馮小飛 鄭衛(wèi)剛

(1.武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北 430063;2.武漢理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，湖北 430063)

車床方刀架是影響車床加工精度的重要因素，在使用中如果發(fā)生故障，會直接影響加工精度并降低工作效率。本文對CA6140 車床方刀架故障進(jìn)行了分析，并探討了幾種現(xiàn)代熱處理工藝，進(jìn)行比較分析，尋找排除故障的最佳途徑。

1 故障分析

在進(jìn)行故障分析前先了解CA6140 車床方刀架的結(jié)構(gòu)及工作原理［1］。

1.1 方刀架結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理

結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

方刀架工作原理:逆時針轉(zhuǎn)動手柄10 時，可松開刀架體9，通過銷釘連接轉(zhuǎn)動內(nèi)花鍵套筒，并帶動外花鍵套筒轉(zhuǎn)動，再通過它的下端齒爪使凸輪轉(zhuǎn)動，并通過凸輪的斜面a 拔出定位銷15，缺口的側(cè)面b 碰刀架體9 的定位銷15，使刀架體旋轉(zhuǎn)，鋼球12 滑出并進(jìn)另一定位孔，刀架體初定位，再順時針轉(zhuǎn)手柄10，可順次插銷定位夾緊。

1.2 故障原因

由于車床在的使用中需要經(jīng)常對刀換刀，而傳統(tǒng)車床上的對刀換刀是通過旋轉(zhuǎn)方刀架上的手柄來實現(xiàn)的。因長期頻繁使用旋轉(zhuǎn)方刀架的手柄部分，方刀架小滑板上的銷孔套筒與定位銷頭部和鋼球間會因反復(fù)接觸摩擦而導(dǎo)致套筒磨損過大且其截面極易成為橢圓，由此帶來的直接影響是在鎖緊方刀架時，方刀架常會出現(xiàn)一定量的偏移。如未注意到這種偏移，會使車削工件精度受到很大影響;若工作人員發(fā)現(xiàn)了這種偏移，則需手動進(jìn)行校正，又會延長加工時間，影響效率。

在傳統(tǒng)車床CA6140 上表現(xiàn)出來的磨損如圖2 所示。由圖1 可知，未磨損的銷孔套筒其截面為圓形，但圖2 中的銷孔套筒已磨損嚴(yán)重，其截面已近乎為橢圓形。

2 試驗及分析

2.1 方刀架誤差試驗

為精確測量在實際加工中對工件造成的誤差，本人特在此機床上進(jìn)行試驗。試驗材料為直徑55 mm 的鑄鐵毛坯。試驗時進(jìn)行如下處理:對刀后轉(zhuǎn)動橫向進(jìn)給刻度盤的進(jìn)給量分別為2.00 mm、2.50 mm、3.00 mm、3.50 mm、4.00 mm。然后啟動車床，縱向進(jìn)入，車一段距離后退回，停止車床，進(jìn)行換刀。將刀具逆時針轉(zhuǎn)動一圈后再順時針鎖緊，保持橫向進(jìn)給量刻度盤位置不變，再啟動車床，車之前軸向距離的約1/3～1/2 處退回，停止車床。用游標(biāo)卡尺分別測量換刀前與換刀后的坯料的直徑，記錄數(shù)據(jù)，算出前后之間的差值△，數(shù)據(jù)記錄如表1。

圖1 CA6140 車床方刀架結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic sketch of CA6140 lathe carriage configuration

圖2 CA6140 車床上小滑板銷孔套筒的磨損情況Figure 2 Wear condition of sliding plate pin hole sleeve for CA6140 lathe

從表1 中可以明顯看出，換刀前后的測量值存在很大的差值，其平均誤差為0.364 mm。據(jù)多年從事車工的工作人員介紹，在換刀前后若徑向誤差不大于0.01 mm 屬合理范圍。這0.01 mm通常是由車床刻度盤輕微移動或刀具的負(fù)角等原因引起的。因小滑板上的銷孔里套筒的磨損而引起的誤差顯然已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了允許范圍之內(nèi)，面對這種誤差，從事車工多年的工作人員會根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，但這無疑會降低工作效率。

2.2 解決方案的探討

磨損是機械零件主要失效形式之一。不同的工況，磨損機理也不同，影響的因素很多，過程也十分復(fù)雜。鋼的耐磨性是指在一定工作條件下抵抗磨損的能力［2］。影響鋼耐磨性的因素有很多，它包括工作條件(載荷、速度、運動方式等)、潤滑狀態(tài)、環(huán)境因素(溫度、濕度、周圍介質(zhì)等)、材料因素(成分、組織、力學(xué)性能等)、零件表面質(zhì)量及物理化學(xué)特性等。通常，提高鋼的硬度一定程度上可以提高其耐磨性［3］。在傳統(tǒng)車床上，小滑板上銷孔套筒的材料通常為調(diào)質(zhì)后的45 鋼。要想提高表層硬度和耐磨性，通常是采用調(diào)質(zhì)處理方式，其推薦熱處理溫度為淬火8 40 ℃，回火600℃［4］。通過對上述銷孔套筒的磨損分析，對其進(jìn)行普通的熱處理方式顯然已不能滿足長期使用的要求。因零件表面質(zhì)量是影響其耐磨性的重要因素之一，據(jù)此采用表面處理可很好地解決銷孔套筒磨損問題。表面處理技術(shù)是通過加熱或機械處理等方法，在不改變材料表層化學(xué)成分的情況下，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變其性能。表面處理能使零件獲得一定深度的表面硬化層，并能使其心部保持較好的韌性，從而提高其耐磨性［3］。

表1 不同組別換刀前后的直徑與差值△Table 1 Diameters and deviation valuesΔ of various combinations before and after tool change

表2 表面處理工藝的試驗條件Table 2 Testing term of surface treatment process

表3 幾種強化工藝的試樣性能對比Table 3 Comparison of test specimen property by several kinds of strengthening process

根據(jù)顧洪武對45 號鋼采用幾種表面處理對其耐磨性的研究［5］，可以得出45 鋼在不同表面處理條件下性能的差異，而這是我們對銷孔套筒進(jìn)行熱處理的重要參考依據(jù)。顧洪武研究的對45鋼試樣(調(diào)質(zhì)態(tài))采用不同表面處理工藝的實驗條件如表2 所示。為便于比較，顧洪武對數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，并給出了幾種強化工藝的試樣性能之間的對比，如表3 所示。其中碳氮共滲在RRJJ25-9T 井式氣體滲碳爐中進(jìn)行，以煤油分解氣為滲碳劑，液氨(經(jīng)氣化、干燥后)為滲氮劑，共滲后直接淬火。激光器為GJ-Ι 型橫向流動激光器，輸出功率為500 W～2 000 W，連續(xù)可調(diào)，光斑直徑為3 mm。激光淬火前對試樣表層磷化處理。表2 中，P 和V 分別是激光功率和掃描速度，P1和P2分別是氧氣和乙炔氣的壓力，Q1和Q2分別是氧氣和乙炔氣的流量。表3 中綜合系數(shù)是將硬度、耐磨性、耐蝕性三個數(shù)值相乘再除以成本數(shù)值得出的。

從表2 中可以看到經(jīng)不同的表面處理工藝可以得出45 鋼在相應(yīng)處理下的硬化層深度與可硬化范圍，采用表面處理的方式提高了試樣的硬化層深度。

從表3 中可以明顯看出，采用表面處理的方式能很好的改變試樣的性能，提高了試樣的硬度和耐磨性，不同的表面處理對試樣硬度耐磨性的提高不同，激光熔敷對試樣的耐磨性提高最大，但成本也最高;高頻淬火對試樣的耐磨性提高幅度最小，但成本較之于其他幾種處理方式最低。針對于傳統(tǒng)車床上的小滑板銷孔套筒，應(yīng)用以上幾種表面處理工藝?yán)碚撋暇芴岣咛淄驳哪湍バ裕瑥亩娱L使用壽命，克服生產(chǎn)中出現(xiàn)的故障。

3 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)車床方刀架在換刀后會經(jīng)常出現(xiàn)一定量的偏移，這是由小滑板上的銷孔套筒過度磨損造成的，且這種偏移會帶來很大的誤差，影響加工精度，降低工作效率。

(2)對制成小滑板銷孔套筒的45 鋼采用傳統(tǒng)熱處理調(diào)質(zhì)方式已不能滿足工件長期使用的要求，而采用表面處理方式能顯著提高45 鋼的耐磨性。

(3)不同的表面處理工藝對45 鋼的耐磨性提高不同，所需的成本也有很大差異，廠商可根據(jù)具體情況采用合適的表面處理工藝生產(chǎn)小滑板上的銷孔套筒。

［1］張恩生，夏德榮，章明熾，等編.車工實用技術(shù)手冊［M］.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

［2］戴起勛編.金屬材料學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［3］張九淵編.表面工程與失效分析［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2005.

［4］孫智，倪宏昕，彭竹琴著.現(xiàn)代鋼鐵材料及其工程應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［5］顧洪武.幾種表面處理工藝對鋼的耐磨性和腐蝕性的影響［J］.機械工程材料，1994，18(3):12-14.