的發(fā)展趨勢，最突出的優(yōu)點是零件不會產(chǎn)生氧化，表面潔凈，滲層均勻性好，尤其是改善了細(xì)長盲孔類零件盲孔區(qū)域滲層質(zhì)量難以保證的問題。同時，真空爐可以隨用隨停，避免了持續(xù)保溫耗能的問題。中國航發(fā)中傳在滲碳工藝研究推廣過程中，開發(fā)了淺層滲碳、多區(qū)域不同深度精確滲碳等多項新技術(shù)，滲層范圍比航標(biāo)要求縮窄30%以上，由依賴經(jīng)驗、手工操作模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸O(shè)備+程序”模式，實現(xiàn)了不同零件工藝的量身定制，滿足了航空齒輪日益嚴(yán)苛的設(shè)計需求。氰化新技術(shù)傳統(tǒng)的液體氰化采用熔融的氰化物鹽浴進(jìn)行加熱，其中氰鹽的劇毒性嚴(yán)重危害工人健康，同時造成環(huán)境污染。中國航發(fā)中傳自2010年起淘汰該落后工藝，研究并推廣了氣體氰化技術(shù)，采用多用途爐或真空爐，零件在可控氣氛中實現(xiàn)氰化，工藝穩(wěn)定性好。在氣體氰化工藝研發(fā)過程中，形成了淺層氰化控制技術(shù)（層深＜0.2mm）、快速深層氰化控制技術(shù)（層深0.85～1.25mm）等多項新技術(shù)，可以滿足小模數(shù)花鍵硬齒面、高精度、高耐磨性等要求，彌補(bǔ)了滲碳變形大、淺滲層難以控制等缺點，為“滲碳+氰化”的多重?zé)崽幚砉に囋O(shè)計奠定了基礎(chǔ)。淬火新技術(shù)鹽浴加熱具有加熱時間短、受熱均勻性好的特點，可以滿足中小型復(fù)雜、薄壁零件變形控制要求。多數(shù)航空齒輪常帶有薄壁、長軸、花鍵等特殊結(jié)構(gòu)，精度要求高且熱處理后機(jī)械加工難度大。為有效控制熱處理變形，多采用鹽浴淬火或堿浴保溫冷卻的方式。但鹽浴爐升溫過程緩慢，停爐時間少，需要不間斷地加熱保溫，造成極大的能源浪費，同時鹽浴會產(chǎn)生揮發(fā)性有毒有害氣體，造成環(huán)境污染，危害健康。此外，鹽爐淬火手工操作，對技能要求高，難以形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)，熔融的鹽不穩(wěn)定，需要定時撈渣、除氧，因此產(chǎn)品批次質(zhì)量穩(wěn)定性難以保證。隨著真空爐的推廣和應(yīng)用，中國航發(fā)中傳逐步開展了真空加熱和高壓氣淬工藝研究，用于替代鹽浴和堿浴，消除了提前溫升、持續(xù)保溫的耗能問題。同時，真空氣淬可以通過調(diào)節(jié)氣體壓力控制零件的冷卻速度，降低復(fù)雜薄壁件的淬火變形校正幾率，顯著提升零件質(zhì)量和生產(chǎn)效率。對于大批量生產(chǎn)的薄壁盲孔類零件，原來采用鹽浴淬火的一次交檢合格率不足30%，通過校正勉強(qiáng)達(dá)到85%，其中很多零件因校正裂紋報廢；后續(xù)通過真空氣淬合格率提升至96%以上，基本不需要校正，零件組批量由原來的40～50件增加至150件左右，大大縮短了加工周期，降低了能源消耗。表面處理新技術(shù)中國航發(fā)中傳具備電鍍、表面化學(xué)處理、電化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、表面涂覆等多種表面處理加工能力，開展表面處理工藝技術(shù)升級對減排降耗意義重大。傳統(tǒng)電鍍硬鉻工藝復(fù)雜、涂覆時間長、環(huán)境污染大、綜合能耗高，中國航發(fā)中傳逐步轉(zhuǎn)向開發(fā)高抗磨能力的熱噴涂氧化鉻、碳化鎢等新技術(shù)，改善了工作環(huán)境、提高了加工效率、降低了綜合能耗。同時，噴涂的涂層硬度更高，零件抗磨性能更好。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用于軸外圓、孔面、平面的尺寸修復(fù)和增加表面硬度。浸潤主要用于鋁合金、鎂合金、鋼鐵等鑄件的微孔填充，是鑄件漏泵缺陷件的補(bǔ)救措施。傳統(tǒng)方法采用亞麻油浸潤，浸潤后表面殘余油難清洗，進(jìn)爐烘烤固化時油脂污染設(shè)備，烘烤溫度高、時間長，因此效率低、能耗大。同時，亞麻油浸潤對微孔的填充密封效果差。新工藝中，采用樂泰膠取代亞麻油進(jìn)行浸潤處理，表面殘余樹脂可用水清洗干凈，在較低溫度下短時間內(nèi)即可固化，精簡了工藝流程、提高了浸潤質(zhì)量，效率高、能耗小。同時，樂泰膠浸潤對微孔填充密封效果更好。局部鍍銅方面，傳統(tǒng)工藝為整體電鍍，再將鍍層保留區(qū)人工涂蠟，去除其余部位鍍層，工藝復(fù)雜、周期長，且多次電鍍、除鍍層造成能源浪費。此外，人工刷涂蠟對操作技能要求高，刷涂效率低且易造成刷涂邊界不整齊，同時電解局部除銅易造成零件表面及邊界腐蝕，影響電鍍質(zhì)量。中國航發(fā)中傳針對不同零件合理設(shè)計橡膠保護(hù)套對非電鍍區(qū)實施遮蓋，省去了涂蠟保護(hù)、局部電解除銅等多余操作，鍍銅邊界整齊、外觀好，同時護(hù)具安裝、拆卸操作簡單，產(chǎn)品電鍍加工效率提升了70%以上，且有效減少了污水排放和能源消耗。熱處理和表面熱處理工藝仿真近年來，中國航發(fā)中傳廣泛開展了熱處理、表面處理、噴丸強(qiáng)化等工藝仿真應(yīng)用技術(shù)研究，減少了試驗次數(shù)和能源浪費，提高了生產(chǎn)效率。熱處理工藝仿真熱處理是提高航空齒輪綜合力學(xué)性能的重要手段，但熱處理變形會影響齒輪加工精度。為了控制熱處理變形，傳統(tǒng)生產(chǎn)中通常依靠經(jīng)驗和多次試驗確定最佳工藝參數(shù)，耗時耗力且效果不佳。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用數(shù)值模擬方法對熱處理過程進(jìn)行仿真研究，可以有效預(yù)測熱處理變形趨勢，實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，降低研發(fā)和生產(chǎn)成本。中國航發(fā)中傳開展了螺旋錐齒輪熱處理變形數(shù)值模擬研究，探索熱處理數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用。通過建立螺旋錐齒輪熱處理溫度場—組織場—應(yīng)力應(yīng)變場耦合的數(shù)值仿真模型，分析其滲碳和淬火過程的溫度變化、組織變化、殘余應(yīng)力變化以及熱處理后齒輪的變形情況（見圖2和圖3），研究模壓淬火模具組合尺寸、壓力角、淬火壓力等對熱處理變形的影響規(guī)律，最終通過優(yōu)化模具和工藝參數(shù)，實現(xiàn)了螺旋錐齒輪熱處理變形可控，多個產(chǎn)品取消了首件淬火的驗證工步，大大縮短了生產(chǎn)周期和試驗次數(shù)，有效釋放了產(chǎn)能、節(jié)約了能源。

圖2

螺旋錐齒輪滲碳數(shù)值仿真結(jié)果

圖3

螺旋錐齒輪淬火數(shù)值仿真結(jié)果鍍銅工藝仿真在航空齒輪生產(chǎn)過程中，鍍銅工藝的銅層致密性、厚度均勻性等電鍍質(zhì)量直接影響后續(xù)熱處理質(zhì)量，最終影響整個零件的表面質(zhì)量和服役性能。為解決傳統(tǒng)螺旋錐齒輪鍍銅經(jīng)驗依賴性高、工藝設(shè)計能力弱、鍍層厚度均勻性差等問題，中國航發(fā)中傳基于PlatingManager電鍍仿真平臺，開展了鍍銅工藝仿真和優(yōu)化方法研究，由經(jīng)驗—試制—糾錯—驗證設(shè)計模式改為正向開發(fā)設(shè)計模式。通過對兩種螺旋錐齒輪鍍銅工藝進(jìn)行仿真分析（見圖4），揭示了銅層厚度不均勻的原因，提出了工藝優(yōu)化方案。通過采取優(yōu)化電極形狀和布置、增加電流竊取等優(yōu)化手段，有效降低了零件尖端位置的電流密度，提高了銅層厚度均勻性，使銅層厚度全部在20～40μm區(qū)間內(nèi)。通過一體式工裝設(shè)計，降低了零件裝掛難度，提高了工藝穩(wěn)定性，同時將單個零件的電鍍時長縮短了1/3。試驗測試值與仿真預(yù)測值對比表明，仿真預(yù)測精度在90%以上，驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性，可用于后續(xù)電鍍工藝優(yōu)化及工裝設(shè)計。圖4

基于PlantingManager的鍍銅工藝仿真及優(yōu)化設(shè)計噴丸強(qiáng)化工藝仿真噴丸可以在齒輪表面形成殘余壓應(yīng)力，是確保齒輪表面完整性和提高齒輪表面疲勞強(qiáng)度的有效手段，但過度噴丸會增大齒輪表面粗糙度，同時造成薄壁輻板齒輪齒形齒向變形，反而降低其疲勞抗力。如何兼顧噴丸強(qiáng)度和粗糙度以及齒形齒向間的矛盾，是噴丸強(qiáng)化工藝設(shè)計的難點。中國航發(fā)中傳開展了弧齒錐齒輪噴丸強(qiáng)化工藝仿真研究，基于ABAQUS和MATLAB開發(fā)了螺旋錐齒輪噴丸專用仿真分析軟件（見圖5），實現(xiàn)了螺旋錐齒輪噴丸工藝仿真和參數(shù)優(yōu)化?；谒⒌姆抡婺Ｐ?，以大殘余壓應(yīng)力值、大壓應(yīng)力層深度、小表面粗糙度和小齒形變化量為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，獲得最佳噴丸工藝參數(shù)，使噴丸工藝設(shè)計周期減少了50%。圖5

齒輪噴丸強(qiáng)化和仿真軟件界面結(jié)束語中國航發(fā)中傳持續(xù)開展設(shè)備改造、工藝技術(shù)升級和仿真方法運(yùn)用，使航空齒輪熱處理和表面處理生產(chǎn)過程能耗得以降低、效率得以提升、環(huán)境得以改善?！笆濉鼻昂笙啾龋瘜W(xué)需氧量（COD）下降了10.78%，氨氮排放量下降了3