軸類零件熱處理的影響因素及改進(jìn)

方建華

上饒中材機(jī)械有限公司 江西上饒 334100

1 軸類零件熱處理現(xiàn)狀和存在的問題

我廠熟料槽式輸送機(jī)設(shè)備的運(yùn)行主要是由電動(dòng)機(jī)連接減速機(jī)帶動(dòng)頭部主軸旋轉(zhuǎn)，然后由安裝在主軸上的齒圈嚙合鏈條從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的整體運(yùn)轉(zhuǎn)。而頭部主軸普遍安裝在高達(dá)數(shù)十米的水泥熟料庫(kù)頂端，所以主軸即要承載旋轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩、又要承載大部分主機(jī)設(shè)備的重量和拉力以及水泥熟料的重量。因此，對(duì)主軸的力學(xué)性能要求是很高的。而影響力學(xué)性能的主要因素有材料的化學(xué)成分、金相組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和內(nèi)部缺陷的，其中后三者主要取決于熱處理工藝。我廠頭部主軸所用材質(zhì)為40Cr鍛鋼棒料，其熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理（即淬火加高溫回火），硬度要求為HB241-286。在日常的熱處理生產(chǎn)過程中，偶爾會(huì)出現(xiàn)軸端開裂和從軸肩處齊整斷裂的情況。不僅產(chǎn)生了材料、電能和人工的浪費(fèi)，還耽誤了生產(chǎn)的進(jìn)度。

連接銷軸是模鍛鏈條的重要組成零部件，其力學(xué)性能決定了模鍛鏈條的使用壽命。我廠對(duì)連接銷軸進(jìn)行熱處理主要是先使用箱式爐進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，在精加工完成后上專用中頻淬火機(jī)床進(jìn)行表面淬火。表面淬火主要是使其獲得一定的硬度（技術(shù)要求HRC55-60），使表面具有耐磨性能。而調(diào)質(zhì)處理主要是使其芯部本體具有一定的韌性，使模鍛鏈條能承受較大的拉伸能力。在日常檢測(cè)鏈條的拉伸破斷能力時(shí)，就曾出現(xiàn)試驗(yàn)載荷未達(dá)到技術(shù)要求時(shí)就破斷的現(xiàn)象，而破斷正是連接銷軸。經(jīng)過對(duì)破斷的連接銷軸進(jìn)行檢測(cè)，其芯部硬度低于技術(shù)要求。在日常的熱處理過程中，連接銷軸調(diào)質(zhì)硬度抽檢合格率低于70%，且不合格件主要集中在靠近熱處理筐底部2-3層的中心部位，具有一定的規(guī)律性。

2 影響主軸熱處理開裂的因素分析和改進(jìn)

主軸的開裂主要發(fā)生在最先接觸淬火油的軸端，而主軸的斷裂則主要發(fā)生在尖銳的軸肩處。鋼件進(jìn)行淬火時(shí)，在冷卻的過程中，奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變會(huì)使內(nèi)部產(chǎn)生組織應(yīng)力，而組織應(yīng)力會(huì)在鋼件表面產(chǎn)生拉應(yīng)力[1]。鋼件表面在拉應(yīng)力的作用下，就有開裂的危險(xiǎn)。鋼件的淬火裂紋的形成傾向與鋼件的尺寸和形狀等設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有一定的關(guān)系。生產(chǎn)實(shí)踐表明，具有截面急劇變化的工件或者有尖銳槽口的工件，在淬火冷卻時(shí)這些部位會(huì)淬火時(shí)大的應(yīng)力集中，都易于產(chǎn)生淬火裂紋。我廠的主軸粗車件就具有截面急劇變化和尖銳槽口的工件，開裂和斷裂恰恰就發(fā)生在這些部位。因此，對(duì)主軸粗車件的外形進(jìn)行了改進(jìn)，將有尖銳棱角的軸端面和軸肩改為R圓角進(jìn)行過渡（如圖1所示），避免應(yīng)力集中，從而避免開裂。

除了鋼件截面急劇變化和尖銳的槽口會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生外，鋼件在切削的加工過程中，也會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，并且切削加工選用的切削用量越大，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也愈大。這種機(jī)械加工造成的殘余內(nèi)應(yīng)力，如果不經(jīng)過去除，在淬火加熱過程中，有可能與加熱速度過快產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生疊加而導(dǎo)致開裂。要消除這種應(yīng)力狀態(tài)，則需要合理選擇粗車時(shí)的吃刀量以及進(jìn)給量。因此，我們規(guī)范了主軸粗車時(shí)的工藝要求[2]。

3 影響連接銷軸熱處理硬度不合格的因素分析和改進(jìn)

連接銷軸的外形尺寸為?50mm×175mm，對(duì)其進(jìn)行熱處理時(shí)裝入專用的熱處理框里在箱式爐內(nèi)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，一爐擺兩筐，每筐擺放7層（工件在熱處理框內(nèi)的擺放方式為：同層錯(cuò)位、相鄰層垂直交叉），每層擺放約50件，共700余件。硬度不合格的工件主要分布在熱處理筐中心底部1-3層，約60余件，硬度均低于HB240。分析其原因，主要是分布在熱處理筐中心底部的工件在爐內(nèi)受熱條件比較差，在規(guī)定的時(shí)間難以達(dá)到組織轉(zhuǎn)變所需的溫度[3]。在淬火冷卻時(shí)該部位的冷卻介質(zhì)的溫度也都比外部的溫度要高，使其難以淬上硬度，也難以淬硬到符合技術(shù)要求的深度。

圖1 主軸粗車件外形改進(jìn)圖

為了改變熱處理筐中心靠近底部1-3層在爐內(nèi)的受熱條件，以及在冷卻池內(nèi)的冷卻條件，對(duì)工件在框內(nèi)的擺放方式進(jìn)行了改進(jìn)，即將位于熱處理筐中心上部的工件抽出，保留底部?jī)蓪又行牟课坏墓ぜㄈ鐖D2所示），使熱處理筐中心打開了一條溫度傳入的通道，使?fàn)t溫能加熱到位于熱處理筐中心的工件至組織轉(zhuǎn)變所需的溫度，也使冷卻介質(zhì)能夠快速的進(jìn)入熱處理筐中心，將該處的工件及時(shí)冷卻，使其達(dá)到淬火硬度，并能使其淬硬到一定的深度，提高淬透性。自從作出該項(xiàng)改進(jìn)后，使連接銷軸的熱處理合格率達(dá)到了100%。

圖2 連接銷軸擺筐改進(jìn)圖

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)加工件尖銳的棱角是截面突變最嚴(yán)重的部位，也是應(yīng)力集中最容易產(chǎn)生的部位，在經(jīng)過高溫急冷后極易造成尖銳棱角處的開裂。將尖銳棱角改為R圓角后，不僅能避免開裂，還能使主軸可一次性浸入淬火油池內(nèi)，使其獲得更好的淬火組織，提高主軸的整體機(jī)械性能，從而提高主機(jī)設(shè)備的使用性能。連接銷軸從熱處理擺筐結(jié)構(gòu)做出細(xì)微改進(jìn)，就使其熱處理合格率上升至100%。以上兩種軸類零件熱處理工藝細(xì)小的改進(jìn)，均提高了產(chǎn)品的合格率，消除了不合品，避免了材料的浪費(fèi)和返工費(fèi)用的投入。為企業(yè)節(jié)能降耗、提升效益起到一定積極的作用。