滾柱逆止器內圈高硬楔面的加工工藝探究*

馬國聰，楊 杰，賀永鋒

(寧夏天地西北煤機有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

逆止器[1]是帶式輸送機的重要安全保護裝置之一，其作用是在輸送機帶料泊車時，阻止輸送機滾筒回轉，防止物料因重力而發生的逆行或下滑事故。

目前，寧夏天地西北煤機有限公司生產的逆止器為滾柱逆止器和楔塊逆止器。其中滾柱逆止器為公司新研發的產品，在制造過程中，由于逆止器內圈外表面均布若干楔形面，具有滲碳層厚、硬度高、加工精度及表面粗糙度要求高等特點。這種高硬[2]楔面的加工及內圈深層滲碳為本公司制造滾柱逆止器的主要瓶頸，制約了逆止器的批量化生產，本文致力于在本公司現行條件下實現滾柱逆止器內圈高硬楔面的加工。

1 工作原理

滾柱逆止器主要由內圈、外圈、保持架、滾柱、彈簧及擋塊組成(見圖1)。外圈固定，內圈與軸連接，保持架同擋塊安裝于外圈與內圈之間，彈簧兩端分別與內圈、保持架相連。內圈表面均布若干逆止平面(類棘輪)，滾柱設置在內圈逆止平面與外圈間空槽內，保持架將多個滾柱均勻定位，限制滾柱的徑向與軸向活動空間，配合內圈實施逆止；擋塊限定保持架軸向位置，使保持架可隨外圈和內圈同向運轉；彈簧提供拉力，使保持架帶動滾柱向內圈逆止平面楔緊方向相貼緊；軸承保證內、外圈間形成均勻間隙的精度，同時降低運轉阻力，使逆止效果更佳；保持架設計的空腔使滾柱與外圈無接觸運轉，與內圈逆止平面有接觸而無相對運動。

逆止器正常運轉時(見圖2)，擋塊隨內圈旋轉，帶動保持架與滾柱同時同向運轉，由于保持架特殊設計的空腔作用使滾柱與外圈無接觸運轉，與內圈逆止平面有接觸而無相對運動，此設計限制滾柱的活動空間，同時確保滾柱與內圈、外圈平行接觸，減少了滾柱與保持架的摩擦；當逆止器逆止時，傳動軸會帶動內圈反向運轉，此時保持架會在彈簧作用力的拉動下帶動滾柱反轉，內圈的逆止平面壓迫滾柱向外圈傳遞扭矩造成最大正壓力，保持架確保多個滾柱的位置相同，由內圈的反向扭矩使滾柱不會松脫，接觸面出現最大摩擦，達到逆止效果。

圖1 逆止器組成

為了保證逆止器可靠運行，要求在逆止過程中內、外圈逆止面無變形，且要求逆止器在逆止時接觸面出現最大摩擦，即確保若干滾柱在保持架內的位置相同。故對內圈楔形面的硬度、形狀公差、位置公差及表面粗糙度要求較高。

2 材質及加工技術要求

滾柱逆止器內圈外端面分布若干均勻楔面(見圖3)。內外圈需深層滲碳處理，滲碳層深度≥5 mm，表面硬度為58～62 HRC，光潔度≤0.8 μm，平面度≤0.03 mm，同軸度≤0.02 mm，位置度≤0.02 mm，精度要求等級很高。實際生產過程中深層滲碳及高硬度、高精度楔形面的精加工是制造滾柱逆止器的主要瓶頸，作為技術難點亟待攻克。

圖3 內圈楔面

3 工藝方案制定

3.1 熱處理工藝方案

滾柱逆止器內/外圈材質選用20CrMnMo[3]合金結構鋼，屬于高級滲碳鋼，其化學成分見表1。根據技術要求，制定工藝路線如下：鍛造→球化退火→粗車→預備熱處理→半精密加工→滲碳→磨削→精密加工，其中預備熱處理工藝為正火+高溫回火，為深層滲碳[4-5]做組織準備。

表1 試驗用鋼(20CrMnMo)的化學成分(質量分數) (%)

采用南京多用爐(NL03-501)進行滲碳處理，通過工控機控制碳勢、溫度、保溫時間等參數，滲碳載氣為丙酮+甲醇。采用梯度遞減碳濃度及等溫預冷淬火的深層滲碳[6]熱處理新工藝，工藝參數如圖4所示。

通過梯度遞減碳濃度實現強滲與擴散，有效控制爐內碳勢，避免碳濃度過高造成表面形成碳黑阻止碳原子擴散，從而有效控制零件表面的碳濃度；同時有利于控制碳化物溶解的驅動力，不會引起碳化物急劇長大。經反復試驗，此工藝既能保證碳原子的擴散，得到一定厚度的硬化層，又能避免滲碳層中出現大片的網狀和塊狀碳化物。

圖4 深層滲碳熱處理工藝圖

深層滲碳[7]后組織：按照GB/T 28694—2012執行，碳化物級別達2～3級，馬氏體和殘余奧氏體達3～4級，心部鐵素體的級別達3～4級，滲層深度為5.5～6 mm，表面硬度為60～62 HRC，符合技術要求。

3.2 加工工藝方案

根據逆止器內圈結構特點及技術要求，內圈楔面的精加工可采用磨削[8]或銑削加工[9]，傳統的X63W萬能升降臺銑床為手動操作、三爪裝卡，找正精度及零件的平面度無法保證，且受機床剛性限制，裝卡的YG8、YG15合金機夾刀片銑刀屬于一般硬質合金材料，刀片材質硬度約為65 HRC，刀片硬度與零件熱處理后硬度相差無幾，切削時會直接磨損，無法滿足要求。若采用磨削加工，因內圈楔形面較多，裝卡找正復雜，生產效率低，加工精度難以保證。

經查閱相關資料，選用四軸驅動臥式加工中心可實現內圈高硬楔面的加工，工件一次性裝卡在工作臺上，通過數控編程完成楔形面加工，能保證零件的尺寸精度及幾何公差要求，但此設備價格昂貴，安裝條件要求嚴格。

考慮本公司現有加工能力，采用GF920加工中心，安裝電動臥式分度盤、山特維克R390-080Q27-17M(Dc=80 mm)刀盤、B150-FMB(c)27-90刀體進行加工。GF920加工中心是三軸驅動系統龍門鉆銑床，通過加裝分度盤實現四軸驅動，所用B150-FMB(c)27-90刀體屬于高硬度涂層機夾刀片，硬度可達到100 HRC以上，在小進給、高轉速的加工條件下，可實現表面粗糙度Ra0.8 μm的技術要求。

加工時，一端用頂尖固定，另一端用電動臥式分度盤四爪夾緊找正，主軸裝卡刀盤進行加工。調試加工時的4組加工參數及能達到的表面粗糙度見表2。

表2 內圈楔面調試加工參數表

從表2中可以看出，選用第1種和第2種工藝參數，能滿足表面粗糙度要求，刀具使用壽命增長，但加工時間過長，生產周期增長；第4種加工方式雖然加工時間最短，但表面粗糙度達不到設計要求，而且刀具使用壽命降低，經多次研究論證和綜合對比，從加工的實用性和經濟性判斷，將加工參數設定為第3種加工方式：刀具速度為400 r/min，切削速度[10]為190 mm/min，切削深度為0.1 mm，切削寬度為60 mm時為最佳加工方案。

4 試驗驗證

加工完成后，用光潔度樣塊進行對比，表面粗糙度達到Ra0.8 μm以上，用Function Plus龍門三坐標測量儀測量各外圓、楔面尺寸及同軸度、平面度、垂直度等幾何公差，經檢測數據顯示，逆止器內圈各楔面均能滿足圖樣設計要求。

裝配后在進行出廠檢驗時，對逆止器進行了額定力矩打壓逆止試驗，經反復8次試驗后，內圈楔面與滾柱無壓痕，經24 h運轉后，溫度升高值≤5°，運行時無噪聲，均符合產品性能指標，達到設計要求。

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)采用GF920數控小龍門鉆銑床，安裝電動臥式分度盤、山特維克R390-080Q27-17M(Dc=80 mm)刀盤、B150-FMB(c)27-90刀體，可實現滾柱逆止器內圈高硬楔面的精加工。

2)采用此種精加工方式，刀具速度為400 r/min，切削速度為190 mm/min，切削深度為0.1 mm，切削寬度為60 mm，能滿足產品性能指標及技術要求，減少了磨削工序，提高了加工效率。

3)采用梯度遞減碳濃度及等溫預冷淬火的深層滲碳熱處理新工藝，既能保證碳原子的擴散，得到一定厚度的硬化層，又能避免滲碳層中出現大片的網狀和塊狀碳化物。