馬國聰，楊 杰，賀永鋒

(寧夏天地西北煤機有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

逆止器[1]是帶式輸送機的重要安全保護裝置之一，其作用是在輸送機帶料泊車時，阻止輸送機滾筒回轉(zhuǎn)，防止物料因重力而發(fā)生的逆行或下滑事故。

目前，寧夏天地西北煤機有限公司生產(chǎn)的逆止器為滾柱逆止器和楔塊逆止器。其中滾柱逆止器為公司新研發(fā)的產(chǎn)品，在制造過程中，由于逆止器內(nèi)圈外表面均布若干楔形面，具有滲碳層厚、硬度高、加工精度及表面粗糙度要求高等特點。這種高硬[2]楔面的加工及內(nèi)圈深層滲碳為本公司制造滾柱逆止器的主要瓶頸，制約了逆止器的批量化生產(chǎn)，本文致力于在本公司現(xiàn)行條件下實現(xiàn)滾柱逆止器內(nèi)圈高硬楔面的加工。

1 工作原理

滾柱逆止器主要由內(nèi)圈、外圈、保持架、滾柱、彈簧及擋塊組成(見圖1)。外圈固定，內(nèi)圈與軸連接，保持架同擋塊安裝于外圈與內(nèi)圈之間，彈簧兩端分別與內(nèi)圈、保持架相連。內(nèi)圈表面均布若干逆止平面(類棘輪)，滾柱設(shè)置在內(nèi)圈逆止平面與外圈間空槽內(nèi)，保持架將多個滾柱均勻定位，限制滾柱的徑向與軸向活動空間，配合內(nèi)圈實施逆止；擋塊限定保持架軸向位置，使保持架可隨外圈和內(nèi)圈同向運轉(zhuǎn)；彈簧提供拉力，使保持架帶動滾柱向內(nèi)圈逆止平面楔緊方向相貼緊；軸承保證內(nèi)、外圈間形成均勻間隙的精度，同時降低運轉(zhuǎn)阻力，使逆止效果更佳；保持架設(shè)計的空腔使?jié)L柱與外圈無接觸運轉(zhuǎn)，與內(nèi)圈逆止平面有接觸而無相對運動。

逆止器正常運轉(zhuǎn)時(見圖2)，擋塊隨內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，帶動保持架與滾柱同時同向運轉(zhuǎn)，由于保持架特殊設(shè)計的空腔作用使?jié)L柱與外圈無接觸運轉(zhuǎn)，與內(nèi)圈逆止平面有接觸而無相對運動，此設(shè)計限制滾柱的活動空間，同時確保滾柱與內(nèi)圈、外圈平行接觸，減少了滾柱與保持架的摩擦；當(dāng)逆止器逆止時，傳動軸會帶動內(nèi)圈反向運轉(zhuǎn)，此時保持架會在彈簧作用力的拉動下帶動滾柱反轉(zhuǎn)，內(nèi)圈的逆止平面壓迫滾柱向外圈傳遞扭矩造成最大正壓力，保持架確保多個滾柱的位置相同，由內(nèi)圈的反向扭矩使?jié)L柱不會松脫，接觸面出現(xiàn)最大摩擦，達到逆止效果。

圖1 逆止器組成

為了保證逆止器可靠運行，要求在逆止過程中內(nèi)、外圈逆止面無變形，且要求逆止器在逆止時接觸面出現(xiàn)最大摩擦，即確保若干滾柱在保持架內(nèi)的位置相同。故對內(nèi)圈楔形面的硬度、形狀公差、位置公差及表面粗糙度要求較高。

2 材質(zhì)及加工技術(shù)要求

滾柱逆止器內(nèi)圈外端面分布若干均勻楔面(見圖3)。內(nèi)外圈需深層滲碳處理，滲碳層深度≥5 mm，表面硬度為58～62 HRC，光潔度≤0.8 μm，平面度≤0.03 mm，同軸度≤0.02 mm，位置度≤0.02 mm，精度要求等級很高。實際生產(chǎn)過程中深層滲碳及高硬度、高精度楔形面的精加工是制造滾柱逆止器的主要瓶頸，作為技術(shù)難點亟待攻克。

圖3 內(nèi)圈楔面

3 工藝方案制定

3.1 熱處理工藝方案

滾柱逆止器內(nèi)/外圈材質(zhì)選用20CrMnMo[3]合金結(jié)構(gòu)鋼，屬于高級滲碳鋼，其化學(xué)成分見表1。根據(jù)技術(shù)要求，制定工藝路線如下：鍛造→球化退火→粗車→預(yù)備熱處理→半精密加工→滲碳→磨削→精密加工，其中預(yù)備熱處理工藝為正火+高溫回火，為深層滲碳[4-5]做組織準(zhǔn)備。

表1 試驗用鋼(20CrMnMo)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

采用南京多用爐(NL03-501)進行滲碳處理，通過工控機控制碳勢、溫度、保溫時間等參數(shù)，滲碳載氣為丙酮+甲醇。采用梯度遞減碳濃度及等溫預(yù)冷淬火的深層滲碳[6]熱處理新工藝，工藝參數(shù)如圖4所示。

通過梯度遞減碳濃度實現(xiàn)強滲與擴散，有效控制爐內(nèi)碳勢，避免碳濃度過高造成表面形成碳黑阻止碳原子擴散，從而有效控制零件表面的碳濃度；同時有利于控制碳化物溶解的驅(qū)動力，不會引起碳化物急劇長大。經(jīng)反復(fù)試驗，此工藝既能保證碳原子的擴散，得到一定厚度的硬化層，又能避免滲碳層中出現(xiàn)大片的網(wǎng)狀和塊狀碳化物。

圖4 深層滲碳熱處理工藝圖

深層滲碳[7]后組織：按照GB/T 28694—2012執(zhí)行，碳化物級別達2～3級，馬氏體和殘余奧氏體達3～4級，心部鐵素體的級別達3～4級，滲層深度為5.5～6 mm，表面硬度為60～62 HRC，符合技術(shù)要求。

3.2 加工工藝方案

根據(jù)逆止器內(nèi)圈結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求，內(nèi)圈楔面的精加工可采用磨削[8]或銑削加工[9]，傳統(tǒng)的X63W萬能升降臺銑床為手動操作、三爪裝卡，找正精度及零件的平面度無法保證，且受機床剛性限制，裝卡的YG8、YG15合金機夾刀片銑刀屬于一般硬質(zhì)合金材料，刀片材質(zhì)硬度約為65 HRC，刀片硬度與零件熱處理后硬度相差無幾，切削時會直接磨損，無法滿足要求。若采用磨削加工，因內(nèi)圈楔形面較多，裝卡找正復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，加工精度難以保證。

經(jīng)查閱相關(guān)資料，選用四軸驅(qū)動臥式加工中心可實現(xiàn)內(nèi)圈高硬楔面的加工，工件一次性裝卡在工作臺上，通過數(shù)控編程完成楔形面加工，能保證零件的尺寸精度及幾何公差要求，但此設(shè)備價格昂貴，安裝條件要求嚴(yán)格。

考慮本公司現(xiàn)有加工能力，采用GF920加工中心，安裝電動臥式分度盤、山特維克R390-080Q27-17M(Dc=80 mm)刀盤、B150-FMB(c)27-90刀體進行加工。GF920加工中心是三軸驅(qū)動系統(tǒng)龍門鉆銑床，通過加裝分度盤實現(xiàn)四軸驅(qū)動，所用B150-FMB(c)27-90刀體屬于高硬度涂層機夾刀片，硬度可達到100 HRC以上，在小進給、高轉(zhuǎn)速的加工條件下，可實現(xiàn)表面粗糙度Ra0.8 μm的技術(shù)要求。

加工時，一端用頂尖固定，另一端用電動臥式分度盤四爪夾緊找正，主軸裝卡刀盤進行加工。調(diào)試加工時的4組加工參數(shù)及能達到的表面粗糙度見表2。

表2 內(nèi)圈楔面調(diào)試加工參數(shù)表

從表2中可以看出，選用第1種和第2種工藝參數(shù)，能滿足表面粗糙度要求，刀具使用壽命增長，但加工時間過長，生產(chǎn)周期增長；第4種加工方式雖然加工時間最短，但表面粗糙度達不到設(shè)計要求，而且刀具使用壽命降低，經(jīng)多次研究論證和綜合對比，從加工的實用性和經(jīng)濟性判斷，將加工參數(shù)設(shè)定為第3種加工方式：刀具速度為400 r/min，切削速度[10]為190 mm/min，切削深度為0.1 mm，切削寬度為60 mm時為最佳加工方案。

4 試驗驗證

加工完成后，用光潔度樣塊進行對比，表面粗糙度達到Ra0.8 μm以上，用Function Plus龍門三坐標(biāo)測量儀測量各外圓、楔面尺寸及同軸度、平面度、垂直度等幾何公差，經(jīng)檢測數(shù)據(jù)顯示，逆止器內(nèi)圈各楔面均能滿足圖樣設(shè)計要求。

裝配后在進行出廠檢驗時，對逆止器進行了額定力矩打壓逆止試驗，經(jīng)反復(fù)8次試驗后，內(nèi)圈楔面與滾柱無壓痕，經(jīng)24 h運轉(zhuǎn)后，溫度升高值≤5°，運行時無噪聲，均符合產(chǎn)品性能指標(biāo)，達到設(shè)計要求。

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)采用GF920數(shù)控小龍門鉆銑床，安裝電動臥式分度盤、山特維克R390-080Q27-17M(Dc=80 mm)刀盤、B150-FMB(c)27-90刀體，可實現(xiàn)滾柱逆止器內(nèi)圈高硬楔面的精加工。

2)采用此種精加工方式，刀具速度為400 r/min，切削速度為190 mm/min，切削深度為0.1 mm，切削寬度為60 mm，能滿足產(chǎn)品性能指標(biāo)及技術(shù)要求，減少了磨削工序，提高了加工效率。

3)采用梯度遞減碳濃度及等溫預(yù)冷淬火的深層滲碳熱處理新工藝，既能保證碳原子的擴散，得到一定厚度的硬化層，又能避免滲碳層中出現(xiàn)大片的網(wǎng)狀和塊狀碳化物。