熱處理工藝對驅動輪軸靜扭矩的影響范文

本站小編為你精心準備了熱處理工藝對驅動輪軸靜扭矩的影響參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：對S38MnSiV驅動輪工藝軸的3種結構形式（光軸工藝軸，帶齒條、鍵槽工藝軸，去齒條、鍵槽工藝軸），在JB－50型靜扭試驗機上進行驅動輪工藝軸靜扭試驗．試驗得出：光軸工藝軸的扭矩水平最高，去齒條、鍵槽工藝軸的扭矩水平次之，帶齒條、鍵槽工藝軸的扭矩水平最低．對引起扭矩變化的熱處理工藝分析可知，零件存在淬火過渡區時扭矩水平急劇下降，且其扭矩水平低于未經表面淬火的零件．表面淬火和回火能夠減緩尖角效應，而噴丸處理降低了表面壓應力，致使拋丸零件的扭矩水平低于低溫回火的零件．

關鍵詞：驅動輪工藝軸；靜扭矩；淬火過渡區；回火

驅動輪軸是拖拉機的關鍵零部件，使用中要承受復雜的彎曲－扭轉載荷和較大的沖擊載荷，服役條件比較苛刻，是失效頻次較高和失效類型較多的零部件［1］．其不同部位經常發生諸如脆斷或疲勞、扭轉或彎曲、正應力或剪切應力斷裂等失效形式．因此，驅動輪軸本身必須具有較高的疲勞強力、較高的硬度和良好的耐磨性．隨著拖拉機載重量的提高和實際工況的改變，驅動輪軸的直徑和感應淬火有效硬化層深度也逐步被加大［2－3］．扭轉試驗雖不能顯示金屬的體積缺陷，但能夠反映表面硬化層的性能及表面缺陷，可用于研究各種表面強化工藝，檢查零件熱處理的表面質量．在零件表面機加工質量符合技術要求的情況下，表面硬化層深度對靜扭強力和扭轉疲勞壽命的影響較大．因此，本文擬通過靜扭試驗為驅動輪軸表面感應淬火工藝設計及表面硬化層深度的合理確定提供依據．

1S38MnSiV工藝軸靜扭試驗

1．1試驗用工藝軸設計原則

由于原驅動輪軸扭矩的一端是靠花鍵傳遞，另一端是靠驅動輪軸與相關件（軸瓦）之間的摩擦力來實現的，與試驗機夾具之間無法實施連接，進行試驗扭矩的傳遞，因此必須根據試驗機夾具的結構重新設計出可以和試驗機之間進行扭矩傳遞的試驗工藝軸．試驗工藝軸的設計原則為：軸兩端都為花鍵結構，且進行加粗；花鍵底徑尺寸不小于齒條外圓尺寸；花鍵模數與原結構花鍵模數相同，使試驗工藝軸的薄弱部位與驅動輪軸實際使用中斷裂部位相符，即薄弱部位為軸的齒條根部、凸緣處和鍵槽尾部．

1．2試驗材料與結構

新設計的驅動輪軸工藝試驗用軸簡稱驅動輪工藝軸．驅動輪工藝軸所用材料為S38MnSiV非調質鋼．S38MnSiV驅動輪工藝軸包括3種結構形式：光軸工藝軸（圖1），帶齒條、鍵槽工藝軸，去齒條、鍵槽工藝軸．后兩種被統稱為鍵槽工藝軸（圖2）．

1．3試驗過程

在國家拖拉機質量監督檢驗中心強力試驗室進行驅動輪工藝軸靜扭試驗．驅動輪工藝軸靜扭試驗是在JB－50型靜扭試驗機上進行的（圖3）．該試驗機能實現試驗數據的實時采集、扭轉曲線的自動繪制以及數據顯示和報告打印等功能．試驗機機械部分由主軸驅動系統（扭矩輸出）、裝夾機構、角度及扭矩測量系統組成．進行扭轉試驗時，將驅動輪工藝軸一端安裝在試驗機的扭矩輸出端，另一端安裝在試驗機平臺支撐尾座上，使試驗軸的軸線與試驗機軸線同軸．試驗時按一定的方向緩慢連續施加扭矩，用檢測裝置自動記錄扭矩及相應的扭轉角，并繪制扭矩－扭轉角曲線，直至軸發生破壞．

2試驗數據的分析

2．1光軸工藝

軸光軸工藝軸（無鍵槽、臺階、齒條工藝軸）共6組15件．光軸工藝軸靜扭試驗數據如表1所示．圓柱形試樣在扭轉試驗時，整個試樣長度方向的塑性變形始終是均勻的，沒有頸縮現象．其截面及平行長度基本上保持了原尺寸．與試樣軸線成45°的兩個斜面上承受最大正應力，與試樣軸線平行和垂直的平面上承受最大切應力．扭轉時試樣中的正應力與切應力在數值上大體相等，二者的比值接近于1．正火態未感應淬火的光軸工藝軸及存在感應淬火過渡區的光軸工藝軸斷裂位置均在未感應淬火無淬硬層處．其斷裂面與試件軸線垂直，斷口平整，有回旋狀塑性變形痕跡，是由切應力造成的切斷．表面感應淬火通淬的光軸工藝軸，斷口起始于表面感應淬火層．其斷裂面與試件軸線約成45°螺旋狀，是在正應力作用下產生的正斷，為扭轉正應力的脆性斷裂，表現出對較深的有效硬化層深和高的扭轉應力相關性，是一種硬化層內高聚集的彈性變形能量釋放結果．對光軸工藝軸不同感應淬火區靜扭試驗數據分析可知：光軸工藝軸表面感應淬火通淬后扭矩水平最高；正火態未感應淬火的次之．表面感應淬火是將鋼的表層加熱至臨界溫度以上，然后快速冷卻，得到硬的馬氏體表層．該硬層的體積較基體大，在零件表層形成殘余壓應力，而殘余壓應力的存在可抵消零件表面實際承受的一部分拉應力即殘余壓應力，能夠提高材料的扭轉強力，因此零件抗扭水平提高．

2．2帶齒條、鍵槽工藝

軸帶齒條、鍵槽工藝軸（共6組17件）的靜扭試驗數據.對帶齒條、鍵槽工藝軸靜扭試驗數據分析可知：由于缺口效應（零件表面的溝槽、棱角、截面的急劇變化處產生應力集中，使強力下降，即缺口效應）［4－5］，帶齒條、鍵槽工藝軸的齒條尾部、鍵槽底部的尖角是軸桿最薄弱的部位，成為扭轉斷裂的裂紋源．表面感應淬火和拋丸強化均在零件表層形成殘余壓應力．拋丸強化使材料表面產生的強化層深度有限，約為0．2～0．5mm，在強化層內形成殘余壓應力，強化層－未強化層之間為過渡拉應力區，而表面感應淬火產生的硬化層深度遠大于拋丸強化，表面感應淬火硬化層內的殘余壓應力因與拋丸強化層過渡區的拉應力抵消而降低，即拋丸強化反而使表面感應淬火硬化層殘余壓應力有所降低．因此，帶齒條、鍵槽工藝軸表面通淬＋拋丸處理后的扭矩水平比表面感應淬火通淬后的扭矩水平有所降低．表面感應淬火可降低缺口敏感度，提高抗扭強力，而且帶齒條、鍵槽工藝軸表面感應淬火的過渡區相對于淬硬層而言，同樣是薄弱部位，成為扭轉斷裂的裂紋源．因此，帶齒條、鍵槽工藝軸在鍵槽底部、齒條尾部存在表面感應淬火過渡區的扭矩水平均低于表面感應淬火通淬后的扭矩水平，在相同斷裂部位與正火態未感應淬火的扭矩水平相接近．通過表面感應局部淬火來提高零件扭矩水平的作法不可取，設計零件表面感應淬火工藝時應盡量避免過渡區．

2．3去齒條、鍵槽工藝

軸去齒條、鍵槽工藝軸（共7組17件）的靜扭試驗數據.對去齒條、鍵槽工藝軸靜扭試驗數據分析可知：去齒條、鍵槽工藝軸表面感應淬火通淬后硬化層深符合方案要求的，其扭矩水平最高，且在低溫回火磨削后其扭矩水平有所降低；表面通淬＋拋丸處理后，其扭矩水平降低；表面感應淬火通淬后硬化層淺而不符合方案要求的工藝軸扭矩水平較低；正火態未感應淬火的扭矩水平最低．由于缺口效應，去齒條、鍵槽工藝軸的鍵槽底部尖角以及試件回火磨削終端臺階處是軸桿最薄弱的部位，成為扭轉斷裂的裂紋源．在去齒條、鍵槽工藝軸表面感應淬火通淬后且硬化層符合方案要求的前提下，試件回火磨削后的扭矩水平降低且斷裂位置均位于回火磨削終端臺階處，說明回火磨削終端臺階處應力集中程度大于鍵槽底部尖角處應力集中程度．表面感應淬火硬化層深度對靜扭強力的影響規律為：隨著硬化層深度的增加，殘余壓應力相應增大，極限扭轉強力上升，承擔扭矩的能力大幅度提高；表面感應淬火形成的殘余壓應力可降低缺口敏感度，降低應力集中程度．

拋丸強化在零件表層形成的殘余壓應力，也能起到降低表面缺口效應的作用［6－7］．去齒條、鍵槽工藝軸表面通淬＋拋丸處理后扭矩水平比表面感應淬火通淬后扭矩水平有所降低的原因在于：表面感應淬火和拋丸強化均在零件表層形成殘余壓應力；拋丸強化使材料表面產生的強化層深度有限，約為0．2～0．5mm，在強化層內形成殘余壓應力，強化層－未強化層之間為過渡拉應力區，而表面感應淬火產生的硬化層深度遠大于拋丸強化，表面感應淬火硬化層內殘余壓應力因與拋丸強化層過渡區拉應力抵消而降低，即拋丸強化反而使表面感應淬火硬化層殘余壓應力有所降低．由于拋丸強化使表面感應淬火硬化層殘余壓應力的降低大于低溫回火減少的殘余壓應力，因此去齒條、鍵槽工藝軸表面通淬＋拋丸處理后的扭矩水平低于表面感應淬火通淬低溫回火后的扭矩水平．

3靜扭試驗結論

驅動輪工藝軸不同結構相同處理狀態下靜扭試驗數據表明：光軸工藝軸的扭矩水平最高，去齒條、鍵槽工藝軸的扭矩水平次之，帶齒條、鍵槽工藝軸的扭矩水平最低．從試驗結果可得出如下結論：①表面淬火零件的過渡區相對于淬硬層而言是個薄弱環節，是扭曲斷裂的裂紋源．零件存在的淬火過渡區扭矩水平急劇下降，其扭矩水平低于未經表面淬火的零件，零件設計者和工藝人員在設計零件表面淬火要求時，應盡量避免過渡區．②含有鍵槽、齒條的零件存在尖角敏感度，是裂紋的起源．其表面通淬后表層形成了壓應力，降低了尖角敏感度，減緩了尖角效應．同時，零件回火后，降低了尖角敏感度，減緩了尖角效應．因此，存在尖角的零件必須回火，技術要求允許時應提高回火溫度．③表面淬火后，拋丸處理降低了表面壓應力；拋丸減少的壓應力大于低溫回火減少的壓應力，致使拋丸零件的扭矩水平低于低溫回火的零件．

參考文獻：

［1］李瑞卿，張沈潔，孔春華，等．不同結構驅動輪軸零件的感應淬火工藝研究［J］．金屬加工（熱加工），2015（S2）：126－129．

［2］馬戈，毛長恩，孔春華，等．感應熱處理工藝對拖拉機軸類零件扭轉強度的影響［J］．拖拉機與農用運輸車，2014（1）：70－73．

［3］薛青，劉文曾，孔春華，等．一種低速大扭矩驅動輪軸的感應熱處理工藝研究［J］．拖拉機與農用運輸車，2015（2）：58－61，64．

［4］霍發燕，曾小勤，劉秀艷．熱處理工藝對GEVO凸輪組織和性能的影響［J］．熱處理，2015，30（4）：26－30．

［5］陳建四，林恬盛，黃步玉．中頻感應加熱淬火在驅動輪生產中的應用［J］．工業加熱，2001（2）：49－50．

［6］閆保秋．熱處理新工藝在SD7高驅動推土機上的應用［J］．金屬加工（熱加工），2011（15）：12－14．

［7］張沈潔，李瑞卿，孔春華，等．42CrMo鋼驅動輪軸的感應熱處理［J］．金屬熱處理，2016，41（1）：43－47.

作者：張曉偉1；張沈潔2 單位：1．機械工業第六設計研究院有限公司，2．第一拖拉機股份有限公司