李立峰，羅 震，李 慶，敖三三

(1. 天津大學 材料科學與工程學院，天津 300072；2. 天津大學 天津市現(xiàn)代連接技術重點實驗室，天津 300072；3. 東莞市輝碟自動化科技有限公司，東莞 523620)

軸類零件的再制造技術工藝研究

李立峰1,2，羅 震1,2，李 慶3，敖三三1,2

(1. 天津大學 材料科學與工程學院，天津 300072；2. 天津大學 天津市現(xiàn)代連接技術重點實驗室，天津 300072；3. 東莞市輝碟自動化科技有限公司，東莞 523620)

軸類零件，在使用過程中主要承受交變載荷和扭轉(zhuǎn)應力，容易出現(xiàn)磨損破壞，會導致整個軸的失效,為了節(jié)約成本，所以要尋求軸的修復方法。當進行比如手工電弧焊、激光熔覆等技術的修補后，表面的硬度會變得很高，不適合用常規(guī)方法加工，本論文利用新的加工方法--電解加工對修復的雙排鏈輪軸進行加工。在電解加工之前，先進行表面修復的研究，然后在靜止情況下進行電解加工參數(shù)的研究，利用正交試驗確定合適的加工參數(shù)。接著進行旋轉(zhuǎn)加工修復試驗，利用靜止得到的參數(shù)以及自身的特點確定旋轉(zhuǎn)加工的參數(shù)。最后利用得到的參數(shù)進行完整的加工，實現(xiàn)雙排鏈輪軸的電解加工修復。本研究可以為電解加工用于軸類零件的再制造提供一定的理論依據(jù)與實際支撐，為高硬度鋼以及硬質(zhì)合金開辟一條新的修復與加工方法，實現(xiàn)這類材料的柔性加工。

軸類零件；表面修復；電解加工；再制造

0 引言

現(xiàn)如今，軸類零件在工業(yè)中的使用也越來越重要,而軸類零件工作的環(huán)境也越來越趨于復雜化,軸類零件因失效的報廢率也在增多。通常軸類零件主要失效的原因有軸變形、軸斷裂、軸表面失效。其中軸表面失效占大部分[1]。雙排鏈輪軸是傳動零件，使用過程中主要承受交變載荷和扭轉(zhuǎn)應力，其材料為42CrMo鋼。42CrMo是低合金中碳鋼，由于具有良好的強度、韌性匹配及較高的疲勞強度，在實際生產(chǎn)中廣泛運用。金屬部件在靜配合的狀態(tài)下，受部件表面光潔度、膨脹系數(shù)和裝配工藝等因素影響，金屬部件之間必存在一定的配合間隙。設備在強負荷的運行過程中，受軸承對軸的徑向沖擊力的影響，造成配合部件形成“硬對硬”的沖擊。因金屬材質(zhì)為“常量關系”，雖然強度較高，但抗沖擊性以及退讓性較差，所以長期的運行必然造成配合間隙不斷增大而產(chǎn)生相對運動，所以產(chǎn)生軸的磨損，導致設備無法正常運行。在工礦業(yè)生產(chǎn)過程中存在大量的軸類磨損現(xiàn)象，出現(xiàn)此種情況后，多數(shù)的企業(yè)會通過打麻點、刷鍍、堆焊甚至報廢更新來解決，這些傳統(tǒng)方法不能有效解決軸類磨損問題，甚至造成更為嚴重的停機事故。更換下來的廢軸被當做廢鐵賣掉，忽視了廢品再利用的巨大價值。對于雙排鏈輪軸也一樣，一旦出現(xiàn)局部磨損破壞，就會導致零件的報廢，造成巨大的浪費，因而尋求對軸類工件的修復工藝具有十分重要的意義。

42CrMo鋼硬度較高，具有硬度高、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕性好，價格適中等優(yōu)點，應用范圍愈來愈廣。當其堆焊后表面硬度很大，但常規(guī)的加工方法難以勝任對這種堆焊層的加工，所以必須針對硬質(zhì)合金的加工開展特種加工方法的研究。

電解加工是加工硬質(zhì)合金的特種加工方法之一。它是利用金屬在電解液中可以發(fā)生陽極溶解的原理將零件加工成型的。由于它既沒有機械加工中的切削力和切削熱的作用 ,也沒有電火花加工中的熱影響，同時又有加工效率高、 加工質(zhì)量好等眾多優(yōu)點，是一種有效的加工方法，并且在加工成型規(guī)律、 陰極設計以及加工基礎規(guī)律等方面已經(jīng)積累了豐富的資料[2～7]。因此，非常適用于對焊縫表面區(qū)域進行再加工，得到成型質(zhì)量好，且具有優(yōu)良力學性能的的表面組織。

1 基本問題與基本原理

1.1 雙排鏈輪軸

本文所研究軸類零件——雙排鏈輪軸在實際使用過程中，很容易在安裝法蘭盤的地方出現(xiàn)磨損破壞，造成局部破壞，最終導致整個零件難以繼續(xù)使用。容易出現(xiàn)破壞的位置如圖1中所示。

表1 實驗材料成分

圖1 雙排鏈輪軸磨損實物圖

雙排鏈輪軸磨損破壞以后，要進行表面修補，可以采用各種堆焊技術，它們是利用焊接方法進行強化和修復機械零部件表面的一種技術?？梢匀コ悴考毕?、恢復零部件力學性能和幾何尺寸、改變零部件表面的化學成分和組織結(jié)構(gòu)、延長零部件的使用壽命，具有重要的經(jīng)濟價值。此外，激光熔覆也是很常用的一種表面強化方法。當進行表面堆焊或者熔覆后，會出現(xiàn)表面硬度過大，不適用于傳統(tǒng)的加工，所以電解加工應運而生。

1.2 電解加工基本原理

電解加工（electrochemical machining，ECM）是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解反應而去除工件上多余的材料、將零件加工成形的一種方法。電解加工硬質(zhì)合金時，硬質(zhì)合金工件與直流電源的正極連接，稱為陽極；工具與直流電流負極連接，稱為陰極。兩電極之間保持一定的間隙，間隙中通過高速流動的電解液。在直流電流的作用下，陽極金屬不斷溶解進入電解液中，陰極上析出氣體。陰極不斷進給，陽極不斷溶解，直至陽極工件加工到所需的形狀為止。整個加工過程在常溫下進行，工件始終不與工具陰極相接觸。電解加工前，將電源的正負極分別與工件和電極連接，將電解液泵安裝在盛有電解液的水槽中。電解加工開始后，將電源接通，電解液泵不斷將電解液抽出，使其流過工件與電極頭之間的間隙，起到導電作用。工件就會在電化學作用下不斷被加工、去除，得到最終需要得到的形狀。

1.3 雙排鏈輪軸的電解加工

雙排鏈輪軸的電解加工采用電解車工藝方法，它是電解加工擴大應用的一種工藝方法。目前，已用于航空發(fā)動機的環(huán)形件、薄盤件以及定子整流葉片等的加工。應用這種方法還可以加工細長的軸類回轉(zhuǎn)體工件。電解車是以工件旋轉(zhuǎn)，陰極作徑向或軸向進給而進行加工的。因此，它能提高工件的加工精度和光潔度，延長工具印記的壽命，同時，采用小面積的陰極加工，可以用有限的電源容量加工較大的工件面積。它的基本原理圖如圖2所示。由于軸類零件不同截面的直徑是不同的，實驗過程中為了方便研究，在一組實驗中，僅針對同一直徑的表面進行陰極設計。

圖2 電解車加工軸類回轉(zhuǎn)體零件示意圖

2 試驗安排

2.1 實驗材料

本實驗的加工對象為雙排鏈輪軸，其成分為42CrMo，具體的合金成分如表1所示。

2.2 試驗修復

機械產(chǎn)品的再制造經(jīng)過了相當長時間的應用和實踐，再制造技術也得到了不斷的發(fā)展，目前常用到的再制造技術有電刷鍍技術，熱噴涂技術，堆焊技術，激光表面熔覆技術。本文采用表面堆焊與激光熔覆。

表面堆焊焊條分別為J507和D212，其化學成分如表2所示。

表2 焊條的化學成分（質(zhì)量分數(shù)%）

將母材用晶粒度200～1000的砂紙逐級打磨后，用酒精清洗表面油污。然后將母材與焊條一起預熱到250℃，保溫2h；保溫結(jié)束后立即進行手工電弧堆焊，其工藝參數(shù)如表3所示。

表3 表面堆焊的工藝參數(shù)

為便于進行對比，我們采用的激光熔覆粉末是由Fe粉、FeCr粉（Fe占70%，質(zhì)量分數(shù)）、FeMo粉（Fe占50%，質(zhì)量分數(shù)）配成的FeCrMo粉末和FeCr粉末，顆粒大小為200～300目，其配比方案及化學成分如表4所示。

表4 合金粉末A和B的配比方案及其化學成分

將母材用晶粒度200～1000的砂紙逐級打磨后，用酒精清洗表面油污。將工件預熱到250℃，保溫2h；然后將粉末均勻涂覆至工件表面，使其厚度為0.3mm，最后進行激光熔覆，其工藝參數(shù)如表5所示。

表5 激光熔覆的工藝參數(shù)

2.3 耐磨性與硬度測試

焊后待測部位制成7×7×25mm的試樣，在MM-200型磨損試驗機上進行母材、堆焊層和熔覆層的耐磨性試驗。摩擦工況為干磨滑動摩擦，加載為5kg，轉(zhuǎn)速為200r/min，實驗時間為1h。試驗后采用公式

式中：V為磨損體積；其中B為磨痕寬度；L為磨痕長度；R為磨輪半徑。

耐磨性實驗后，用自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯硬度計測試熔覆層的顯微硬度，沿焊縫表面在10kg載荷下測量3次求平均值。

本試驗表面堆焊選用Miller Dimension TM 372型焊機；激光熔覆設備主要由JK2000M型激光焊機與其配套的TDJG-1型多軸數(shù)控激光加工機床組成。焊后用MM-200型磨損試驗機進行耐磨性實驗；用自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯硬度計測試熔覆層的顯微硬度。

2.4 修復試驗

為便于研究，選擇堆焊方法進行修復，試驗前先采用打磨除銹，然后利用手工電弧焊進行堆焊，本實驗為了研究清楚，堆焊面積比較大，堆焊完的形態(tài)如圖3所示。

圖3 表面堆焊形態(tài)

堆焊完之后，進行電解加工試驗。試驗儀器為型號是PHECMC6132-750的電解車削機床；陰極材料為黃銅；電解液選擇30%的NaNO3水溶液；電解液溫度為40℃。電流密度依據(jù)機床自身系統(tǒng)所測出的電流計算出來，作為試驗的一個指標。試驗分靜止加工與旋轉(zhuǎn)加工兩部分。靜止試驗主要研究電解加工的幾個基本參數(shù)的關系，接著采用不同的主軸旋轉(zhuǎn)頻率，進行試驗。靜止加工采用正交實驗法研究電解電壓、加工初始間隙、加工進給速度與電流密度之間的關系。由以上研究得出最終合理的加工工藝，進行雙排鏈輪軸的整體加工。

2.5 試驗參數(shù)的選擇

在電解加工中，電解液的組成必須與工件材料匹配。一種電解液性能的好壞，與工件表面生成的氧化物和金屬鹽是否容易溶解有很大關系。由于NaCl電解液活性高，分散能力強，所以雜散腐蝕嚴重，對于42CrMo硬質(zhì)合金并不適合，而NaNO3非線性電解液雜散腐蝕較輕，加工精度較高，很適合這種合金的加工，在本實驗中采用濃度為30%的NaNO3電解液。在選定了電解液之后，加工間隙是核心的工藝因素，它很大程度上影響電流密度，它是決定加工精度的主要因素，直接影響加工效率、表面質(zhì)量，它受電場、流場及電化學特性三方面多種復雜因素的影響。主要體現(xiàn)在工件陰極以及加工參數(shù)方面。在本實驗中，在陰極設計確定之后，加工效果主要與加工參數(shù)密切相關。而在所有的加工參數(shù)中，加工電壓U，進給速度v、初始加工間隙△0、水壓及電流密度是最關鍵的幾個參數(shù)，這幾個參數(shù)之間互相影響，為了得到良好的工藝，工藝參數(shù)之間必須協(xié)調(diào)和匹配，所以利用正交試驗來研究這些參數(shù)，得到良好的加工工藝。

2.6 試驗過程

試驗中選用L34正交試驗表，3個因素：加工電壓、加工初始間隙、加工進給速度，所有因素取三水平，如表6所示。試驗的指標為電流（即電流密度）以及表面粗糙度。表7是試驗方案及結(jié)果。

表6 正交試驗因素水平表

表7 試驗方案及結(jié)果

對得到的電流密度與表面粗糙度進行分析，得到靜止加工的參數(shù)，然后進行旋轉(zhuǎn)加工試驗，其中加工過程采用1.5 H z 2.0Hz,2.5Hz,3.0Hz,3.5Hz,4.0Hz六種主軸旋轉(zhuǎn)頻率。加工效果的優(yōu)劣，間接也證明了在六種情況下流場的好壞。

3 結(jié)果與討論

3.1 修復結(jié)果結(jié)果與討論

耐磨性實驗結(jié)果如表8所示。

表8 試樣耐磨性比較

從表8可以看出，母材的磨損體積最大，顯示了母材的耐磨性在這些試樣當中是最差的；經(jīng)過J507和D212表面堆焊后，其耐磨性分別提高了12%和52.7%。很顯然，D212堆焊層具有很好的耐磨性。而與D212焊條合金成分相近的FeCrMo粉末和FeCr粉末熔覆層，其耐磨性分別比母材提高了34.8%和45%，與D212堆焊層耐磨性接近。

硬度實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同材料結(jié)合層硬度分布曲線

從圖4可以看出，母材的硬度最低，其次為J507焊條堆焊層。采用合金粉末以及D212焊條都具有較高的硬度，硬度都在650HV以上，硬度最高的為FeCr粉末，平均硬度可以達到800HV左右，所以修復之后，不適合于常規(guī)切削方法的加工，所以進行電解柔性加工。

3.2 正交試驗結(jié)果與分析

在進行了9組正交試驗以后，記錄試驗中的電流穩(wěn)定值，然后換算為電流密度，測量每一組的粗糙度。具體的數(shù)值及極差分析如表9所示。

表9 極差分析表

我們可以得到，對電流密度影響的順序為：U＞v＞P＞△0。從極差分析中我們得到較好的加工參數(shù)，即在電壓為20v，初始加工間隙為0.4mm，進給速度為0.3mm/min,水壓為1.0Mpa的情況下，電流密度合適，加工效果好。需要說明的是，這與先前研究的不考慮進給速度的最優(yōu)加工參數(shù)有所區(qū)別，先前的研究中，控制進給速度一定，最終得到在加工電壓20V，供液壓力1.0MPa，初始間隙0.1mm的最優(yōu)工藝。這說明了進給速度是電解加工另一個很重要的影響因素，此外先前加工的效果也很不錯，說明了適用于電解加工的參數(shù)不止一組，事實上，加工工藝的取值都在一定的范圍內(nèi)，這樣才能適用于生產(chǎn)。如圖5所示，這是9組試驗的加工效果圖。

圖5 各組試驗加工效果對比

從圖5中我們也可以看出來加工效果的好壞，前三組的效果比較理想，主要是流場均勻，加工電壓足夠大，加工間隙與進給速度匹配的好，對應的加工電流也大，所以加工的效果明顯要好于其他幾組。

基于上述分析，在通常情況下，隨著電流密度的增加，表面粗糙度Ra會下降，表面去除量增加。由圖片及結(jié)合實驗分析，我們得到比較理想的靜止加工工藝為：電壓20v，加工間隙0.4mm，進給速度0.3mm/min。

3.3 軸的加工結(jié)果與討論

在已經(jīng)研究的基礎上進行主軸旋轉(zhuǎn)頻率為1.5Hz 2.0Hz,2.5Hz,3.0Hz,3.5Hz,4.0Hz，六種情況下的加工效果,加工效果如圖6所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下加工效果

從圖上我們可以看到在主軸旋轉(zhuǎn)頻率為3.5Hz下，表面光潔度高，粗糙度經(jīng)測量為0.2um，而主軸旋轉(zhuǎn)頻率為4.0Hz時，加工效果沒有前者好，光潔度不高，測量的粗糙度為0.8um。我們可以知道，由于第一步的靜止加工的參數(shù)選擇，對旋轉(zhuǎn)加工起到了很好的指導作用，既簡化了旋轉(zhuǎn)加工的研究，又使旋轉(zhuǎn)加工結(jié)果更可靠，這是因為靜止情況下，試驗條件穩(wěn)定，不像旋轉(zhuǎn)加工時，主軸會有微小的擺動，可能會影響研究?？梢钥闯鰜碓趫D6（e）的加工效果最好，這主要是因為所選的參數(shù)合適，保證了工件陽極和工具陰極間保持適合的間隙，當電解液從加工間隙中不斷高速流過時，及時地帶走陽極溶解產(chǎn)物和電解電流通過電解液時所產(chǎn)生的熱量，并且起到去極化作用。在這樣的參數(shù)下，電流密度達到15A/cm2左右，流場均勻，顆粒不會沉積造成短路，隨著合適的進給運動，達到了加工量與進給速度的動態(tài)平衡，從而加工效果很好，甚至接近鏡面。

經(jīng)過這些試驗分析，我們可以得到適用于雙排鏈輪軸的修復的工藝參數(shù)，即使用30%的NaNO3電解液，電解電壓為20v，加工初始間隙為0.4mm，進給速度為0.3mm/min，主軸旋轉(zhuǎn)頻率為3.5Hz的參數(shù)下，修復結(jié)果良好。然后進行完整的雙排鏈輪軸的加工，加工后的效果如下圖所示?？梢钥吹?，表面光亮平整，粗糙度低精度高，達到了很好的修復效果，這說明電解加工很適合軸類零件的修復加工，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性加工，沒有應力，也沒有機械加工產(chǎn)熱造成的組織改變，對于軸類的再制造具有很大的意義。

圖7 雙排鏈輪軸加工圖

4 結(jié)論

經(jīng)過靜止加工試驗與旋轉(zhuǎn)加工試驗，采用正交分析與粗糙度測試，我們得到了適用于雙排鏈輪軸的修復工藝，并且得到了以下結(jié)論：

1）經(jīng)過表面堆焊與激光熔覆進行修復，軸的表面硬度很高，這對于軸類修復具有重大意義，但是同時會增大加工的難度。

2）靜止加工時，我們可以采用電解電壓初始加工間隙為進給速度為時的參數(shù)，可以得到粗糙度達0.4um以下的表面。

3）采用合適的電解加工工藝，可以實現(xiàn)軸類零件的柔性加工，加工表面平整光滑，甚至可以達到鏡面。

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The study of remanufacturing process technology of shaft parts

LI Li-feng1,2, LUO Zhen1,2, LI Qing3, AO San-san1,2

TH162

A

1009-0134(2013)06(上)-0162-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.06(上).49

2013-04-18

李立峰（1989 -），男，甘肅會寧人，研究生，研究方向為激光表面改性技術及電解加工領域。