本發(fā)明涉及加工領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)用齒輪鋼。

背景技術(shù)：

1、隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮牟粩嘣黾?，風(fēng)力發(fā)電成為一種重要的綠色能源形式。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，齒輪傳動系統(tǒng)是核心部件之一，其性能直接影響到整個發(fā)電機(jī)組的效率和壽命。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中使用的齒輪鋼通常需要具備高強(qiáng)度、良好的韌性和耐磨性，以及能夠承受長時間的循環(huán)載荷。

2、目前，齒輪鋼的傳統(tǒng)鍛造工藝主要包括以下幾個步驟：材料準(zhǔn)備、加熱、鍛造、熱處理及后續(xù)加工。然而，這些傳統(tǒng)工藝在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問題和挑戰(zhàn)：公開號為cn104907473a的專利公開了一種大型模具扁鋼鍛件的熱加工方法，但是其在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定局限性，包括：1.纖維破壞：在鍛造過程中，鋼材內(nèi)部的纖維容易被破壞，影響齒輪鋼的機(jī)械性能。由于纖維破壞和鍛造工藝控制不當(dāng)，齒輪鋼的耐磨性和韌性較差，影響了齒輪的使用壽命和可靠性。2.應(yīng)力集中：凹槽臺階底部和邊緣是應(yīng)力集中的區(qū)域，在鍛造過程中，材料在這些區(qū)域受到局部應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致裂紋的形成和擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致鍛件開裂和斷裂。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、（一）解決的技術(shù)問題

2、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的在于提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)用齒輪鋼，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明采用特定的凹槽模具設(shè)計，使鋼材在鍛造過程中纖維能夠連續(xù)分布。這種設(shè)計不僅提高了材料利用率，還保持了纖維的完整性，大大提升了齒輪鋼的強(qiáng)度和韌性，由于連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)的保留，齒輪鋼的耐磨性和韌性得以顯著提升，從而提高了齒輪的使用壽命和可靠性。

3、通過分多次逐步完成復(fù)雜形狀的鍛造和控制每次鍛造的變形量，可以有效分散和釋放局部應(yīng)力，避免應(yīng)力集中。同時，通過在設(shè)計凹槽和臺階時設(shè)置過渡圓角，顯著減少應(yīng)力集中，避免材料在應(yīng)力集中的區(qū)域發(fā)生斷裂。結(jié)合控制鍛造工藝參數(shù)和多次應(yīng)力釋放處理，確保鍛件的質(zhì)量和性能。

4、（二）技術(shù)方案

5、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

6、一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)用齒輪鋼，包括齒輪鋼本體和對稱設(shè)置于齒輪鋼本體兩端的凹槽臺階，齒輪鋼本體的中部貫穿設(shè)置有安裝孔。凹槽臺階的底部和上端邊緣設(shè)置有過渡圓角，過渡圓角的半徑為凹槽臺階寬度的1/8。其中齒輪鋼本體是整個組件的主要承載結(jié)構(gòu)，它具備高強(qiáng)度和良好的韌性來支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的扭矩和彎曲應(yīng)力。對稱設(shè)置于兩端的凹槽臺階可以改善齒輪鋼在旋轉(zhuǎn)時的應(yīng)力分布，減少因離心力導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這些凹槽臺階有助于吸收振動并降低噪音，對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境來說是一個優(yōu)點(diǎn)。并且臺階可以作為額外的支撐結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)齒輪鋼的整體剛性和穩(wěn)定性。安裝孔位于齒輪鋼中部，用于安裝軸心。過渡圓角是指在凹槽臺階的底部和上端邊緣設(shè)置的圓滑過渡部分，其半徑為凹槽臺階寬度的1/8。此設(shè)置通過將尖銳的角變?yōu)閳A滑的過渡角，具有以下好處：

7、1.減少應(yīng)力集中：尖銳角是應(yīng)力集中最明顯的區(qū)域，材料在這些區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋和斷裂。通過設(shè)置圓角過渡，可以將應(yīng)力均勻分布在較大面積上，避免局部應(yīng)力過高。凹槽臺階的底部和上端邊緣的圓角設(shè)計能有效緩解應(yīng)力集中，降低因應(yīng)力過高導(dǎo)致的裂紋和斷裂風(fēng)險，從而提高鍛件的整體強(qiáng)度和可靠性。采用圓角過渡的設(shè)計能有效提高齒輪鋼在反復(fù)載荷下的疲勞強(qiáng)度，使其在長時間運(yùn)行中更具耐久性和可靠性。

8、2.改善材料流動性：在鍛造過程中，材料的流動性對于成形質(zhì)量至關(guān)重要。圓角設(shè)計可以使材料在模具中的流動更加順暢，減少材料堆積和不均勻變形。圓角過渡設(shè)計能促進(jìn)材料在鍛造過程中均勻分布，提高成形質(zhì)量，減少缺陷，提高最終產(chǎn)品的外觀和性能。

9、3.優(yōu)化應(yīng)力分布：圓角過渡可以優(yōu)化應(yīng)力分布，使得應(yīng)力在整個凹槽臺階區(qū)域內(nèi)均勻分布，避免單一部位的應(yīng)力集中。通過優(yōu)化應(yīng)力分布，提升齒輪鋼的整體力學(xué)性能，使其在使用過程中能夠更好地承受各種復(fù)雜載荷，提高使用壽命和可靠性。

10、進(jìn)一步的，過渡圓角的半徑為凹槽臺階寬度的1/8。發(fā)明人基于自身的創(chuàng)造性勞動，發(fā)現(xiàn)在該范圍值內(nèi)進(jìn)行的鍛造，可以有效的減少應(yīng)力在凹槽臺階底部和邊緣處的集中，可以在保證強(qiáng)度和壽命的前提下，優(yōu)化應(yīng)力分布、提升疲勞壽命、改善材料流動性、提高加工性能，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。這些好處共同作用，顯著提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)用齒輪鋼的整體性能和可靠性。

11、該風(fēng)力發(fā)電機(jī)用齒輪鋼的鍛造工藝包括以下步驟：

12、s1預(yù)熱鋼坯:將鋼坯放入爐中進(jìn)行預(yù)熱，升溫至1050℃～1200℃，并保持30分鐘。預(yù)熱鋼坯至高溫可以顯著增加鋼的塑性。當(dāng)鋼加熱到一定溫度時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會變得更容易變形，這有助于隨后的鍛造過程。塑性增加意味著鋼坯可以在施加的壓力下更容易地改變形狀，而不會破裂。預(yù)熱鋼坯至高溫可以顯著增加鋼的塑性。當(dāng)鋼加熱到一定溫度時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會變得更容易變形，這有助于隨后的鍛造過程。塑性增加意味著鋼坯可以在施加的壓力下更容易地改變形狀，而不會破裂。

13、s2初步鍛造：對鋼坯進(jìn)行墩粗和拔長，循環(huán)次數(shù)為2～3次，每次墩拔時控制鋼坯的變形量為40%～50%；隨后對鋼坯進(jìn)行滾圓，平整、清角，形成初步的鍛件。其中墩粗是對原坯料沿軸向鍛打，使其高度減低、橫截面增大的操作過程，拉拔是對原坯料沿軸向鍛打，使其高度減低、橫截面增大的操作過程。滾圓步驟是將鋼坯的端部滾制成圓形，這有助于后續(xù)的成型過程，并可以提供更好的力學(xué)性能。平整、清角步驟是對鋼坯的表面和邊緣進(jìn)行平整處理，清除任何尖銳的邊緣或不規(guī)則部分，確保產(chǎn)品的平滑性和精確度。

14、s3回爐保溫：在鍛造完成后，將鍛件重新加熱至1200℃～1250℃的溫度，并在該溫度下保持1到3小時之間。通過回爐保溫，材料的微觀結(jié)構(gòu)（如晶粒大小、相組成等）會得到改善，從而提高材料的力學(xué)性能，包括強(qiáng)度、韌性和硬度。

15、s4模具成型：將鍛件轉(zhuǎn)移到凹槽模具中，通過10t錘多次對凹槽模具施加壓力，使鍛件在模具中發(fā)生塑性變形并最終成型。

16、其中模具如圖1所示，模具包括模套、下沖頭和上沖頭。預(yù)鍛坯則被放置在下沖頭與上沖頭之間。模套是容納整個鍛造過程中其他部件的主體結(jié)構(gòu)，具有內(nèi)腔，該內(nèi)腔的形狀設(shè)計成能夠容納并引導(dǎo)鍛造過程中材料的形狀變化。模套不僅提供了對沖頭的物理定位，還有助于確保鍛造過程中材料的變形符合設(shè)計要求。下沖頭位于模套的底部，用于支撐預(yù)鍛坯。在鍛造過程中，下沖頭可以向上移動，對預(yù)鍛坯施加壓力，使其變形以填充模套的型腔。下沖頭的上移動作是受控的，以確保材料在鍛造過程中均勻受力和變形。上沖頭位于模套的頂部，與下沖頭相對。在鍛造過程中，上沖頭向下移動并壓在預(yù)鍛坯上，與下沖頭相配合，共同作用于材料，使其塑性變形。上沖頭的設(shè)計與其對應(yīng)的下沖頭和模套相匹配，以確保可以在材料上施加均勻且控制的力量。

17、s5鍛件冷卻：鍛造完成后，從模具中取出鍛件，通過風(fēng)冷冷卻的方式使鍛件逐步冷卻至350℃～400℃，用以避免由于溫差引起的內(nèi)部應(yīng)力。

18、s6后處理：鍛件在冷卻之后會經(jīng)過一系列的熱處理工序，以優(yōu)化其微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。包括正火處理和回火處理。正火處理的溫度控制在850°c～950°c，保溫時間2h。正火處理是通過加熱至臨界溫度以上并保溫一段時間，然后緩慢冷卻，使鋼的組織變得均勻化。消除鍛造過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和組織不均勻性以及細(xì)化晶粒?；鼗鹛幚淼臏囟瓤刂圃?80°c～850°c，保溫時間3h。回火處理的目的是降低硬度和脆性，增加材料的韌性和延展性。減少由于后續(xù)加工或使用中可能出現(xiàn)的變形或開裂風(fēng)險。

19、s7表面處理：對鍛造齒輪鋼表面及凹槽臺階進(jìn)行處理，包括打磨和拋光；這一步的目的是去除鍛造過程中可能產(chǎn)生的任何表面缺陷，如裂紋、凹痕或燒傷痕跡。

20、s8檢驗(yàn)與質(zhì)量控制：進(jìn)行全面的質(zhì)量檢查，包括尺寸測量、表面檢查、材料性能測試。

21、進(jìn)一步的，齒輪鋼的材質(zhì)為合金結(jié)構(gòu)鋼或滲碳鋼。

22、進(jìn)一步的，其中鍛造次數(shù)控制為10次，1-3次的鍛造變形量控制在15%-20%，4-6次的鍛造變形量控制在10%-12%，7-10次的鍛造變形量控制在5%-8%。通過分多次逐步完成復(fù)雜形狀的鍛造，并控制每次鍛造的變形量，可以有效地分散和釋放局部應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，從而避免鍛件在凹槽和臺階等細(xì)節(jié)部位發(fā)生裂紋和斷裂。并且控制每次變形量能夠使材料在模具中均勻流動，避免不均勻變形和材料堆積。并提高成型質(zhì)量，優(yōu)化材料流動性可以減少缺陷，如氣孔、夾雜物等，提高最終鍛件的質(zhì)量。

23、發(fā)明人基于自身的創(chuàng)造性勞動，發(fā)現(xiàn)在該范圍值內(nèi)進(jìn)行的鍛造，可以有效的改善整體鍛件的金屬纖維分布，減少金屬纖維的斷裂和錯位，從而提高了鍛件的整體力學(xué)性能和疲勞壽命。這種鍛造工藝不僅優(yōu)化了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還增強(qiáng)了鍛件在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性，從而提升了風(fēng)力發(fā)電機(jī)用齒輪鋼的整體質(zhì)量和性能。

24、（三）有益效果

25、本發(fā)明目的在于提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)用齒輪鋼，本發(fā)明在凹槽臺階的底部和上端邊緣設(shè)置了半徑為凹槽臺階寬度1/8的過渡圓角。此設(shè)計有效地減少了尖銳角導(dǎo)致的應(yīng)力集中，從而顯著降低了裂紋和斷裂的風(fēng)險。通過將尖銳角變?yōu)閳A滑的過渡角，改善了應(yīng)力分布，提高了齒輪鋼在反復(fù)載荷下的疲勞強(qiáng)度，確保了其在長時間運(yùn)行中的耐久性和可靠性。

26、分次鍛造工藝：本發(fā)明通過將復(fù)雜形狀的鍛造過程分為多次逐步完成，并在每次鍛造中控制變形量，從而有效分散和釋放局部應(yīng)力。控制每次鍛造的變形量有助于優(yōu)化材料的流動性，減少不均勻變形和材料堆積，避免應(yīng)力集中，進(jìn)一步提升鍛件的成型質(zhì)量和最終性能。這種工藝改進(jìn)在保持強(qiáng)度和延長使用壽命的同時，還顯著提高了鍛件的穩(wěn)定性和安全性。

27、優(yōu)化材料流動性：圓角設(shè)計和分次鍛造工藝共同作用，促進(jìn)了材料在模具中的均勻流動，減少了鍛造過程中的缺陷如氣孔和夾雜物。這不僅提高了最終產(chǎn)品的外觀和性能，還確保了材料在整個加工過程中的一致性和可靠性。

28、綜合質(zhì)量控制：本發(fā)明結(jié)合了預(yù)熱、回爐保溫、模具成型、冷卻、后處理、表面處理和檢驗(yàn)與質(zhì)量控制等工藝步驟，通過這些步驟的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了齒輪鋼的高性能和高可靠性。每一步工藝都針對材料的不同特性進(jìn)行優(yōu)化，確保了最終產(chǎn)品的卓越質(zhì)量。

29、通過這些創(chuàng)新點(diǎn)，本發(fā)明有效解決了傳統(tǒng)齒輪鋼在復(fù)雜形狀鍛造中的應(yīng)力集中和材料流動性問題，提升了風(fēng)力發(fā)電機(jī)用齒輪鋼的整體性能、使用壽命和可靠性。