工程機(jī)械中心軸淬火工藝試驗(yàn)分析范文

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摘要：中心軸是大型工程機(jī)械上的關(guān)鍵部件，外形結(jié)構(gòu)特殊，承受載荷大，工況復(fù)雜，其力學(xué)性能要求較高，對(duì)重要部位的硬化層提出了特殊要求。針對(duì)某企業(yè)生產(chǎn)的大型挖掘機(jī)中心軸的力學(xué)性能要求，研究其表面淬火工藝方法，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，這為大型工程機(jī)械中心軸表面淬火工藝研究提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：中心軸；硬化層；同時(shí)加熱法；連續(xù)加熱法

大型工程機(jī)械中心軸外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸頸處耐磨性能要求高、承受載荷大、工況復(fù)雜且力學(xué)性能要求較高，需進(jìn)行表面淬火工藝處理，其工藝的好壞直接影響中心軸的整體力學(xué)性能，成為近年來(lái)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。Heintzberger等[1]對(duì)鋁硅合金熱處理力學(xué)性能問(wèn)題進(jìn)行了研究；Miao等[2]研究了熱處理對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)的影響；Rehan等[3]研究了冷作工具鋼在表面淬火后冷卻至室溫時(shí)的奧氏體相變；鐘翔山等[4]通過(guò)對(duì)感應(yīng)加熱淬火分析，提出了采用中頻連續(xù)淬火方案；李月英等[5]研究了凸輪材料經(jīng)寬帶激光表面淬火前后的組織、硬度及其摩擦學(xué)特性；李超等[6]研究了汽車(chē)輪轂軸管鍛造余熱淬火工藝；劉成強(qiáng)等[7]針對(duì)焊接車(chē)架的斷裂問(wèn)題構(gòu)建了車(chē)架結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型，研究了焊接車(chē)架斷裂的原因，解決了車(chē)架結(jié)構(gòu)的斷裂問(wèn)題；黃雪濤等[8]構(gòu)建了載貨汽車(chē)白車(chē)身焊點(diǎn)布置的仿真模型，探討了載貨汽車(chē)怠速振動(dòng)與白車(chē)身固有頻率共振，并基于焊點(diǎn)布置方面優(yōu)化了白車(chē)身結(jié)構(gòu)；王程等[9]研究了表面淬火方法對(duì)45鋼的熱擴(kuò)散率和熱容的影響；劉慶鋼等[10]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試方式，研究了表面淬火工藝參數(shù)對(duì)表面淬火后表面層硬度、淬硬層深度以及表面殘余應(yīng)力分布的影響。前人的研究主要集中在熱處理工藝對(duì)零部件力學(xué)性能的影響，對(duì)中心軸要求較高的關(guān)鍵部位表面淬火工藝研究的相對(duì)較少，本文在研究大型工程機(jī)械中心軸熱處理工藝要求的基礎(chǔ)上，提出了同時(shí)加熱法和連續(xù)加熱法兩種表面淬火試驗(yàn)方案，為解決大型工程機(jī)械中心軸的熱處理問(wèn)題提供了技術(shù)參考。

1試驗(yàn)材料及方法

1.1材料及技術(shù)要求

材料選取45鋼，該優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼硬度低且易切削加工，相比普通的A3鋼，45鋼具有更高的強(qiáng)度、抗變形能力。其主要成分為Fe，45鋼化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)所選用的鍛件毛坯重量為52.9kg，成品重量為37.2kg。此零件承受的載荷大、耐磨度高、工況復(fù)雜，其力學(xué)性能要求較要求高，對(duì)重要部位的硬化層深度提出了特殊要求。某企業(yè)生產(chǎn)的大型工程中心軸如圖1所示。本試驗(yàn)采用的中心軸熱處理技術(shù)要求為：①鍛坯正火處理，非表面淬火區(qū)表面硬度149～212HB，表面淬火區(qū)表面硬度為52～59HRC，即545～675HV。②表面淬火區(qū)為距B端面5mm的準(zhǔn)130mm圓柱面，其硬化層深度2～4mm。③表面淬火R10區(qū)域硬化層深度1～3mm。④表面淬火區(qū)長(zhǎng)54.2mm。

1.2試驗(yàn)方法

對(duì)中心軸熱處理的技術(shù)要求中，表面淬火是關(guān)鍵工序，需要通過(guò)工藝試驗(yàn)確定工藝參數(shù)。在本工藝試驗(yàn)中，根據(jù)公司淬火設(shè)備實(shí)際情況，選擇在額定功率為200kW的晶體管數(shù)控表面淬火機(jī)床上進(jìn)行試驗(yàn)。針對(duì)中心軸熱處理技術(shù)要求，制定如下試驗(yàn)規(guī)劃：（1）對(duì)表面淬火區(qū)粗加工后分別采用同時(shí)加熱法、連續(xù)加熱法兩個(gè)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，表面淬火區(qū)給精加工留單邊加工余量（0.4±0.1）mm。（2）淬火介質(zhì)：水。（3）在硬化區(qū)取4個(gè)截面檢測(cè)，每個(gè)截面取3～8個(gè)點(diǎn)檢測(cè)每個(gè)點(diǎn)的硬度值。4個(gè)截面分別是C、D、E、F，其中，截面C、D、E分別距端面B的距離為5、25、45mm，截面F在R弧45度方向。（4）硬化層深度評(píng)價(jià)方法：硬度值為HV450的點(diǎn)到表面的垂直距離。

2試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1同時(shí)加熱法表面淬火試驗(yàn)

根據(jù)工程機(jī)械中心軸表面熱處理的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)同時(shí)加熱法表面淬火工藝試驗(yàn)方案，其工件安裝方式及工藝具體實(shí)施如圖2所示。淬火工藝參數(shù)如表2所示。在對(duì)工件進(jìn)行表面淬火處理并將檢測(cè)面拋光至光潔鏡面后，取C、D、E、F各截面為檢測(cè)面，其硬化層截面位置如圖3所示。淬火后的有效硬化層深度是指從零件表面到維氏硬度等于極限硬度那一層的距離，在C、D、E、F斷面分別取0.20、1.20、2.20和3.20mm，采用維氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，檢測(cè)載荷為9.807N。硬度檢測(cè)時(shí)，硬度壓痕應(yīng)當(dāng)打在垂直于表面的一條或多條平行線上，而且寬度為1.5mm的區(qū)域內(nèi)，最靠近表面的壓痕中心與表面的距離為0.15mm，從表面到各壓痕中心之間的距離應(yīng)每點(diǎn)增加0.1mm。當(dāng)表面硬化層深度大時(shí)，壓痕中心之間的距離可以大一些，但在接近極限硬度區(qū)域附近，保持壓痕中心之間的距離為0.1mm。在最終測(cè)量時(shí)，用垂直表面橫截面上的硬度變化曲線來(lái)確定有效硬化深度。由繪制的硬度變化曲線確定出從零件表面到硬度值等于極限硬度的距離，這個(gè)距離就是表面淬火后的有效硬化層深度。當(dāng)一個(gè)區(qū)域有多條硬度變化曲線時(shí)，取各曲線測(cè)得的硬化層深度的算術(shù)平均值作為有效的硬化層深度。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，各截面的硬度檢測(cè)值如圖4所示。從圖4以及經(jīng)過(guò)試驗(yàn)所得到的硬化曲線可以看出，經(jīng)表面淬火處理后，中心軸上所選取的軸頸段各截面表面所測(cè)定的硬度值分別為653.2、603.0、612.1和599.8HV。經(jīng)檢定，各截面硬度全部合格。但是從圖上可看出工件的熱影響區(qū)比較大。這說(shuō)明在淬火試驗(yàn)中，對(duì)工件的加熱效率較低，并且層深形狀不規(guī)則。所選取的4個(gè)截面的硬化層深度分別為4.593、3.390、3.201和1.348mm。很顯然，經(jīng)過(guò)同時(shí)加熱法所得到的硬化層深遠(yuǎn)不能完全滿(mǎn)足技術(shù)要求。

2.2連續(xù)加熱法表面淬火試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備的感應(yīng)器結(jié)構(gòu)，以及調(diào)整淬火工藝參數(shù)并通過(guò)工件的移動(dòng)速度來(lái)調(diào)節(jié)硬化層的深度，將感應(yīng)器與工件端面的間隙調(diào)整為2mm，功率改為160kW，對(duì)R處的淬火時(shí)間改為9s，掃描速度為100mm/min，冷卻時(shí)間縮短為80s，噴淋壓力、水溫、余溫等參數(shù)保持不變，連續(xù)加熱法表面淬火工藝參數(shù)如表3所示。

2.2連續(xù)加熱法表面淬火試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備的感應(yīng)器結(jié)構(gòu)，以及調(diào)整淬火工藝參數(shù)并通過(guò)工件的移動(dòng)速度來(lái)調(diào)節(jié)硬化層的深度，將感應(yīng)器與工件端面的間隙調(diào)整為2mm，功率改為160kW，對(duì)R處的淬火時(shí)間改為9s，掃描速度為100mm/min，冷卻時(shí)間縮短為80s，噴淋壓力、水溫、余溫等參數(shù)保持不變，連續(xù)加熱法表面淬火工藝參數(shù)如表3所示。面為檢測(cè)面，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，各截面的硬度檢測(cè)曲線如圖6所示。從圖6可知，截面C、D、E、F的表面硬度分別為672.9、630.0、598.7.0和670.0HV，經(jīng)檢定為全部合格。從圖6可以看出，對(duì)比同時(shí)加熱法表面淬火方案，連續(xù)加熱法表面淬火試驗(yàn)所得到的熱影響區(qū)較小，層深均勻，4個(gè)截面的硬化層深度分別為2.970、2.936、2.463和2.902mm，明顯可以看出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)所得到的產(chǎn)品滿(mǎn)足技術(shù)要求。

3結(jié)論

（1）通過(guò)同時(shí)加熱法表面淬火試驗(yàn)和連續(xù)加熱法表面淬火試驗(yàn)的對(duì)比分析可以得出，雖然兩種試驗(yàn)方案所得到的工件在硬度值方面均合格，但是采用同時(shí)加熱法所得到的工件在硬化曲線中的熱影響區(qū)較大，加熱效率較低且層深形狀不規(guī)則；而通過(guò)改進(jìn)感應(yīng)器結(jié)構(gòu)，調(diào)整相關(guān)試驗(yàn)工藝參數(shù)后，通過(guò)調(diào)節(jié)工件的移動(dòng)速度來(lái)調(diào)節(jié)硬化層的深度，同時(shí)使加熱時(shí)間得到了縮短，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。（2）對(duì)比同時(shí)加熱法和連續(xù)加熱法兩種表面淬火方法所得到的工件性能參數(shù)，可為大型工程機(jī)械中心軸熱處理問(wèn)題的解決提供有價(jià)值的參考。

作者：雷發(fā)林 王春龍 單位：日照市七星汽車(chē)部件有限公司