传动轴材料及工艺选用思考

1轴设计与工艺

如图1初始零件设计图所示,连接轴在日常使用中受到两个方向的力值一y轴方向的拉力及x方向的旋转扭力,且设计要求此零件需要承受10000次机寿。整体传动机构由集团意大利公司设计,引入并在中国进行零部件国产化。加工初始,技术中心以通常轴设计加工思路选用40Cr,调质(35士3)HRC,且为了加强传动连接部位的硬度,局部淬火到(50士3)HRC。工艺路线为锻造一铣花键一调质一表面淬火一外圆磨。

图1 设计图

2工艺缺陷改良

按要求加工后,发现由于热处理的时间较长,且零件易变形,加工费用较高。正常安装后进行机寿实验,操作1000次后,轴出现变形移位(失效图如图2所示),机构卡死,无法使用。鉴于此,质量部门对零件进行硬度测量(测量图如图3所示),发现变形处即A处的硬度值较低,在27左右,未达到设计要求。但调质后A点的硬度在35左右,在局部淬火后硬度降低到27左右。

设计中心再次对此轴进行设计更改,采用40Cr,淬火到(50士3)HRC,并再次实验,样品在操作4000次机寿后断裂(失效图如图4所示)。

项目交接到我处后,经过分析发现,第一次的设计,调质到35HRC后再进行表面淬火,在对B面进行淬火时,由于B圆面离A面的距离较近,温度传导到A点,使A点硬度降低到27HRC,无法达到设计要求,在实验中A点弯曲变形失效。第二次的设计更改,没有考虑40Cr良好的淬透性,淬火后芯部淬透,整个零件在测量后发现A、B、C、D、E和F处的硬度在45HRC~50HRC,零件失效后,断裂面明显为脆断,晶粒粗大且为马氏体组织,韧性差,在两端扭力作用下直接断裂。

此零件设计的思路应是A点和E点耐磨,且为两面的连接中心处,由于受两端的交变扭力的作用,轴的设计要考虑良好的抗拉强度及韧性,且应相应考虑加工的经济性,减少加工工序及加工难度。

综上,可以选择价格相对便宜,且淬透性不强的中碳钢,且缩短淬火时间来达到表面硬但中心韧的要求。综合淬透性和屈服强度,选择了35号钢整体淬火,且要求缩短淬火时间,油淬后迅速冷却,达到表面硬度(50士3)HRC、芯部硬度如图5所示要求。工艺流程为锻压一铣花键一短时淬火一外圆磨,比之前设计减少了一道工艺,且原材料价格相对较低。加工后,硬度测试结果如表1所示,芯部晶相分析如图6所示,完全达到要求,且经过了15000次的机寿实验,整件无断裂。

3 结语

从上面的设计案例来看 ,轴类设计一般会认为40Cr机械性能优于35号钢 ,选用40Cr原材料更好 ,热处理也一般会选用调质处理。但本次实验结果验证了设计零件时 ,不能照本宣科地选材及决定加工工艺 ,应按照实际使用情况 ,具体分析 ,找出合适又经济的原材料及加工工艺。