軸類零件的再制造技術(shù)工藝研究

李立峰，羅 震，李 慶，敖三三

(1. 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué) 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3. 東莞市輝碟自動(dòng)化科技有限公司，東莞 523620)

軸類零件的再制造技術(shù)工藝研究

李立峰1,2，羅 震1,2，李 慶3，敖三三1,2

(1. 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué) 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3. 東莞市輝碟自動(dòng)化科技有限公司，東莞 523620)

軸類零件，在使用過程中主要承受交變載荷和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，容易出現(xiàn)磨損破壞，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)軸的失效,為了節(jié)約成本，所以要尋求軸的修復(fù)方法。當(dāng)進(jìn)行比如手工電弧焊、激光熔覆等技術(shù)的修補(bǔ)后，表面的硬度會(huì)變得很高，不適合用常規(guī)方法加工，本論文利用新的加工方法--電解加工對(duì)修復(fù)的雙排鏈輪軸進(jìn)行加工。在電解加工之前，先進(jìn)行表面修復(fù)的研究，然后在靜止情況下進(jìn)行電解加工參數(shù)的研究，利用正交試驗(yàn)確定合適的加工參數(shù)。接著進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加工修復(fù)試驗(yàn)，利用靜止得到的參數(shù)以及自身的特點(diǎn)確定旋轉(zhuǎn)加工的參數(shù)。最后利用得到的參數(shù)進(jìn)行完整的加工，實(shí)現(xiàn)雙排鏈輪軸的電解加工修復(fù)。本研究可以為電解加工用于軸類零件的再制造提供一定的理論依據(jù)與實(shí)際支撐，為高硬度鋼以及硬質(zhì)合金開辟一條新的修復(fù)與加工方法，實(shí)現(xiàn)這類材料的柔性加工。

軸類零件；表面修復(fù)；電解加工；再制造

0 引言

現(xiàn)如今，軸類零件在工業(yè)中的使用也越來(lái)越重要,而軸類零件工作的環(huán)境也越來(lái)越趨于復(fù)雜化,軸類零件因失效的報(bào)廢率也在增多。通常軸類零件主要失效的原因有軸變形、軸斷裂、軸表面失效。其中軸表面失效占大部分[1]。雙排鏈輪軸是傳動(dòng)零件，使用過程中主要承受交變載荷和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，其材料為42CrMo鋼。42CrMo是低合金中碳鋼，由于具有良好的強(qiáng)度、韌性匹配及較高的疲勞強(qiáng)度，在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛運(yùn)用。金屬部件在靜配合的狀態(tài)下，受部件表面光潔度、膨脹系數(shù)和裝配工藝等因素影響，金屬部件之間必存在一定的配合間隙。設(shè)備在強(qiáng)負(fù)荷的運(yùn)行過程中，受軸承對(duì)軸的徑向沖擊力的影響，造成配合部件形成“硬對(duì)硬”的沖擊。因金屬材質(zhì)為“常量關(guān)系”，雖然強(qiáng)度較高，但抗沖擊性以及退讓性較差，所以長(zhǎng)期的運(yùn)行必然造成配合間隙不斷增大而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以產(chǎn)生軸的磨損，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。在工礦業(yè)生產(chǎn)過程中存在大量的軸類磨損現(xiàn)象，出現(xiàn)此種情況后，多數(shù)的企業(yè)會(huì)通過打麻點(diǎn)、刷鍍、堆焊甚至報(bào)廢更新來(lái)解決，這些傳統(tǒng)方法不能有效解決軸類磨損問題，甚至造成更為嚴(yán)重的停機(jī)事故。更換下來(lái)的廢軸被當(dāng)做廢鐵賣掉，忽視了廢品再利用的巨大價(jià)值。對(duì)于雙排鏈輪軸也一樣，一旦出現(xiàn)局部磨損破壞，就會(huì)導(dǎo)致零件的報(bào)廢，造成巨大的浪費(fèi)，因而尋求對(duì)軸類工件的修復(fù)工藝具有十分重要的意義。

42CrMo鋼硬度較高，具有硬度高、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕性好，價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍愈來(lái)愈廣。當(dāng)其堆焊后表面硬度很大，但常規(guī)的加工方法難以勝任對(duì)這種堆焊層的加工，所以必須針對(duì)硬質(zhì)合金的加工開展特種加工方法的研究。

電解加工是加工硬質(zhì)合金的特種加工方法之一。它是利用金屬在電解液中可以發(fā)生陽(yáng)極溶解的原理將零件加工成型的。由于它既沒有機(jī)械加工中的切削力和切削熱的作用 ,也沒有電火花加工中的熱影響，同時(shí)又有加工效率高、 加工質(zhì)量好等眾多優(yōu)點(diǎn)，是一種有效的加工方法，并且在加工成型規(guī)律、 陰極設(shè)計(jì)以及加工基礎(chǔ)規(guī)律等方面已經(jīng)積累了豐富的資料[2～7]。因此，非常適用于對(duì)焊縫表面區(qū)域進(jìn)行再加工，得到成型質(zhì)量好，且具有優(yōu)良力學(xué)性能的的表面組織。

1 基本問題與基本原理

1.1 雙排鏈輪軸

本文所研究軸類零件——雙排鏈輪軸在實(shí)際使用過程中，很容易在安裝法蘭盤的地方出現(xiàn)磨損破壞，造成局部破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)零件難以繼續(xù)使用。容易出現(xiàn)破壞的位置如圖1中所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料成分

圖1 雙排鏈輪軸磨損實(shí)物圖

雙排鏈輪軸磨損破壞以后，要進(jìn)行表面修補(bǔ)，可以采用各種堆焊技術(shù)，它們是利用焊接方法進(jìn)行強(qiáng)化和修復(fù)機(jī)械零部件表面的一種技術(shù)。可以去除零部件缺陷、恢復(fù)零部件力學(xué)性能和幾何尺寸、改變零部件表面的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)、延長(zhǎng)零部件的使用壽命，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外，激光熔覆也是很常用的一種表面強(qiáng)化方法。當(dāng)進(jìn)行表面堆焊或者熔覆后，會(huì)出現(xiàn)表面硬度過大，不適用于傳統(tǒng)的加工，所以電解加工應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 電解加工基本原理

電解加工（electrochemical machining，ECM）是利用金屬在電解液中發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)而去除工件上多余的材料、將零件加工成形的一種方法。電解加工硬質(zhì)合金時(shí)，硬質(zhì)合金工件與直流電源的正極連接，稱為陽(yáng)極；工具與直流電流負(fù)極連接，稱為陰極。兩電極之間保持一定的間隙，間隙中通過高速流動(dòng)的電解液。在直流電流的作用下，陽(yáng)極金屬不斷溶解進(jìn)入電解液中，陰極上析出氣體。陰極不斷進(jìn)給，陽(yáng)極不斷溶解，直至陽(yáng)極工件加工到所需的形狀為止。整個(gè)加工過程在常溫下進(jìn)行，工件始終不與工具陰極相接觸。電解加工前，將電源的正負(fù)極分別與工件和電極連接，將電解液泵安裝在盛有電解液的水槽中。電解加工開始后，將電源接通，電解液泵不斷將電解液抽出，使其流過工件與電極頭之間的間隙，起到導(dǎo)電作用。工件就會(huì)在電化學(xué)作用下不斷被加工、去除，得到最終需要得到的形狀。

1.3 雙排鏈輪軸的電解加工

雙排鏈輪軸的電解加工采用電解車工藝方法，它是電解加工擴(kuò)大應(yīng)用的一種工藝方法。目前，已用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)形件、薄盤件以及定子整流葉片等的加工。應(yīng)用這種方法還可以加工細(xì)長(zhǎng)的軸類回轉(zhuǎn)體工件。電解車是以工件旋轉(zhuǎn)，陰極作徑向或軸向進(jìn)給而進(jìn)行加工的。因此，它能提高工件的加工精度和光潔度，延長(zhǎng)工具印記的壽命，同時(shí)，采用小面積的陰極加工，可以用有限的電源容量加工較大的工件面積。它的基本原理圖如圖2所示。由于軸類零件不同截面的直徑是不同的，實(shí)驗(yàn)過程中為了方便研究，在一組實(shí)驗(yàn)中，僅針對(duì)同一直徑的表面進(jìn)行陰極設(shè)計(jì)。

圖2 電解車加工軸類回轉(zhuǎn)體零件示意圖

2 試驗(yàn)安排

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)的加工對(duì)象為雙排鏈輪軸，其成分為42CrMo，具體的合金成分如表1所示。

2.2 試驗(yàn)修復(fù)

機(jī)械產(chǎn)品的再制造經(jīng)過了相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用和實(shí)踐，再制造技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展，目前常用到的再制造技術(shù)有電刷鍍技術(shù)，熱噴涂技術(shù)，堆焊技術(shù)，激光表面熔覆技術(shù)。本文采用表面堆焊與激光熔覆。

表面堆焊焊條分別為J507和D212，其化學(xué)成分如表2所示。

表2 焊條的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

將母材用晶粒度200～1000的砂紙逐級(jí)打磨后，用酒精清洗表面油污。然后將母材與焊條一起預(yù)熱到250℃，保溫2h；保溫結(jié)束后立即進(jìn)行手工電弧堆焊，其工藝參數(shù)如表3所示。

表3 表面堆焊的工藝參數(shù)

為便于進(jìn)行對(duì)比，我們采用的激光熔覆粉末是由Fe粉、FeCr粉（Fe占70%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、FeMo粉（Fe占50%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）配成的FeCrMo粉末和FeCr粉末，顆粒大小為200～300目，其配比方案及化學(xué)成分如表4所示。

表4 合金粉末A和B的配比方案及其化學(xué)成分

將母材用晶粒度200～1000的砂紙逐級(jí)打磨后，用酒精清洗表面油污。將工件預(yù)熱到250℃，保溫2h；然后將粉末均勻涂覆至工件表面，使其厚度為0.3mm，最后進(jìn)行激光熔覆，其工藝參數(shù)如表5所示。

表5 激光熔覆的工藝參數(shù)

2.3 耐磨性與硬度測(cè)試

焊后待測(cè)部位制成7×7×25mm的試樣，在MM-200型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行母材、堆焊層和熔覆層的耐磨性試驗(yàn)。摩擦工況為干磨滑動(dòng)摩擦，加載為5kg，轉(zhuǎn)速為200r/min，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1h。試驗(yàn)后采用公式

式中：V為磨損體積；其中B為磨痕寬度；L為磨痕長(zhǎng)度；R為磨輪半徑。

耐磨性實(shí)驗(yàn)后，用自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯硬度計(jì)測(cè)試熔覆層的顯微硬度，沿焊縫表面在10kg載荷下測(cè)量3次求平均值。

本試驗(yàn)表面堆焊選用Miller Dimension TM 372型焊機(jī)；激光熔覆設(shè)備主要由JK2000M型激光焊機(jī)與其配套的TDJG-1型多軸數(shù)控激光加工機(jī)床組成。焊后用MM-200型磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行耐磨性實(shí)驗(yàn)；用自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯硬度計(jì)測(cè)試熔覆層的顯微硬度。

2.4 修復(fù)試驗(yàn)

為便于研究，選擇堆焊方法進(jìn)行修復(fù)，試驗(yàn)前先采用打磨除銹，然后利用手工電弧焊進(jìn)行堆焊，本實(shí)驗(yàn)為了研究清楚，堆焊面積比較大，堆焊完的形態(tài)如圖3所示。

圖3 表面堆焊形態(tài)

堆焊完之后，進(jìn)行電解加工試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器為型號(hào)是PHECMC6132-750的電解車削機(jī)床；陰極材料為黃銅；電解液選擇30%的NaNO3水溶液；電解液溫度為40℃。電流密度依據(jù)機(jī)床自身系統(tǒng)所測(cè)出的電流計(jì)算出來(lái)，作為試驗(yàn)的一個(gè)指標(biāo)。試驗(yàn)分靜止加工與旋轉(zhuǎn)加工兩部分。靜止試驗(yàn)主要研究電解加工的幾個(gè)基本參數(shù)的關(guān)系，接著采用不同的主軸旋轉(zhuǎn)頻率，進(jìn)行試驗(yàn)。靜止加工采用正交實(shí)驗(yàn)法研究電解電壓、加工初始間隙、加工進(jìn)給速度與電流密度之間的關(guān)系。由以上研究得出最終合理的加工工藝，進(jìn)行雙排鏈輪軸的整體加工。

2.5 試驗(yàn)參數(shù)的選擇

在電解加工中，電解液的組成必須與工件材料匹配。一種電解液性能的好壞，與工件表面生成的氧化物和金屬鹽是否容易溶解有很大關(guān)系。由于NaCl電解液活性高，分散能力強(qiáng)，所以雜散腐蝕嚴(yán)重，對(duì)于42CrMo硬質(zhì)合金并不適合，而NaNO3非線性電解液雜散腐蝕較輕，加工精度較高，很適合這種合金的加工，在本實(shí)驗(yàn)中采用濃度為30%的NaNO3電解液。在選定了電解液之后，加工間隙是核心的工藝因素，它很大程度上影響電流密度，它是決定加工精度的主要因素，直接影響加工效率、表面質(zhì)量，它受電場(chǎng)、流場(chǎng)及電化學(xué)特性三方面多種復(fù)雜因素的影響。主要體現(xiàn)在工件陰極以及加工參數(shù)方面。在本實(shí)驗(yàn)中，在陰極設(shè)計(jì)確定之后，加工效果主要與加工參數(shù)密切相關(guān)。而在所有的加工參數(shù)中，加工電壓U，進(jìn)給速度v、初始加工間隙△0、水壓及電流密度是最關(guān)鍵的幾個(gè)參數(shù)，這幾個(gè)參數(shù)之間互相影響，為了得到良好的工藝，工藝參數(shù)之間必須協(xié)調(diào)和匹配，所以利用正交試驗(yàn)來(lái)研究這些參數(shù)，得到良好的加工工藝。

2.6 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)中選用L34正交試驗(yàn)表，3個(gè)因素：加工電壓、加工初始間隙、加工進(jìn)給速度，所有因素取三水平，如表6所示。試驗(yàn)的指標(biāo)為電流（即電流密度）以及表面粗糙度。表7是試驗(yàn)方案及結(jié)果。

表6 正交試驗(yàn)因素水平表

表7 試驗(yàn)方案及結(jié)果

對(duì)得到的電流密度與表面粗糙度進(jìn)行分析，得到靜止加工的參數(shù)，然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加工試驗(yàn)，其中加工過程采用1.5 H z 2.0Hz,2.5Hz,3.0Hz,3.5Hz,4.0Hz六種主軸旋轉(zhuǎn)頻率。加工效果的優(yōu)劣，間接也證明了在六種情況下流場(chǎng)的好壞。

3 結(jié)果與討論

3.1 修復(fù)結(jié)果結(jié)果與討論

耐磨性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 試樣耐磨性比較

從表8可以看出，母材的磨損體積最大，顯示了母材的耐磨性在這些試樣當(dāng)中是最差的；經(jīng)過J507和D212表面堆焊后，其耐磨性分別提高了12%和52.7%。很顯然，D212堆焊層具有很好的耐磨性。而與D212焊條合金成分相近的FeCrMo粉末和FeCr粉末熔覆層，其耐磨性分別比母材提高了34.8%和45%，與D212堆焊層耐磨性接近。

硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同材料結(jié)合層硬度分布曲線

從圖4可以看出，母材的硬度最低，其次為J507焊條堆焊層。采用合金粉末以及D212焊條都具有較高的硬度，硬度都在650HV以上，硬度最高的為FeCr粉末，平均硬度可以達(dá)到800HV左右，所以修復(fù)之后，不適合于常規(guī)切削方法的加工，所以進(jìn)行電解柔性加工。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

在進(jìn)行了9組正交試驗(yàn)以后，記錄試驗(yàn)中的電流穩(wěn)定值，然后換算為電流密度，測(cè)量每一組的粗糙度。具體的數(shù)值及極差分析如表9所示。

表9 極差分析表

我們可以得到，對(duì)電流密度影響的順序?yàn)椋篣＞v＞P＞△0。從極差分析中我們得到較好的加工參數(shù)，即在電壓為20v，初始加工間隙為0.4mm，進(jìn)給速度為0.3mm/min,水壓為1.0Mpa的情況下，電流密度合適，加工效果好。需要說明的是，這與先前研究的不考慮進(jìn)給速度的最優(yōu)加工參數(shù)有所區(qū)別，先前的研究中，控制進(jìn)給速度一定，最終得到在加工電壓20V，供液壓力1.0MPa，初始間隙0.1mm的最優(yōu)工藝。這說明了進(jìn)給速度是電解加工另一個(gè)很重要的影響因素，此外先前加工的效果也很不錯(cuò)，說明了適用于電解加工的參數(shù)不止一組，事實(shí)上，加工工藝的取值都在一定的范圍內(nèi)，這樣才能適用于生產(chǎn)。如圖5所示，這是9組試驗(yàn)的加工效果圖。

圖5 各組試驗(yàn)加工效果對(duì)比

從圖5中我們也可以看出來(lái)加工效果的好壞，前三組的效果比較理想，主要是流場(chǎng)均勻，加工電壓足夠大，加工間隙與進(jìn)給速度匹配的好，對(duì)應(yīng)的加工電流也大，所以加工的效果明顯要好于其他幾組。

基于上述分析，在通常情況下，隨著電流密度的增加，表面粗糙度Ra會(huì)下降，表面去除量增加。由圖片及結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析，我們得到比較理想的靜止加工工藝為：電壓20v，加工間隙0.4mm，進(jìn)給速度0.3mm/min。

3.3 軸的加工結(jié)果與討論

在已經(jīng)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行主軸旋轉(zhuǎn)頻率為1.5Hz 2.0Hz,2.5Hz,3.0Hz,3.5Hz,4.0Hz，六種情況下的加工效果,加工效果如圖6所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下加工效果

從圖上我們可以看到在主軸旋轉(zhuǎn)頻率為3.5Hz下，表面光潔度高，粗糙度經(jīng)測(cè)量為0.2um，而主軸旋轉(zhuǎn)頻率為4.0Hz時(shí)，加工效果沒有前者好，光潔度不高，測(cè)量的粗糙度為0.8um。我們可以知道，由于第一步的靜止加工的參數(shù)選擇，對(duì)旋轉(zhuǎn)加工起到了很好的指導(dǎo)作用，既簡(jiǎn)化了旋轉(zhuǎn)加工的研究，又使旋轉(zhuǎn)加工結(jié)果更可靠，這是因?yàn)殪o止情況下，試驗(yàn)條件穩(wěn)定，不像旋轉(zhuǎn)加工時(shí)，主軸會(huì)有微小的擺動(dòng)，可能會(huì)影響研究?？梢钥闯鰜?lái)在圖6（e）的加工效果最好，這主要是因?yàn)樗x的參數(shù)合適，保證了工件陽(yáng)極和工具陰極間保持適合的間隙，當(dāng)電解液從加工間隙中不斷高速流過時(shí)，及時(shí)地帶走陽(yáng)極溶解產(chǎn)物和電解電流通過電解液時(shí)所產(chǎn)生的熱量，并且起到去極化作用。在這樣的參數(shù)下，電流密度達(dá)到15A/cm2左右，流場(chǎng)均勻，顆粒不會(huì)沉積造成短路，隨著合適的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了加工量與進(jìn)給速度的動(dòng)態(tài)平衡，從而加工效果很好，甚至接近鏡面。

經(jīng)過這些試驗(yàn)分析，我們可以得到適用于雙排鏈輪軸的修復(fù)的工藝參數(shù)，即使用30%的NaNO3電解液，電解電壓為20v，加工初始間隙為0.4mm，進(jìn)給速度為0.3mm/min，主軸旋轉(zhuǎn)頻率為3.5Hz的參數(shù)下，修復(fù)結(jié)果良好。然后進(jìn)行完整的雙排鏈輪軸的加工，加工后的效果如下圖所示?？梢钥吹剑砻婀饬疗秸植诙鹊途雀?，達(dá)到了很好的修復(fù)效果，這說明電解加工很適合軸類零件的修復(fù)加工，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性加工，沒有應(yīng)力，也沒有機(jī)械加工產(chǎn)熱造成的組織改變，對(duì)于軸類的再制造具有很大的意義。

圖7 雙排鏈輪軸加工圖

4 結(jié)論

經(jīng)過靜止加工試驗(yàn)與旋轉(zhuǎn)加工試驗(yàn)，采用正交分析與粗糙度測(cè)試，我們得到了適用于雙排鏈輪軸的修復(fù)工藝，并且得到了以下結(jié)論：

1）經(jīng)過表面堆焊與激光熔覆進(jìn)行修復(fù)，軸的表面硬度很高，這對(duì)于軸類修復(fù)具有重大意義，但是同時(shí)會(huì)增大加工的難度。

2）靜止加工時(shí)，我們可以采用電解電壓初始加工間隙為進(jìn)給速度為時(shí)的參數(shù)，可以得到粗糙度達(dá)0.4um以下的表面。

3）采用合適的電解加工工藝，可以實(shí)現(xiàn)軸類零件的柔性加工，加工表面平整光滑，甚至可以達(dá)到鏡面。

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The study of remanufacturing process technology of shaft parts

LI Li-feng1,2, LUO Zhen1,2, LI Qing3, AO San-san1,2

TH162

A

1009-0134(2013)06(上)-0162-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.06(上).49

2013-04-18

李立峰（1989 -），男，甘肅會(huì)寧人，研究生，研究方向?yàn)榧す獗砻娓男约夹g(shù)及電解加工領(lǐng)域。