1軸設計與工藝
如圖1初始零件設計圖所示,連接軸在日常使用中受到兩個方向的力值一y軸方向的拉力及x方向的旋轉(zhuǎn)扭力,且設計要求此零件需要承受10000次機壽。整體傳動機構(gòu)由集團意大利公司設計,引入并在中國進行零部件國產(chǎn)化。加工初始,技術(shù)中心以通常軸設計加工思路選用40Cr,調(diào)質(zhì)(35士3)HRC,且為了加強傳動連接部位的硬度,局部淬火到(50士3)HRC。工藝路線為鍛造一銑花鍵一調(diào)質(zhì)一表面淬火一外圓磨。
圖1 設計圖
2工藝缺陷改良
按要求加工后,發(fā)現(xiàn)由于熱處理的時間較長,且零件易變形,加工費用較高。正常安裝后進行機壽實驗,操作1000次后,軸出現(xiàn)變形移位(失效圖如圖2所示),機構(gòu)卡死,無法使用。鑒于此,質(zhì)量部門對零件進行硬度測量(測量圖如圖3所示),發(fā)現(xiàn)變形處即A處的硬度值較低,在27左右,未達到設計要求。但調(diào)質(zhì)后A點的硬度在35左右,在局部淬火后硬度降低到27左右。
設計中心再次對此軸進行設計更改,采用40Cr,淬火到(50士3)HRC,并再次實驗,樣品在操作4000次機壽后斷裂(失效圖如圖4所示)。
項目交接到我處后,經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),第一次的設計,調(diào)質(zhì)到35HRC后再進行表面淬火,在對B面進行淬火時,由于B圓面離A面的距離較近,溫度傳導到A點,使A點硬度降低到27HRC,無法達到設計要求,在實驗中A點彎曲變形失效。第二次的設計更改,沒有考慮40Cr良好的淬透性,淬火后芯部淬透,整個零件在測量后發(fā)現(xiàn)A、B、C、D、E和F處的硬度在45HRC~50HRC,零件失效后,斷裂面明顯為脆斷,晶粒粗大且為馬氏體組織,韌性差,在兩端扭力作用下直接斷裂。
此零件設計的思路應是A點和E點耐磨,且為兩面的連接中心處,由于受兩端的交變扭力的作用,軸的設計要考慮良好的抗拉強度及韌性,且應相應考慮加工的經(jīng)濟性,減少加工工序及加工難度。
綜上,可以選擇價格相對便宜,且淬透性不強的中碳鋼,且縮短淬火時間來達到表面硬但中心韌的要求。綜合淬透性和屈服強度,選擇了35號鋼整體淬火,且要求縮短淬火時間,油淬后迅速冷卻,達到表面硬度(50士3)HRC、芯部硬度如圖5所示要求。工藝流程為鍛壓一銑花鍵一短時淬火一外圓磨,比之前設計減少了一道工藝,且原材料價格相對較低。加工后,硬度測試結(jié)果如表1所示,芯部晶相分析如圖6所示,完全達到要求,且經(jīng)過了15000次的機壽實驗,整件無斷裂。
3 結(jié)語
從上面的設計案例來看 ,軸類設計一般會認為40Cr機械性能優(yōu)于35號鋼 ,選用40Cr原材料更好 ,熱處理也一般會選用調(diào)質(zhì)處理。但本次實驗結(jié)果驗證了設計零件時 ,不能照本宣科地選材及決定加工工藝 ,應按照實際使用情況 ,具體分析 ,找出合適又經(jīng)濟的原材料及加工工藝。
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