冷連軋機主傳動軸國產化探索實踐

潘勛平，張春青，吳 軍

(寶鋼新日鐵汽車板有限公司，上海 200941)

0 前言

寶鋼1800 mm冷軋酸洗-連軋生產線主要生產汽車板、家電板軋硬卷。連軋機是該機組關鍵的工藝設備之一，該設備及工藝技術從premetals引進，軋機3#～5#機架為十字萬向軸。十字萬向軸原設計使用日本進口N公司產品，由于軋機結構特點，限于工作輥直徑，傳動軸回轉直徑為400 mm，同時需要傳遞較大的扭矩，萬向軸中十字軸組件在使用中為出現疲勞失效，十字軸組件在萬向軸中是核心部件同時也是易耗件。3#～4#機架傳動軸十字軸組件壽命約為12個月，進口備件的價格及供貨周期不滿足低成本快節奏的生產需求。因此嘗試國產化傳動軸作為補充及技術儲備。

1 十字萬向軸的主要參數及失效情況

寶鋼1800 mm軋機是六輥軋機，主馬達通過齒型聯軸器驅動減速機，減速機2根輸出軸通過萬向軸傳動上下工作輥，傳動如圖1所示，其中1#、2#機架為鼓形齒傳動軸，3#～5#機架為萬向軸傳動，3#～5#馬達及十字萬向軸參數如表1、表2所示。

圖1 軋機傳動布置圖

表1 軋機的主要參數

表2 十字萬向軸的主要參數

如圖2所示，寶鋼1800 mm軋機原設計使用進口N公司SWP形式十字萬向軸，圖3為國產傳動軸組裝圖，作為傳動核心部件使用過程中可能會出現各種各樣的失效，如叉頭或十字軸斷裂、half螺栓松動斷裂、十字軸軸承燒損、十字軸磨損等。經過多年對N公司的使用發現，其主要失效形式為十字軸表面疲勞導致的淺層剝落失效：十字軸和滾針接觸區剝落、磨損。從多次解體十字軸組件的外觀分析，十字軸典型的失效過程：滾針接觸部位壓印產生-滾針接觸部位表層產生剝落-軸承間隙增加、金屬碎屑導致磨損加快-運轉時溫度升高及振動沖擊增加-軸承燒損及螺栓松動至斷裂。從失效機理說屬于典型的淺層剝落類的接觸疲勞破壞。在滾針和十字軸間隙均勻的情況下，負載使近十字軸端面的滾針最先接觸，最大應力在十字軸近斷面的次表層，周期性的接觸應力作用下，超過材料許用接觸應力，產生微觀塑性變形(色差壓印)，經多次循環作用之后，就會產生裂紋，次表層裂紋常出現在非金屬夾雜物附近，所以裂紋開始沿非金屬夾雜物平行于表面擴展，而后在滾動及摩擦力作用下又產生與表面成一傾角的二次裂紋，二次裂紋擴展至表面，另一端則形成懸臂梁，因反復彎曲發生彎斷，從而形成淺層金屬剝落。

圖2十字軸淺層剝落外觀發展過程

圖3 國產傳動軸組裝圖

2 十字萬向軸國產化方案及組件結構及參數

2.1 十字萬向軸國產化方案

對進口傳動軸進行分析，確定國產化傳動軸在考慮接口互換性的前提下，兩側十字軸組件采用非等回轉直徑設計，即輥側十字軸組件回轉直徑為400 mm，減速機側十字回轉直徑為430 mm，采用SWP結構，如表3所示。

表3 十字萬向軸主要部件材質及主要加工要求

2.2 強度校核

2.2.1 彎曲強度

對傳動軸總成通過建模，如圖4所示，簡化哈弗蓋斷面齒及螺栓聯接約束，對蘭叉及十字軸進行強度分析，按額定扭矩的175%考慮過載扭矩，各主要部件最大等效應力如表4所示。

十字軸材料為15CrNi4MoA，材料的力學性能為σb≥1200 MPa、σs≥900 MPa。材料的對稱循環疲勞極限

σ-1=0.27(σb+σs)=0.27×(1200+900)=591.3 MPa

表4 叉座和十字軸在額定扭矩和過載扭矩時最大等效應力

材料的脈動循環疲勞極限

σ0=1.33σ-1=1.33×591.3=786.43 MPa

取叉頭的尺寸系數ε=0.65，則脈動循環疲勞極限

(σ0)d=εσ0=0.65×786.43=511.18 MPa

額定扭矩十字軸等效應力SWP400 396.45 <511.18 MPa，SWP430 325.08<511.18 MPa，175%過載扭矩十字軸等效應力SWP400 524.4>511.18 MPa，SWP430 430<511.18 MPa，即十字軸最大等效應力小于疲勞極限強度，滿足壽命要求。175%過載扭矩時SWP400十字軸稍有不足，設計通過剪切安全銷保護傳動軸。

42CrMo材料熱處理后的常規力學性能為σb≥1000 MPa、σs≥800 MPa。材料的對稱循環疲勞極限σ-1=0.27(σb+σs)=0.27×(1000+800)=486 MPa 。

圖4 叉座和十字軸有限元分析

材料的脈動循環疲勞極限

σ0=1.33σ-1=1.33×486=646.38 MPa

取叉頭的尺寸系數ε=0.65，則脈動循環疲勞極限

(σ0)d=εσ0=0.65×646.38=420.15 MPa

額定扭矩叉座等效應力SWP400 255.73<420.15 MPa，SWP430 222.26<420.15 MPa。175%過載扭矩叉座等效應力SWP400 338.3<420.15 MPa，SWP 430 294<420.15 MPa。叉座在額定扭矩及175%過載扭矩下均可以滿足使用要求。

2.2.1 接觸強度

十字軸組件是萬向軸傳動的關鍵部件，歷次失效均發生十字軸表面淺層剝落，因此十字軸組件的制造是國產化的難點及關鍵部件。十字組件由十字軸、滾針、外圈、密封、墊片等組成，如圖5所示。進一步對十字軸組件進行接觸疲勞分析。通過對十字軸組件進行網格劃分，通過施加額度扭矩及最大過載扭矩，有限元仿真如圖6所示，十字軸和滾針的接觸應力如表5所示。

圖5 十字軸組件結構圖

圖6 十字軸有限元分析模型

表5 十字軸和滾珠的最大接觸應力對比MPa

最大接觸應力在表面以下0.2～0.3 mm處，軸承的許用接觸應力為σH=2000～2240 MPa，在超過額定負載十字軸接觸區表面以下會產生塑性變形，循環交變應力作用使零件會產生疲勞，裂紋在次表層萌發并擴展，當達到一定程度就會導致淺層剝落。

3 進口十字軸組件和國產十字軸組件對比分析

原進口N公司十字萬向軸兩側十字組件回轉直徑均為400 mm，主要組件材料十字軸選用JIS標準SNCM815(GB 15CrNi4MoA)。在十字軸組件國產化探索實踐中，對材料選擇進行多次試驗，試驗情況如表6所示。

對多次試驗可以看出使用15CrNi4MoA作為十字軸材料和進口材料成分相當，壽命也達到了8個月，如表7所示。該試驗是國產化探索實踐中有參考價值的一次試驗。下機解體十字軸劣化如圖7所示。

圖7 國產十字軸失效外觀

表6 國產十字軸不同材料拉伸沖擊試驗

表7 十字軸組件材料對壽命影響對比

其劣化以滾針接觸區輕微壓印為主，因加工及組裝不對稱，受力較大的軸滾針區接觸局部嚴重淺層剝落。同時在非高接觸應力出現了剝落現象說明材料可能存在夾雜。

對比進口和國產十字軸金相組織進行對比分析如圖8所示。

圖8 進口和國產十字軸金相組織進行對比分析

在和進口十字軸使用材料成分相當的情況下，國產十字軸在熱處理上和國外廠家存在差距：國產十字軸表面硬度HRC57～58和進口十字軸表面硬度HRC60～61，洛氏硬度HRC相對低3度；有效硬化深度國產十字軸做到2.9 mm深，而進口十字軸做到3.5 mm深；外部取樣力學性能對比試驗：國產十字軸RP0.2950 MPa、Rm1250 MPa，進口十字軸RP0.21020 MPa、Rm1300 MPa；金相組織：國產十字軸表面金相組織為粗大的回火馬氏體及部分針狀貝氏體，晶內有大量細小碳化物，晶界有網狀二次滲碳體析出，心部為回火板條馬氏體及貝氏體，進口十字軸表面金相組織為回火板條馬氏體、部分針狀馬氏體及少量殘余奧氏體，心部為回火低碳板條馬氏體，低碳板條馬氏體使十字軸本體在具有高強度的同時，還兼有良好的塑性及韌性。

4 結束語

目前國內軋機主傳動軸備件以進口為主，在國產化道路上任重道遠，在制造上需要更多工匠精神。通過分析可以得出結論：這種傳動軸失效形式為疲勞導致的淺層剝落失效，15CrNi4MoA是作為十字萬向軸合適的材料，國產傳動軸整體強度滿足使用要求。但若想進一步提高國產軋機主傳動軸使用壽命，可通過提高有效硬化，機械加工中增加表面拋光提高表面光潔度、改善組裝條件，保證對稱受力等方面實現。