饲料粉碎机锤片和销轴的热处理与失效分析

2020-12-18

刘学军 冯涛

(北京工商大学材料与机械工程学院)

锤片式饲料粉碎机是一种常用的饲料生产机械,它的两种零件锤片和销轴经常由于失效而需要更换。为更换这些零件,就需要停机检修;这样既增加了饲料生产的成本,又浪费了饲料生产的时间。因此对锤片和销轴的失效形式和机理进行分析以提高它们的使用寿命具有十分重要的意义。锤片和销轴的失效与自身的材料、结构尺寸、制造丁艺,特别是热处理丁艺、机器的运行参数以及饲料颗粒的性质等因素有密切关系。因为这些影响因素比较多而且也比较复杂,在研究失效原因时如果考虑全部因素,则会使研究的难度变得很大;所以本文以中碳钢AIS11045为例,重点研究锤片和销轴的热处理工艺与其失效形式和机理之间的关系,从而为这两种零件的失效分析提供一些有益的思路和方法。另外,为更有效地减少锤片和销轴的磨损,也考虑了它们二者之间在表面光洁度和硬度上的匹配关系,也有必要研究如何通过试验来确定它们二者之间最佳的表面硬度匹配关系。

1、锤片和销轴的失效形式和机理

锤片和销轴的失效形式主要有早期磨损和断裂。早期磨损可分为两种:一种是指锤片和销轴在达到通常的使用寿命之前很早就在它们的配合面上发生过度的磨损,即原来圆形的锤孔变成椭圆形状,而销轴表面则出现较深的凹槽。以致锤片和销轴在运行中发生强烈的振动,令粉碎机无法正常地工作。另一种早期磨损是指用于打击和切碎饲料颗粒的锤体很早就发生过度磨损,也使得机器无法有效地粉碎饲料。锤片的断裂是指锤体折断成两截,这会造成转子转动的不平衡,从而引起整机振动。锤片的断裂一般是由材料的缺陷或者不当的热处理工艺或者硬质合金堆焊工艺造成的。销轴的断裂一般是由于其承受交变的弯曲应力以及接触应力从而发生疲劳失效所造成的,它可能断成两段。由于饲料粉碎机是高速旋转机械,这两种零件如果发生断裂就很可能击毁其他零件,甚至会打破机器外壳,从而造成严重的后果。因此改进锤片和销轴的制造工艺特别是热处理工艺以防止它们发生断裂就显得尤为重要。

2、锤片的热处理工艺和失效分析

锤片的机加工工艺很简单,只需要将买来的长条形钢锭按设计图纸的要求把它轧成一段一段的,然后送入冲床中,将锤体上的圆孔冲出即可。中碳钢锤片的热处理规范通常为整体淬火,表面硬度为42~47HRC。从锤片的丁作情况来看,只需要表面耐磨即可,并不需要其心部具有足够的韧性。因此绝大部分的锤片都不需要进行表面硬化热处理,这将大大降低锤片的制造成本。现在也有一些厂家对部分锤片采用别的工艺来提高其耐磨性.比如在锤片表面进行硬质合金烧结或碳化钨硬质合金堆焊。对于后者工艺,锤片的失效分析可参见文献。

当经整体淬火的锤片发生失效时,首先应测量锤片的表面硬度。其具体步骤如下:用切割机将失效的锤片切下一片试样,用电动砂轮将此试样的两面部磨光以除去饲料或浮尘颗粒。然后用手动洛氏硬度计测最其表面硬度,可测量位置不同的多个点。如果所测得的硬度值比上述热处理规范所规定的低,那么可以从以下3个方面找原因。一是将制造锤片的板材送到权威的金相分析机构去测量其含碳量。如果此禽碳量低于中碳钢的含碳量,可能造成其淬透性和淬硬性变差。第二是检查热处理炉膛是否有边缘冷效应。有些热处理炉膛壁面的绝热性能不好,特别是在炉门附近的敞热较厉害,致使放置在那些地方的锤片的加热温度不够或受热不均匀。第三是检查淬火介质的冷却效果,考虑是否需将现有的淬火介质更换为冷却速度较快的淬火液。

如果经过测量发现失效锤片的硬度符合上述的热处理规范,那么就应首先检查一下所粉碎的饲料。如果饲料中不小心混有误入的硬质异物,如石子、砂粒、铁钉之类的东西,那么锤片就会发生早期磨损甚至断裂。当然锤片的断裂也有可能是由于另外一个原因造成的,即锤片在淬火时的冷却速度过快,从而造成了内部的微裂纹。在这种情况下,可考虑降低其冷却速度或在整体淬火后再安排一次低温回火。

3、销轴的热处理工艺

在锤片式粉碎机运转时,销轴表面具有交变的弯曲应力和接触应力,而且还会受到冲击和振动。因此销轴不仅需要表面耐磨,而且还要求其心部具有一定的韧性,所以销轴必须进行表面硬化热处理。常用的两种表面热处理方式是渗碳和感应加热淬火。采用渗碳热处理的销轴的硬化层深度一般都比较小,否则需要渗碳保温的时间将会大大延长,从而显著地增加了热处理的成本。本文推荐采用感应热处理方式。因为由这种工艺得到的销轴其表面硬度较高,硬化层深度较大,热处理速度较快,工艺过程易于实现自动化,能对热处理工艺参数进行精确控制。 

?销轴制定表面热处理规范时主要是考虑材料的含碳量和销轴的工作条件(特别是载荷条件)。根据文献,感应加热淬火所能得到的表面硬度可用如下公式来计算。

对于中碳钢AISI1045,代表含碳量的C用0.45代人,得到表面硬度为58.2 HRC。

一般情况下,对于受交变载荷的轴杆件,其淬硬层深度为杆半径的15%~20%,以提高零件的弯曲疲劳强度。另外中碳钢通过感应淬火所能得到的最大硬化层深度为4 mm。综合考虑以上几个因素,我们通常将中碳钢AIS11045制成的销轴的表面热处理规范定为:表面硬度55—60 HRC,硬化层深度为2.5~4 mm,心部硬度30 HRC左右。

对销轴的感应热处理采用的是连续加热淬火法,其原理如图1所示。 

由图l可知,销轴竖直放置,其两端由上、下两个夹具固定。环形的自喷式感应器在由下向上的匀速移动过程中对销轴进行连续加热,同时对其喷射淬火液进行冷却。另外为保持加热和冷却的均匀性,在感应器移动过程中,销轴由下面的工作台通过夹具带动其绕中心轴转动。操作者可通过控制器来设置参数以控制感应器的移动速度和滞留时间。一般情况下,感应器需要在销轴的上下两端滞留加热1~2s,以消除热处理的边缘效应。另外在加热结束后,还必须让感应器的淬火液持续喷射在销轴上端以下部分达30 s之久。在感应热处理结束后,一般还要采用冷压矫直法将这些销轴的热处理变形进行矫正。

4、销轴的失效分析

如果销轴发生失效,应首先对其进行显微硬度测试,以检查它是否符合上述的表面热处理规范。具体做法是将失效的销轴切下一小段,用不同粒度的砂纸将其横截面磨光,并通过热靼料成形模具将其制成金相试样。然后用显微硬度计测量其横截面上的硬度分布规律,并作出如图2所示的硬度曲线。

由图2可知,A点表示的是销轴的表面硬度,B点表示的是热处理规范中表面硬度值下限55 HRC的80%,即44 HRC.AB对应的径向距离就是硬化层深度。D点表示的是销轴心部的硬度,C点仅比销轴心部的硬度略微高一点,BC对应的径向距离就是过渡层厚度。此硬度曲线对分析销轴的热处理工艺与其失效现象之间的内在关系是相当重要的。如果销轴发生早期磨损或表面出现较深的凹槽,那么其表面硬度一般低于热处理规范所规定的值。此时需要通过控制器调整感应淬火的工艺参数,比如降低感应器的移动扫描速度,延长淬火液喷射冷却的滞留时间等等。另外,必要的时候可能还需要检查销轴材料的含碳量是否太低。

如果销轴发生断裂,那么通常是由于疲劳失效造成的,其原因主要有两种。第一种原因是指圆盘上支撑销轴的销孔磨损太大;销轴和销孔之间的配合间隙过大,从而造成销轴在机器运转时发生强烈的振动,致使其交变应力的幅值急剧增大,最终超过了材料的疲劳极限。为避免这种情况的发生,用户应经常检查圆盘的销孔及销轴的两端,如果发现过度磨损,需及时更换圆盘或销轴。第二种原因是指图2所示的过渡层厚度太大;因为过渡层较厚会使得销轴的表面压应力下降,并在其淬硬层内出现两次拉应力峰值,疲劳源增多,从而使销轴的疲劳强度大大降低。理想的过渡层厚度大约为硬化层深度的一半,但由于在热处理过程中很难精确控制过渡层的厚度,因此在表面热处理规范中一般不具体规定过渡层的厚度是多少。过渡层厚度过大通常是由热处理丁艺参数设置不当造成的。改进的方法是提高感应器的移动扫描速度,同时增大加热功率以提高升温速度,从而改变硬度曲线的形状。

有时所需感应淬火的销轴的直径较大,但受到现有热处理设备最大加热功率的限制,为满足热处理规范中对表面硬度和硬化层深度的要求,操作者不得不对感应器设置极低的移动加热速度;这样势必会造成较厚的过渡层,从而削弱了销轴的疲劳强度。另外,直径较大的销轴本身义有更多的材料处于高应力区,更容易出现疲劳裂纹,因此它们比直径较小的销轴更容易发生疲劳失效。笔者多年的实践经验也证明了这一点,在此提两个建议来解决这个问题:一个是对大直径销轴先预热后再进行表面感应淬火,可使拉应力峰值移向更深的内层以减少疲劳源的产生,从而提高疲劳强度。另一个就是采用加热功率更大的表面热处理设备,这种方法最简单,但需要投入更多的资金来购置新设备。

5、锤片与销轴的匹配

过去人们在考虑提高锤片和销轴的耐磨性和疲劳强度时,通常只是把它们作为单个独立的研究对象来改进它们的结构设计和制造工艺,很少会去考虑它们二者之间如何有效地进行匹配。锤片与销轴的匹配主要包括二者之间接触表面光洁度的匹配关系和二者之间接触表面硬度?匹配关系。理论上讲,为提高疲劳强度,销轴表面和锤孔内壁表面都应进行精加工以提高接触表面的光洁度;但如此一来势必大大增加销轴和锤片的制造成本。通常的做法是销轴表面不进行任何旨在提高表面光洁度的机加工,但是对锤孔内壁面需要进行机加工。原因是如前所述锤孔是由冲床冲压出来的,其内壁表面很粗糙,特别是在锤孔两端还具有两个尖角。这些都使得锤孔极易在销轴表面上产生划痕,为将来销轴的疲劳失效提供了潜在的初始裂纹源。为解决这个问题,可以在锤孔两端车出两倒角,同时对锤孔内壁表面进行切削量很小的车削。这样既不会过分增加锤片的制造成本,又可以有效地提高?轴的疲劳强度。

至于锤片与销轴之问的接触表面如何进行最佳的硬度匹配,这是一个十分复杂的问题。它涉及到磨损机理、振动力学特性、接触表面的材料属性、热处理工艺、环境条件等诸多影响凶素,迄今为止笔者还未发现前人在这方面的研究工作。相关的论文通过试验研究了一对作为摩擦副的齿轮,它们的硬度差对磨损寿命的影响,其结论是增加摩擦副的硬度差有利于降低磨损。如果此结论也同样适用于锤片与销轴这一对摩擦副的话,那么为减少磨损,理论上应增大销轴的表面硬度并减小锤孔内壁表面的硬度。但是对于现有的中碳钢销轴,经感应淬火后其表面硬度已高达60HRC,要想通过热处理来进一步提高此表面硬度将非常困难。另一方面对于整体淬火的锤片,只试图降低锤孔内壁表面的硬度而同时不削弱锤片的耐磨性也几乎是不可能的。为此,设想了一种试验来寻找锤片与销轴之间最佳的硬度匹配关系。在这个试验中,材料为中碳钢的销轴仍采用感应淬火以得到大约60HRC的表面硬度。材料同为中碳钢的锤片不进行整体淬火,而是通过表面碳化钨堆焊处理来保证其耐磨性;然后只对其锤孔的内壁表面进行感应淬火,通过调节加热功率和冷却速度可制成若干个具有不同锤孔内壁表面硬度的锤片,再将它们分别与前述的销轴在饲料粉碎机中进行匹配试验。运行一定时间后,分别测量销轴表面和锤孔内壁面的磨损量,然后作出表示磨损量与锤孔内壁表面硬度之间关系的试验拟和曲线,从而确定最佳的表面硬度匹配关系。当然为了让试验结果具有更大的工程实际应用价值,在试验中可同时考虑锤片式粉碎机的转速、功率、饲料种类等因素对此匹配关系的影响,并将此影响反映在上述的试验拟和曲线中。这种试验对减少锤片和销轴的失效并提高它们的使用寿命应该是大有帮助的。

6、结束语

通过对这两种零件的失效分析,发现了它们的失效形式与其热处理工艺之间的内在关系。比如对于大直径销轴,由于感应淬火的工艺参数设置不当产生了较厚的过度层,从而削弱了其疲劳强度;对此提出了在感应淬火之前先进行预热的解决方案。最后还研究了锤片和销轴之间的匹配关系,特别是二者之间硬度的匹配关系,并提出了具体的试验方案以寻找最佳的硬度匹配关系。此试验结果对减少锤片和销轴失效的发生并延长其使用寿命将具有很大的实际意义。

来源:《粮食与饲料工业》

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