swz型接軸的結構研究和改進淺析

馬淑謹，方 凱

(泰爾重工股份有限公司 安徽 馬鞍山 243000）

1 swz型接軸的結構研究

萬向聯軸器因其特殊的結構形式，能滿足有角度要求的扭矩傳遞場合，被廣泛應用于汽車、船舶、起重、冶金等行業，常用的聯軸器類型有整體叉頭式萬向聯軸器（SWC型）、軸承座式萬向聯軸器（SWZ型）和滑塊式萬向聯軸器（HK型），軸承座式萬向聯軸器（SWZ型）因其同種規格產品傳遞扭矩大于整體插頭式萬向聯軸器（SWC型），現場維護又比滑塊式萬向聯軸器（HK型）方便可靠，因而得到廣泛應用。

圖1所示軸承座式萬向聯軸器（SWZ型）其工作系統主要包括叉頭法蘭1、焊接法蘭2、花鍵副3、軸承座4、十字軸5、叉頭軸套6，其特征是：叉頭法蘭1與軸承座4之間、焊接法蘭2與軸承座4之間、叉頭軸套6和軸承座4之間的連接均是依靠鍵與鍵槽的連接傳遞扭矩。

由于鋼廠軋機空間限制，選型時無法加大軸承座式萬向聯軸器（SWZ型）的規格，就會出現軸承座式萬向聯軸器實際承受扭矩較大，安全系數相對偏低的情況，在這種場合使用過程中經常發生軸承座4與叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6的連接螺栓松動的情況，現場維護需要及時發現并重新預緊，若發現不及時就會出現接軸擺動、螺栓斷裂、甚至關節失效的情況，引起軋鋼事故，打亂了軋鋼廠正常的生產、檢修計劃，給軋鋼廠造成巨大損失。

通過對回廠維修的類似接軸進行檢測發現，除了螺栓松動斷裂的問題外，軸承座4鍵與叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6鍵槽之間的配合間隙變大，鍵槽有磨損，通過分析發現：一方面軸承座4材質為低碳合金鋼且含有鎢元素，其淬透性非常好，因其擺放軸承的內孔使用硬度需要達到60HRC，為保證內孔質量，該零件熱處理方式選擇整體滲碳淬火處理，熱處理后整體硬度偏高，鍵位置精加工后硬度能達到40HRC左右（約375HB）；另一方面叉頭法蘭1等與鍵有配合的零件材質為中碳合金鋼，熱處理方式為調質處理，以優化組織結構，提高整體強度，在調質處理時，與軸承座4鍵配合的鍵槽未進行粗加工，而是調質后才要求加工，因叉頭法蘭等零件外形尺寸較大，回轉直徑能達到Φ900以上，且為實心結構，即使中心有孔壁厚也較厚，受調質淬透性限制，鍵槽精加工后表面硬度梯度下降很大，比表面硬度降低約20%，僅能達到250HB左右，遠遠低于鍵表面40HRC的硬度，其表面能承受的擠壓強度、耐磨性均比鍵要差，當表面較薄弱的鍵槽和表面強度很高的鍵配合后，在受到頻繁往復的較大沖擊力時就會磨損較弱的法蘭鍵槽，特別對于工況差、安全系數低的場合更明顯，長時間使用后鍵槽出現擠壓變形的情況，鍵槽和鍵間間隙逐漸增大，當間隙達到一定程度后法蘭和軸承座連接螺栓就會受到額外的剪切力和拉力，引起螺栓松動甚至斷裂，從而導致關節失效。

圖1 軸承座式萬向聯軸器

2 swz型接軸結構改進

通過對軸承座式萬向聯軸器（SWZ型）在應用中存在的問題進行分析找到問題主要矛盾在鍵與鍵槽的配合方面，針對分析結論，開始了對提高鍵槽表面強度的方法和手段進行研究，根據試驗的可行性和結果的可靠性，確定激光熔覆高強度粉末和堆焊高強度焊材兩種方案，兩種方案具體操作方式如下。

2.1 激光熔覆高強度粉末

激光技術的使用目前比較成熟，激光熔覆技術通過近幾年的發展已可以大規模使用于零件表面的處理，其對工件的表面處理有變形小、熔覆應力小、熔覆后裂紋風險小等特點已被廣泛應用。本課題通過在鍵槽表面激光熔覆高強度粉末，以提高其表面強度和硬度，通過激光技術，將強度和耐磨性較高的鎳基或鐵基合金粉末熔覆在鍵槽側面，然后上銑床將鍵槽加工到需要的尺寸即可。

圖2 swz型接軸結構粗加工圖

2.2 堆焊高強度焊材

激光熔覆高強度粉末方案操作簡單，熔覆風險小，但熔覆費用高昂不利于大范圍推廣使用，所以為適應市場競爭的需要，我們著力研究堆焊高強度焊材的方法，對堆焊過程中存在的風險和困難進行詳細的研究和探討，并提出合理的解決方案，具體工藝路線如下：

首先，在調質處理前加工出鍵槽形狀，減小調質淬透性對鍵槽強度的影響，提高鍵槽位置整體強度和性能，調質前粗加工圖見圖2。

其次，堆焊時避開鍵槽根部應力集中位置，加工后去除了R角應力集中部位的焊層，降低疲勞開裂風險。叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6堆焊前鍵槽寬度尺寸比精加工要求加大單邊5mm，同時鍵槽根部R角尺寸也相應加大，保證鍵槽側面有效焊接面積的前提下根部R角位置加工后焊層全部去除，為叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6的本體材質，這樣可以有效減小根部應力集中位置焊接延遲裂紋的風險。堆焊前加工圖見圖3。

圖3 堆焊前加工示意圖

再次，叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6的本體材質為中碳合金鋼，其材料成分中含有多種合金元素，可焊接性較差，所以與鍵槽本體材質焊接的焊材選擇奧氏體不銹鋼焊材作為過渡層，焊層厚約1mm～2mm，奧氏體不銹鋼具有良好的抗裂性及抗氧化性能，有良好的可焊接性能。在奧氏體不銹鋼表面再繼續堆焊馬氏體不銹鋼，其硬化性大，較好的耐腐蝕性，精加工后馬氏體不銹鋼焊層厚約3mm，表面硬度能達到370HB左右，和軸承座4鍵的強度硬度相匹配，從而滿足使用要求。堆焊后加工圖見圖4，A是精加工后鍵槽輪廓線，B是堆焊后鍵槽輪廓線，C是堆焊前單邊加大5mm的鍵槽輪廓線。

圖4 堆焊后加工示意圖

本論文研究的鍵槽處理方法，通過在叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6鍵槽表面堆焊高強度材質，有效提高各零件鍵槽表面強度和硬度，增加其耐磨性，以和軸承座4鍵相匹配，減少螺栓松動斷裂風險，從而提高萬向聯軸器運行平穩性，延長SWZ型關節的使用壽命。

同時，本鍵槽結構簡單，生產加工可行性好，使用安全可靠，生產成本低，不僅可以有效解決軸承座式萬向聯軸器（SWZ型）鍵槽磨損、螺栓松動斷裂問題，大大提高產品運行可靠性，同時也為產品的后續維修保養提供了經濟可靠的處理方法，可大大延長產品的使用周期，提高產品競爭力。