YKD2940數(shù)控錐齒輪拉齒機(jī)工件主軸夾緊裝置的失效分析

呂芳芳

（天津城市職業(yè)學(xué)院，中國(guó) 天津 300250）

齒輪加工機(jī)床是加工各種圓柱齒輪、錐齒輪和其他帶齒零件齒部的機(jī)床。廣泛應(yīng)用在汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床、飛機(jī)和航天器等各種機(jī)械制造業(yè)中。我國(guó)齒輪加工機(jī)床品種齊全，基礎(chǔ)較好，具有相當(dāng)?shù)男袠I(yè)優(yōu)勢(shì)，全行業(yè)齒輪機(jī)床年產(chǎn)超過4000 臺(tái)。本文研究的是YKD2940 數(shù)控錐齒輪拉齒機(jī)的工件主軸夾緊裝置。

1 機(jī)床簡(jiǎn)介

YKD2140 型數(shù)控弧齒錐齒輪粗切機(jī)是一種新型、高效粗加工中型和大型非范成準(zhǔn)雙曲面齒輪和弧齒錐齒輪機(jī)床。本項(xiàng)目新研究的主軸夾緊裝置，主要在YKD2140 型數(shù)控弧齒錐齒輪粗切機(jī)上試用。本機(jī)床是一種靈活方便的專門化機(jī)床，適用于品種的大批輛生產(chǎn)。

圖1 YKD2140 型數(shù)控?cái)?shù)控錐齒輪拉齒機(jī)

2 內(nèi)套疲勞失效分析

夾緊裝置的主要失效形式是在工作一段時(shí)間后（一般是7-30天），內(nèi)套不能與主軸分離而影響主軸分度。如圖2 所示的焊口部位磨損痕跡，說明內(nèi)套已經(jīng)產(chǎn)生明顯的塑性變形。

圖2 夾緊裝置取樣照片

內(nèi)套受力分析得出內(nèi)套在工作時(shí)的周向應(yīng)力為174Mpa，由于夾緊裝置的一般使用周期為20 天，其使用壽命經(jīng)過計(jì)算大約為148000次，說明內(nèi)套的失效屬于低周失效。

失效形式及使用壽命失效形式為累計(jì)塑性變形超過設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致內(nèi)套彈性下降而失效。

3 內(nèi)套熱處理對(duì)性能的影響

3.1 焊口處的組織分析

焊口處受力復(fù)雜（包括焊接應(yīng)力、工作應(yīng)力和過盈配合的壓應(yīng)力）有應(yīng)力集中現(xiàn)象。而且焊口處的組織差異較大，存在強(qiáng)度低的區(qū)域，導(dǎo)致內(nèi)套在受力時(shí)焊口處的局部區(qū)域出去塑性變形狀態(tài)。

3.2 夾緊裝置的油壓試驗(yàn)

從以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，在第一次加壓循環(huán)時(shí)，內(nèi)套就出現(xiàn)參與變形，雖然只是微量的塑性變形，但在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下，積累塑性變形量將逐漸增大。如表格1 所示，最終導(dǎo)致失效。

表1 內(nèi)套內(nèi)徑的變化與油壓的關(guān)系數(shù)據(jù)

4 顯微組織分析

4.1 內(nèi)套過盈的材料為：?15mm 棒料，材料為60Si2Mn 為彈簧鋼，因此套的工作應(yīng)力必須在彈性范圍內(nèi)以避免產(chǎn)生塑性變形，因此彈性極限盡量提高，又由于內(nèi)套在交變載荷下工作，所以要求材料應(yīng)具有較高的疲勞強(qiáng)度。

原材料組織：鐵素體（帶狀）+珠光體（圖3）

圖3 60Si2Mn 原材料組織照片

4.2 鍛后退火組織

為了保證組織的均勻性，采用鍛后球化退火工藝以提高疲勞性能。

球化退火工藝：850℃，保溫2-3 小時(shí)。爐溫至720℃，保溫4-5 小時(shí)。爐冷至500℃出爐。

組織：珠光體+鐵素體（圖4）

圖4 球化退火后的組織照片

4.3 淬火回火后組織

為了提高彈性極限，采取淬火后種溫回火

工藝：淬火加熱806℃，保溫20 分鐘。油冷，回火460℃保溫4 小時(shí)空冷。由于組織會(huì)有少量鐵塑體，將會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。

圖5 淬火+回火后的組織

組織：回火屈氏體+少量鐵素體在（圖5）由于采用油液介質(zhì)，且該夾具在工作時(shí)還承受扭矩（120Kg/m）因此為了防止漏油不能采用密封圈，而采用焊接，本夾具采用的是氬弧焊。

5 夾緊裝置的改進(jìn)

本夾緊裝置用液性介質(zhì)定心夾具，這種夾具已廣泛應(yīng)用于要求高定心精度的加工中心。它的特點(diǎn)是靠液性介質(zhì)傳遞壓強(qiáng)，迫使彈性元件均勻變形而將工件定心，夾緊的。這種機(jī)構(gòu)夾緊可靠，定心精度高，一般可保證同軸度在0.01-0.02mm 之內(nèi)。這是一般彈簧卡頭或芯軸難以達(dá)到的，但彈性元件的變形量較小，故自使用于精加工。這種夾具在使用時(shí)還應(yīng)注意，為了防油的滲漏，同時(shí)保證能承受150 Mpa 的扭矩，我們考慮采用內(nèi)套和外套過盈配合來(lái)取代焊接。

若去除焊接，用增大內(nèi)套和外套的過盈量的方法來(lái)承受工作時(shí)產(chǎn)生的扭矩，再用電子束焊來(lái)代替氬弧焊，以防止漏油。由于真空電子束焊接，氣體非常純凈，焊縫所含氧、氮、氫量遠(yuǎn)較氬氣焊低，在加以其熱影響區(qū)很狹窄及晶粒長(zhǎng)大減小到最低程度，所以整個(gè)焊接接頭性能良好。

［1］天津第一機(jī)床總廠展出的齒輪加工機(jī)床[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2005(06).

［2］樊東黎.熱處理技術(shù)進(jìn)展[J].金屬熱處理，2007(04).

［3］繆華.60Si2Mn 彈簧熱處理新工藝探討[J].熱加工工藝，2008(18).