李超超(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司重裝事業(yè)部，黑龍江161042)

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曲柄軸的質(zhì)量控制及分析

李超超
(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司重裝事業(yè)部，黑龍江161042)

摘要:分析曲柄軸產(chǎn)生扭曲變形的原因，提出加強(qiáng)熱處理工序的控制以解決該問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:曲柄軸;扭曲變形;熱處理工藝

曲柄軸是專(zhuān)項(xiàng)產(chǎn)品中的一個(gè)重要傳動(dòng)零件。曲柄軸的一端與曲柄相配合，中間部位與曲臂相配合，另一端與復(fù)撥杠桿相配合。曲柄軸的左側(cè)端面開(kāi)有方形孔可用來(lái)安裝手柄，用于手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄軸，使之帶動(dòng)其他零件運(yùn)動(dòng)。曲柄軸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力比較復(fù)雜，曲柄軸的受力和變形大小直接影響到產(chǎn)品的傳動(dòng)精度，因此有必要對(duì)曲柄軸進(jìn)行受力分析和變形分析。

1　曲柄軸材料參數(shù)

曲柄軸材質(zhì)為40Cr，調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能、良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。該鋼的淬透性良好，除此之外該鋼還可適用于氰化和高頻淬火處理，切削性能良好。該材質(zhì)常溫下( 20℃)彈性模量為210 GPa，泊松比為0．277，屈服強(qiáng)度≥785 MPa。根據(jù)曲柄軸實(shí)際工作工況繪制了三維圖，其模型見(jiàn)圖1。

曲柄軸固定在本體上，曲柄軸與曲臂相配合，曲臂在彈簧的作用下帶動(dòng)曲柄軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)其他零件的相互運(yùn)動(dòng)。

2　柄軸質(zhì)量問(wèn)題分析

曲柄軸在試驗(yàn)期間出現(xiàn)了相關(guān)零件運(yùn)動(dòng)不到位，屏幕顯示故障產(chǎn)生，導(dǎo)致產(chǎn)品試驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。為了查找問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因，對(duì)曲柄軸分別做了尺寸、硬度、化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織等檢測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)曲柄軸和相關(guān)零件拆解，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)面根部約寬3 mm，周長(zhǎng)1/4處有研傷。

圖1　曲柄軸模型Figure 1　 Model of crank shaft

圖2　曲柄軸簡(jiǎn)圖Figure 2　 Sketch of crank shaft

曲柄軸返廠(chǎng)后對(duì)其進(jìn)行了機(jī)床打表的檢查，發(fā)現(xiàn)曲柄軸發(fā)生了扭曲變形，從而導(dǎo)致曲柄與曲柄軸同軸度發(fā)生變化，造成曲柄研傷，導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。

曲柄軸簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

2．1尺寸檢測(cè)

針對(duì)曲柄軸發(fā)生扭曲變形的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)其主要尺寸進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　尺寸檢測(cè)結(jié)果Table 1　Test results of dimension measurement

表2　曲柄軸化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2　Results of chemical composition analysis of crank shaft ( mass fraction，%)

表3　金相組織Table 3　Metallographic structure

表4　力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 4　Test results of mechanical property

從表1可以發(fā)現(xiàn)，曲柄軸小圓直線(xiàn)度超差是造成曲柄軸變形、曲柄研傷的主要原因之一。

2．2化學(xué)成分分析

為了分析曲柄軸發(fā)生彎曲變形的根本原因，對(duì)已發(fā)生變形的曲柄軸進(jìn)行分解，并取樣進(jìn)行化

表5　硬度檢測(cè)結(jié)果Table 5　Results of hardness test

學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

分析結(jié)果表明，曲柄軸化學(xué)成分滿(mǎn)足要求。

2．3金相分析

查找曲柄軸材料證明書(shū)，曲柄軸熱處理狀態(tài)為淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)狀態(tài)，其金相組織應(yīng)為回火索氏體，為驗(yàn)證組織的正確性，對(duì)曲柄軸進(jìn)行了金相組織檢查，結(jié)果見(jiàn)表3。

珠光體是過(guò)冷奧氏體在A1以下的供析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，是鐵素體和滲碳體兩相組成的機(jī)械混合物。根據(jù)珠光體片間距的大小，通常把珠光體分為普通珠光體、索氏體和屈氏體。普通珠光體的片間距S0約為150 nm～450 nm，形成于A1～650℃溫度范圍內(nèi)。索氏體是在650～600℃范圍內(nèi)形成的珠光體，其片間距較小，約為80 nm～150 nm。屈氏體式在600～550℃范圍內(nèi)形成的珠光體，其片間距極細(xì)，約為30 nm～80 nm。但如果珠光體是在連續(xù)冷卻過(guò)程中形成時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的片間距大小不等，高溫形成的珠光體片間距大，低溫形成的珠光體片間距較小。這種片間距不等的珠光體在外力作用下，將引起不均勻的塑性變形，并導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而使鋼的強(qiáng)度和塑性都降低，晶粒度7級(jí)反映出珠光體片間距較大，從而導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低［1］。

2．4力學(xué)性能分析

曲柄軸力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出，曲柄軸強(qiáng)度偏低，低于要求。

為了追溯產(chǎn)品的質(zhì)量，查找了曲柄軸質(zhì)量證明書(shū)，對(duì)同爐、同一批次的曲柄軸進(jìn)行了硬度檢查，檢查結(jié)果見(jiàn)表5。

為了保證零件的完整性，采用便攜式硬度儀HL-80現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定硬度，前10點(diǎn)在零件兩端進(jìn)行檢測(cè)，最后兩點(diǎn)在中間表面進(jìn)行檢測(cè)。曲柄軸要求硬度為247～293HBW。

由表2可以看出，卡號(hào)為56、57、58的曲柄軸前端5點(diǎn)的硬度普遍低于要求值，且硬度分布不均勻。卡號(hào)59的曲柄軸硬度分布均勻，且硬度值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)圖紙要求。

綜上述，曲柄軸產(chǎn)生扭曲變形的根本原因是:曲柄軸在熱處理工序段由于溫度掌控不當(dāng)，導(dǎo)致曲柄軸強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致其扭曲變形、曲柄研傷。

3　質(zhì)量改進(jìn)及控制

曲柄軸出現(xiàn)扭曲變形主要是因?yàn)闊崽幚砉に嚳刂撇划?dāng)造成的，因此加強(qiáng)熱處理工序的控制和檢查是解決該問(wèn)題的根本途徑。

( 1)為了保證產(chǎn)品的可追溯性，凡有力學(xué)性能要求的工件，必須傳遞帶有化學(xué)成分的質(zhì)量證

明書(shū)。如果是外廠(chǎng)毛坯，也必須帶有化學(xué)成分單。不同鋼號(hào)的工件同裝一爐時(shí)，其加熱溫度應(yīng)相同或相近，相近時(shí)二者溫度范圍的平均值之差;煤氣爐加熱不能超過(guò)20℃、電爐加熱不能超過(guò)10℃。

( 2)有性能要求的工件，當(dāng)送來(lái)的試料數(shù)量、尺寸和質(zhì)量不符合取樣圖或有關(guān)技術(shù)要求時(shí)，分廠(chǎng)應(yīng)拒收。采用分批出爐淬火時(shí)，頭批工件出爐后，待下批工件的爐溫恢復(fù)正常才能出爐。為使零件加熱均勻，保溫過(guò)程中爐膛應(yīng)保持正壓力。

( 3)用大爐加熱較小(少)的工件時(shí)，爐膛空燒部位的爐表也應(yīng)啟動(dòng)起來(lái)，但指示溫度只作參考。電爐和臺(tái)車(chē)爐升溫、降溫和均溫時(shí)，以爐頂儀表(大表)溫度為準(zhǔn)，爐側(cè)儀表(小表)溫度只作參考，但保溫時(shí)兩種儀表溫度都應(yīng)達(dá)到規(guī)定的溫度。在個(gè)別情況下，經(jīng)過(guò)檢查員和基層管理人員共同確認(rèn)后，方可僅以爐頂表溫為準(zhǔn)。

( 4)不同截面的工件同裝一爐時(shí)，其保溫時(shí)間應(yīng)相同或相近。相近時(shí)其保溫時(shí)間之差不能超過(guò)一倍，分批出爐時(shí)不受限制。在執(zhí)行工藝過(guò)程中，應(yīng)做好升溫、均溫、保溫和回火冷卻，應(yīng)每小時(shí)記錄一次溫度(大、小溫度表均記錄)。工藝卡和關(guān)鍵件、重要件的儀表記錄應(yīng)保存于相關(guān)部門(mén)。

4　結(jié)語(yǔ)

分析了曲柄軸發(fā)生扭曲變形的根本原因，并在實(shí)際應(yīng)用中反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和論證。采取有效措施加強(qiáng)曲柄軸在熱處理工序的控制和檢查。經(jīng)嚴(yán)格加強(qiáng)質(zhì)量控制和規(guī)范熱處理工藝，該零件在后續(xù)試驗(yàn)中未出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題，該問(wèn)題得到了有效控制。

參考文獻(xiàn)

［1］葉宏主編．金屬材料與熱處理［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2013．

［2］王紀(jì)安主編．工程材料與材料成形工藝［M］．北京:高等教育出版社，2005．

［3］趙文輝．軍工產(chǎn)品熱處理規(guī)范匯編［Z］．中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)公司技術(shù)中心，2007．

編輯杜青泉

生產(chǎn)技術(shù)

Quality Control and Analysis of Crank Shaft

Li Chaochao

Abstract:This article has analyzed the reason of distortion of crank shaft，and has proposed to strength the controlling of heat treatment process，as so to solve the problem of distortion．

Key words:crank shaft; distortion; heat treatment process

收稿日期:2015—01—15

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類(lèi)號(hào):TG156