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工程機(jī)械用多于建筑、水利、電力、道路、礦山、港口和國防等工程領(lǐng)域，工況復(fù)雜，作為聯(lián)接用銷軸零部件，在服役中承受強(qiáng)烈剪切、沖擊、彎曲和扭轉(zhuǎn)作用, 同時(shí)受到摩擦，除為滿足整機(jī)及環(huán)境應(yīng)用需要設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)外，還要進(jìn)行表面硬化有情特殊熱處理的方式保證銷軸具有良好的綜合性能，本文以推土機(jī)履帶銷軸為例，對生產(chǎn)過程中熱處理裂紋問題進(jìn)行分析。

 

1.現(xiàn)狀描述

 

因履帶一般在使用場所完成最終的裝備，生產(chǎn)中將履帶連接成閉合環(huán)的最后一節(jié)履帶的銷軸稱為主銷軸，設(shè)計(jì)中常將主銷軸端部形狀設(shè)計(jì)異于普通銷軸以便于區(qū)分。如圖1為某型號主銷軸，兩端各有一個(gè)球窩以其區(qū)別于普通銷軸，一個(gè)敲擊臺(tái)以便于安裝，其成品端面形狀如圖1所示。

圖1  主銷軸

該主銷軸工藝流程：下料→車外形→車球窩→車臺(tái)階→熱處理→磨外圓→車端面。在熱處理的淬火工序中，在球窩內(nèi)側(cè)出現(xiàn)裂紋，部分裂紋貫穿整個(gè)球窩，致使球窩從銷軸端部處掉落，裂紋形貌如圖2所示。

（a）主銷軸球窩完全掉落

（b）掉落球窩碎片

（c）球窩內(nèi)部裂紋形貌

圖  2

 

2.原因分析

 

針對生產(chǎn)中可能產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析，分別對原材料，熱處理工藝、淬火液、工藝流程合理性進(jìn)行分析。

 

（1）原材料分析

對原材料的化學(xué)成分、非金屬夾雜、低倍組織等進(jìn)行檢驗(yàn)，均在技術(shù)要求范圍內(nèi)?；瘜W(xué)成分如附表所示。

化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

元素	C	Si	Mn	S	P	Cr	B
技術(shù)要求	0.44～0.48	0.15～0.35	0.6～0.9	≤0.02	≤0.015	≤0.3	0.00015～0.003
實(shí)測	0.48	0.27	0.76	0.016	0.006	0.185	0.002

（2）淬火工藝及淬火液分析

淬火加熱采用的是中頻感應(yīng)加熱，橫向?qū)Ρ认嗤?guī)格的普通銷軸，在淬火后沒有出現(xiàn)裂紋；縱向?qū)Ρ冉档秃吞岣呒訜峁β蚀慊鹆鸭y均存在，因此判斷該裂紋與淬火加熱功率無直接關(guān)系。

 

分析淬火使用的水溫及某溶于水的有機(jī)淬火液濃度，工件入水時(shí)的水溫在技術(shù)要求之內(nèi)且淬火液濃度在技術(shù)要求的中線，故淬火裂紋和淬火液亦無直接關(guān)系。

 

通過以上工藝試驗(yàn)及現(xiàn)場工藝參數(shù)測試，表明主銷軸裂紋與淬火工藝及淬火液均無直接關(guān)系。

 

（3）工藝流程合理性分析

熱處理之前端部三維圖如圖3所示，處理后加工端面時(shí)車掉部分端面并加工出臺(tái)階后留下一個(gè)如圖4所示的淺球窩。通過對主銷軸工藝流程分析可知，由于球窩的存在以及加工工時(shí)產(chǎn)生的刀紋等因素使得球窩處形狀復(fù)雜、橫截面急劇變化、帶有尖角溝槽，成為淬火時(shí)易產(chǎn)生組織應(yīng)力集中及熱應(yīng)力集中的區(qū)域，易產(chǎn)生裂紋。

圖3 車外形后主銷軸端面

圖4  車端面后主銷軸端面圖

根據(jù)淬火時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中的原理及該型號主銷軸的工藝特點(diǎn)，理想的加工流程應(yīng)為在熱處理后再進(jìn)行端面球窩的機(jī)械加工。

 

3.工藝流程調(diào)整方案及可行性分析

 

調(diào)整前后的工藝流程：下料→車外形→熱處理→磨外圓→車端面→挖球窩→車臺(tái)階。車出外形然后熱處理，熱處理前主銷軸端面三維圖如圖5所示，熱處理后再進(jìn)行車端面及球窩的加工。

圖5  改變工藝流程后熱處理前端面三維圖

這樣軸的端部形狀平直，截面均勻，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中。調(diào)整工序后，由于在加工球窩前已經(jīng)熱處理，端面硬度會(huì)受熱影響有所上升，故為驗(yàn)證是否易于加工對熱處理后的端面硬度進(jìn)行檢測，其硬度曲線如圖6所示，由圖可知，在球窩處的硬度受熱影響，氣硬度在38～43HRC之間，軸表面處硬度較高，因此熱處理后可以進(jìn)行機(jī)械加工但是需要使用陶瓷刀片進(jìn)行加工。

（a）測定熱處理后端面截面硬度位置點(diǎn)

（b）熱處理后端面界面硬度曲線

圖  6

 

4.結(jié)果及總結(jié)

 

采用新工藝流程生產(chǎn)了7個(gè)批次共計(jì)3000余件主銷軸，沒有再出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。說明引起端面裂紋的主要原因是因其結(jié)構(gòu)不合理引起的應(yīng)力集中，文中采用的調(diào)整工藝流程的方法是有效的。

 

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)中要盡量避免容易引起熱處理應(yīng)力集中的形狀突變、厚薄不均等因素，及時(shí)調(diào)整工藝流程。隨著刀具的不斷改進(jìn)，其加工范圍不斷擴(kuò)大，使得經(jīng)熱處理后的工件在一定條件下可以進(jìn)行機(jī)加工。這就要求生產(chǎn)技術(shù)人員不斷學(xué)習(xí)新的知識(shí)、不斷拓寬知識(shí)面，以期更好的完成生產(chǎn)。