傳動(dòng)軸材料及工藝選用思考

1軸設(shè)計(jì)與工藝

如圖1初始零件設(shè)計(jì)圖所示,連接軸在日常使用中受到兩個(gè)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(shè)計(jì)要求此零件需要承受10000次機(jī)壽。整體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由集團(tuán)意大利公司設(shè)計(jì),引入并在中國(guó)進(jìn)行零部件國(guó)產(chǎn)化。加工初始,技術(shù)中心以通常軸設(shè)計(jì)加工思路選用40Cr,調(diào)質(zhì)(35士3)HRC,且為了加強(qiáng)傳動(dòng)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(shè)計(jì)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(shí)間較長(zhǎng),且零件易變形,加工費(fèi)用較高。正常安裝后進(jìn)行機(jī)壽實(shí)驗(yàn),操作1000次后,軸出現(xiàn)變形移位(失效圖如圖2所示),機(jī)構(gòu)卡死,無(wú)法使用。鑒于此,質(zhì)量部門對(duì)零件進(jìn)行硬度測(cè)量(測(cè)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。但調(diào)質(zhì)后A點(diǎn)的硬度在35左右,在局部淬火后硬度降低到27左右。

設(shè)計(jì)中心再次對(duì)此軸進(jìn)行設(shè)計(jì)更改,采用40Cr,淬火到(50士3)HRC,并再次實(shí)驗(yàn),樣品在操作4000次機(jī)壽后斷裂(失效圖如圖4所示)。

項(xiàng)目交接到我處后,經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn),第一次的設(shè)計(jì),調(diào)質(zhì)到35HRC后再進(jìn)行表面淬火,在對(duì)B面進(jìn)行淬火時(shí),由于B圓面離A面的距離較近,溫度傳導(dǎo)到A點(diǎn),使A點(diǎn)硬度降低到27HRC,無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求,在實(shí)驗(yàn)中A點(diǎn)彎曲變形失效。第二次的設(shè)計(jì)更改,沒有考慮40Cr良好的淬透性,淬火后芯部淬透,整個(gè)零件在測(cè)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(shè)計(jì)的思路應(yīng)是A點(diǎn)和E點(diǎn)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(shè)計(jì)要考慮良好的抗拉強(qiáng)度及韌性,且應(yīng)相應(yīng)考慮加工的經(jīng)濟(jì)性,減少加工工序及加工難度。

綜上,可以選擇價(jià)格相對(duì)便宜,且淬透性不強(qiáng)的中碳鋼,且縮短淬火時(shí)間來(lái)達(dá)到表面硬但中心韌的要求。綜合淬透性和屈服強(qiáng)度,選擇了35號(hào)鋼整體淬火,且要求縮短淬火時(shí)間,油淬后迅速冷卻,達(dá)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(shí)淬火一外圓磨,比之前設(shè)計(jì)減少了一道工藝,且原材料價(jià)格相對(duì)較低。加工后,硬度測(cè)試結(jié)果如表1所示,芯部晶相分析如圖6所示,完全達(dá)到要求,且經(jīng)過(guò)了15000次的機(jī)壽實(shí)驗(yàn),整件無(wú)斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

從上面的設(shè)計(jì)案例來(lái)看 ,軸類設(shè)計(jì)一般會(huì)認(rèn)為40Cr機(jī)械性能優(yōu)于35號(hào)鋼 ,選用40Cr原材料更好 ,熱處理也一般會(huì)選用調(diào)質(zhì)處理。但本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)零件時(shí) ,不能照本宣科地選材及決定加工工藝 ,應(yīng)按照實(shí)際使用情況 ,具體分析 ,找出合適又經(jīng)濟(jì)的原材料及加工工藝。