swz型接軸的結(jié)構(gòu)研究和改進(jìn)淺析

馬淑謹(jǐn)，方 凱

(泰爾重工股份有限公司 安徽 馬鞍山 243000）

1 swz型接軸的結(jié)構(gòu)研究

萬(wàn)向聯(lián)軸器因其特殊的結(jié)構(gòu)形式，能滿足有角度要求的扭矩傳遞場(chǎng)合，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船舶、起重、冶金等行業(yè)，常用的聯(lián)軸器類(lèi)型有整體叉頭式萬(wàn)向聯(lián)軸器（SWC型）、軸承座式萬(wàn)向聯(lián)軸器（SWZ型）和滑塊式萬(wàn)向聯(lián)軸器（HK型），軸承座式萬(wàn)向聯(lián)軸器（SWZ型）因其同種規(guī)格產(chǎn)品傳遞扭矩大于整體插頭式萬(wàn)向聯(lián)軸器（SWC型），現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)又比滑塊式萬(wàn)向聯(lián)軸器（HK型）方便可靠，因而得到廣泛應(yīng)用。

圖1所示軸承座式萬(wàn)向聯(lián)軸器（SWZ型）其工作系統(tǒng)主要包括叉頭法蘭1、焊接法蘭2、花鍵副3、軸承座4、十字軸5、叉頭軸套6，其特征是：叉頭法蘭1與軸承座4之間、焊接法蘭2與軸承座4之間、叉頭軸套6和軸承座4之間的連接均是依靠鍵與鍵槽的連接傳遞扭矩。

由于鋼廠軋機(jī)空間限制，選型時(shí)無(wú)法加大軸承座式萬(wàn)向聯(lián)軸器（SWZ型）的規(guī)格，就會(huì)出現(xiàn)軸承座式萬(wàn)向聯(lián)軸器實(shí)際承受扭矩較大，安全系數(shù)相對(duì)偏低的情況，在這種場(chǎng)合使用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生軸承座4與叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6的連接螺栓松動(dòng)的情況，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并重新預(yù)緊，若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)就會(huì)出現(xiàn)接軸擺動(dòng)、螺栓斷裂、甚至關(guān)節(jié)失效的情況，引起軋鋼事故，打亂了軋鋼廠正常的生產(chǎn)、檢修計(jì)劃，給軋鋼廠造成巨大損失。

通過(guò)對(duì)回廠維修的類(lèi)似接軸進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，除了螺栓松動(dòng)斷裂的問(wèn)題外，軸承座4鍵與叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6鍵槽之間的配合間隙變大，鍵槽有磨損，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：一方面軸承座4材質(zhì)為低碳合金鋼且含有鎢元素，其淬透性非常好，因其擺放軸承的內(nèi)孔使用硬度需要達(dá)到60HRC，為保證內(nèi)孔質(zhì)量，該零件熱處理方式選擇整體滲碳淬火處理，熱處理后整體硬度偏高，鍵位置精加工后硬度能達(dá)到40HRC左右（約375HB）；另一方面叉頭法蘭1等與鍵有配合的零件材質(zhì)為中碳合金鋼，熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理，以?xún)?yōu)化組織結(jié)構(gòu)，提高整體強(qiáng)度，在調(diào)質(zhì)處理時(shí)，與軸承座4鍵配合的鍵槽未進(jìn)行粗加工，而是調(diào)質(zhì)后才要求加工，因叉頭法蘭等零件外形尺寸較大，回轉(zhuǎn)直徑能達(dá)到Φ900以上，且為實(shí)心結(jié)構(gòu)，即使中心有孔壁厚也較厚，受調(diào)質(zhì)淬透性限制，鍵槽精加工后表面硬度梯度下降很大，比表面硬度降低約20%，僅能達(dá)到250HB左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鍵表面40HRC的硬度，其表面能承受的擠壓強(qiáng)度、耐磨性均比鍵要差，當(dāng)表面較薄弱的鍵槽和表面強(qiáng)度很高的鍵配合后，在受到頻繁往復(fù)的較大沖擊力時(shí)就會(huì)磨損較弱的法蘭鍵槽，特別對(duì)于工況差、安全系數(shù)低的場(chǎng)合更明顯，長(zhǎng)時(shí)間使用后鍵槽出現(xiàn)擠壓變形的情況，鍵槽和鍵間間隙逐漸增大，當(dāng)間隙達(dá)到一定程度后法蘭和軸承座連接螺栓就會(huì)受到額外的剪切力和拉力，引起螺栓松動(dòng)甚至斷裂，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)失效。

圖1 軸承座式萬(wàn)向聯(lián)軸器

2 swz型接軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過(guò)對(duì)軸承座式萬(wàn)向聯(lián)軸器（SWZ型）在應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析找到問(wèn)題主要矛盾在鍵與鍵槽的配合方面，針對(duì)分析結(jié)論，開(kāi)始了對(duì)提高鍵槽表面強(qiáng)度的方法和手段進(jìn)行研究，根據(jù)試驗(yàn)的可行性和結(jié)果的可靠性，確定激光熔覆高強(qiáng)度粉末和堆焊高強(qiáng)度焊材兩種方案，兩種方案具體操作方式如下。

2.1 激光熔覆高強(qiáng)度粉末

激光技術(shù)的使用目前比較成熟，激光熔覆技術(shù)通過(guò)近幾年的發(fā)展已可以大規(guī)模使用于零件表面的處理，其對(duì)工件的表面處理有變形小、熔覆應(yīng)力小、熔覆后裂紋風(fēng)險(xiǎn)小等特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用。本課題通過(guò)在鍵槽表面激光熔覆高強(qiáng)度粉末，以提高其表面強(qiáng)度和硬度，通過(guò)激光技術(shù)，將強(qiáng)度和耐磨性較高的鎳基或鐵基合金粉末熔覆在鍵槽側(cè)面，然后上銑床將鍵槽加工到需要的尺寸即可。

圖2 swz型接軸結(jié)構(gòu)粗加工圖

2.2 堆焊高強(qiáng)度焊材

激光熔覆高強(qiáng)度粉末方案操作簡(jiǎn)單，熔覆風(fēng)險(xiǎn)小，但熔覆費(fèi)用高昂不利于大范圍推廣使用，所以為適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，我們著力研究堆焊高強(qiáng)度焊材的方法，對(duì)堆焊過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)和困難進(jìn)行詳細(xì)的研究和探討，并提出合理的解決方案，具體工藝路線如下：

首先，在調(diào)質(zhì)處理前加工出鍵槽形狀，減小調(diào)質(zhì)淬透性對(duì)鍵槽強(qiáng)度的影響，提高鍵槽位置整體強(qiáng)度和性能，調(diào)質(zhì)前粗加工圖見(jiàn)圖2。

其次，堆焊時(shí)避開(kāi)鍵槽根部應(yīng)力集中位置，加工后去除了R角應(yīng)力集中部位的焊層，降低疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6堆焊前鍵槽寬度尺寸比精加工要求加大單邊5mm，同時(shí)鍵槽根部R角尺寸也相應(yīng)加大，保證鍵槽側(cè)面有效焊接面積的前提下根部R角位置加工后焊層全部去除，為叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6的本體材質(zhì)，這樣可以有效減小根部應(yīng)力集中位置焊接延遲裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。堆焊前加工圖見(jiàn)圖3。

圖3 堆焊前加工示意圖

再次，叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6的本體材質(zhì)為中碳合金鋼，其材料成分中含有多種合金元素，可焊接性較差，所以與鍵槽本體材質(zhì)焊接的焊材選擇奧氏體不銹鋼焊材作為過(guò)渡層，焊層厚約1mm～2mm，奧氏體不銹鋼具有良好的抗裂性及抗氧化性能，有良好的可焊接性能。在奧氏體不銹鋼表面再繼續(xù)堆焊馬氏體不銹鋼，其硬化性大，較好的耐腐蝕性，精加工后馬氏體不銹鋼焊層厚約3mm，表面硬度能達(dá)到370HB左右，和軸承座4鍵的強(qiáng)度硬度相匹配，從而滿足使用要求。堆焊后加工圖見(jiàn)圖4，A是精加工后鍵槽輪廓線，B是堆焊后鍵槽輪廓線，C是堆焊前單邊加大5mm的鍵槽輪廓線。

圖4 堆焊后加工示意圖

本論文研究的鍵槽處理方法，通過(guò)在叉頭法蘭1、焊接法蘭2、叉頭軸套6鍵槽表面堆焊高強(qiáng)度材質(zhì)，有效提高各零件鍵槽表面強(qiáng)度和硬度，增加其耐磨性，以和軸承座4鍵相匹配，減少螺栓松動(dòng)斷裂風(fēng)險(xiǎn)，從而提高萬(wàn)向聯(lián)軸器運(yùn)行平穩(wěn)性，延長(zhǎng)SWZ型關(guān)節(jié)的使用壽命。

同時(shí)，本鍵槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)加工可行性好，使用安全可靠，生產(chǎn)成本低，不僅可以有效解決軸承座式萬(wàn)向聯(lián)軸器（SWZ型）鍵槽磨損、螺栓松動(dòng)斷裂問(wèn)題，大大提高產(chǎn)品運(yùn)行可靠性，同時(shí)也為產(chǎn)品的后續(xù)維修保養(yǎng)提供了經(jīng)濟(jì)可靠的處理方法，可大大延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用周期，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。