孫明月 鄭衛(wèi)剛

(武漢理工大學(xué), 湖北430063)

在生產(chǎn)中，長(zhǎng)軸類工件的加工往往需要支撐架，目前普通車床上普遍通過(guò)使用中心架來(lái)支撐長(zhǎng)軸，配合頂尖進(jìn)行加工。中心架關(guān)鍵部件是支撐爪，C6301車床通常采用三個(gè)前錐形支撐爪來(lái)支撐長(zhǎng)軸，見(jiàn)圖1。支撐爪的材料硬度必須低于長(zhǎng)軸材料硬度，以保證長(zhǎng)軸加工過(guò)程不被磨損。

圖1 C6301機(jī)床中心架Figure 1 C6301 lathe center frame

1 常用軸類材料分析

根據(jù)承受載荷的不同，軸件可分為轉(zhuǎn)軸、傳動(dòng)軸和心軸三種，本文主要以轉(zhuǎn)軸為例進(jìn)行分析。

目前各類機(jī)械軸類材料有普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、鑄鐵。普通碳素鋼因其不能承受重載荷而較少使用，優(yōu)質(zhì)碳素鋼則被廣泛使用，合金鋼用于重載荷軸，鑄鐵則常用于曲軸和凸輪軸。各材料硬度如表1所示。在選擇支撐爪材料時(shí)，材料硬度必須低于所加工長(zhǎng)軸的硬度。

2 支撐爪現(xiàn)狀分析

工廠普遍使用球墨鑄鐵作為支撐爪材料[1]。球墨鑄鐵與轉(zhuǎn)動(dòng)工件直接接觸，運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)軸勢(shì)必造成支撐爪的磨損，內(nèi)凹嚴(yán)重，如圖2所示。

表1 常用軸件材料硬度Table 1 Hardness of common shaft materials

圖2 被磨損的支撐爪Figure 2 The abrasive supporting claws

據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，工廠加工長(zhǎng)軸時(shí)，平均每臺(tái)車床每周更換一次中心架支撐爪。由于磨損嚴(yán)重，在加工長(zhǎng)軸時(shí)還需要不定時(shí)地緊固支撐爪螺旋，而且由于三個(gè)支撐爪磨損狀況不同，會(huì)造成軸件的加工精度降低甚至使軸件報(bào)廢。

3 改進(jìn)方案研究

鎳硬鑄鐵是在普通白口鑄鐵的基礎(chǔ)上加入3.0%～5.0%的鎳和1.5%～3.5%的鉻，得到非常硬而且耐磨的馬氏體基體+M3C型碳化物組織。鎳和鐵的無(wú)限固溶能有效地提高淬透性，促使形成馬氏體-貝氏體基體，同時(shí)鎳能穩(wěn)定奧氏體。鉻的加入可以阻止石墨化，促使形成碳化物，并提高M(jìn)3C型碳化物的硬度，由不含合金時(shí)的900～1 000 HV提高到1 100～1 200 HV，符合低于軸類材料硬度的要求。鎳硬鑄鐵的耐磨性優(yōu)于普通白口鑄鐵，在采礦、電力、水泥、陶瓷和鑄造等行業(yè)得到較為廣泛的應(yīng)用。耐磨材料中，錫磷青銅以及鋁鐵青銅也經(jīng)常被采用，但是銅材料較鑄鐵價(jià)錢要高，同時(shí)合金冶煉控制技術(shù)比較復(fù)雜，綜合考慮材料性能及經(jīng)濟(jì)因素，支撐爪材料選擇鎳硬鑄鐵更優(yōu)。

顯微觀察顯示，未經(jīng)熱處理的鎳硬鑄鐵是由馬氏體及碳化物結(jié)構(gòu)組成，見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)證明鎳硬鑄鐵的馬氏體碳化物結(jié)構(gòu)比同樣硬度或較高硬度的其它結(jié)構(gòu)要優(yōu)越些， 耐磨性更好[2]。

4 性能試驗(yàn)

采用傳統(tǒng)鑄造工藝(忽略因鑄造所帶來(lái)的影響)鑄造鎳硬鑄鐵材質(zhì)的中心架支撐爪30個(gè)，未經(jīng)熱處理的15個(gè)分別裝入五個(gè)中心架，編號(hào)1#，球墨鑄鐵支撐爪30個(gè)，未經(jīng)熱處理的15個(gè)分別

裝入五個(gè)中心架，編號(hào)2#。選擇提高硬度最優(yōu)方案，對(duì)剩余的鎳硬鑄鐵及球墨鑄鐵支撐爪進(jìn)行熱處理。經(jīng)熱處理的鎳硬鑄鐵[3]裝入五個(gè)中心架，編號(hào)3#，經(jīng)熱處理的球墨鑄鐵裝入五個(gè)中心架，編號(hào)4#。選擇加工的長(zhǎng)軸均為D=300 mm，L=0.75 m，機(jī)床選擇C6301型號(hào)，支撐爪示意圖見(jiàn)圖4。對(duì)其進(jìn)行耐磨性測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

測(cè)試結(jié)果顯示，未經(jīng)熱處理的鎳硬鑄鐵耐磨性高于球墨鑄鐵，經(jīng)熱處理后，鎳硬鑄鐵耐磨性[4]也高于球墨鑄鐵。

圖3 鎳硬鑄鐵顯微圖 Figure 3 The micrograph of Ni-hard cast iron

圖4 未磨損支撐爪示意圖Figure 4 Unworn supporting claws

試樣編號(hào)材料名稱熱處理支撐爪加緊載荷/N潤(rùn)滑形式圓盤轉(zhuǎn)速/r·m-1測(cè)試時(shí)間/h測(cè)試后長(zhǎng)度 L/mm(平均值)1#2#3#4#鎳硬鑄鐵球墨鑄鐵鎳硬鑄鐵球墨鑄鐵無(wú)無(wú)加熱至800℃后保溫8h再空冷加熱至880℃后保溫2h再空冷20202020油潤(rùn)滑油潤(rùn)滑油潤(rùn)滑油潤(rùn)滑300300300 300 8 88835.528.237.830.6

5 結(jié)束語(yǔ)

車床在對(duì)長(zhǎng)軸加工過(guò)程中使用的中心架容易磨損，需及時(shí)加緊支撐爪，而且更換頻繁。改用鎳硬鑄鐵材料后，由于其具有高耐磨性，不僅能減少工人的操作量，降低生產(chǎn)成本，而且能更好地保證軸的精密度。

[1] 李佐峰. 等溫淬火球墨鑄鐵的熱處理及應(yīng)用[J] . 農(nóng)業(yè)設(shè)備與車輛工程， 2007(09).

[2] 黃蘇寧. 鎳硬鑄鐵IV的熱處理工藝[J] . 金屬熱處理， 2012(08).

[3] 子澍， 張學(xué)昆 . 鎳硬鑄鐵的硬化原則及影響因素[J] . 現(xiàn)代鑄鐵，2010(04).

[4] 劉基博. 鎳硬鑄鐵的技術(shù)性能和應(yīng)用[J] . 礦山機(jī)械，1985(02).