錘片式飼料粉碎機(jī)是一種常用的飼料生產(chǎn)機(jī)械，它的兩種零件錘片和銷軸經(jīng)常由于失效而需要更換。為更換這些零件，就需要停機(jī)檢修；這樣既增加了飼料生產(chǎn)的成本，又浪費(fèi)了飼料生產(chǎn)的時(shí)間。因此對(duì)錘片和銷軸的失效形式和機(jī)理進(jìn)行分析以提高它們的使用壽命具有十分重要的意義。錘片和銷軸的失效與自身的材料、結(jié)構(gòu)尺寸、制造丁藝，特別是熱處理丁藝、機(jī)器的運(yùn)行參數(shù)以及飼料顆粒的性質(zhì)等因素有密切關(guān)系。因?yàn)檫@些影響因素比較多而且也比較復(fù)雜，在研究失效原因時(shí)如果考慮全部因素，則會(huì)使研究的難度變得很大；所以本文以中碳鋼AIS11045為例，重點(diǎn)研究錘片和銷軸的熱處理工藝與其失效形式和機(jī)理之間的關(guān)系，從而為這兩種零件的失效分析提供一些有益的思路和方法。另外，為更有效地減少錘片和銷軸的磨損，也考慮了它們二者之間在表面光潔度和硬度上的匹配關(guān)系，也有必要研究如何通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定它們二者之間最佳的表面硬度匹配關(guān)系。
1、錘片和銷軸的失效形式和機(jī)理
    錘片和銷軸的失效形式主要有早期磨損和斷裂。早期磨損可分為兩種：一種是指錘片和銷軸在達(dá)到通常的使用壽命之前很早就在它們的配合面上發(fā)生過(guò)度的磨損，即原來(lái)圓形的錘孔變成橢圓形狀，而銷軸表面則出現(xiàn)較深的凹槽。以致錘片和銷軸在運(yùn)行中發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，令粉碎機(jī)無(wú)法正常地工作。另一種早期磨損是指用于打擊和切碎飼料顆粒的錘體很早就發(fā)生過(guò)度磨損，也使得機(jī)器無(wú)法有效地粉碎飼料。錘片的斷裂是指錘體折斷成兩截，這會(huì)造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的不平衡，從而引起整機(jī)振動(dòng)。錘片的斷裂一般是由材料的缺陷或者不當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚮蛘哂操|(zhì)合金堆焊工藝造成的。銷軸的斷裂一般是由于其承受交變的彎曲應(yīng)力以及接觸應(yīng)力從而發(fā)生疲勞失效所造成的，它可能斷成兩段。由于飼料粉碎機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，這兩種零件如果發(fā)生斷裂就很可能擊毀其他零件，甚至?xí)�打破機(jī)器外殼，從而造成嚴(yán)重的后果。因此改進(jìn)錘片和銷軸的制造工藝特別是熱處理工藝以防止它們發(fā)生斷裂就顯得尤為重要。
2、錘片的熱處理工藝和失效分析
    錘片的機(jī)加工工藝很簡(jiǎn)單，只需要將買來(lái)的長(zhǎng)條形鋼錠按設(shè)計(jì)圖紙的要求把它軋成一段一段的，然后送入沖床中，將錘體上的圓孔沖出即可。中碳鋼錘片的熱處理規(guī)范通常為整體淬火，表面硬度為42～47HRC。從錘片的丁作情況來(lái)看，只需要表面耐磨即可，并不需要其心部具有足夠的韌性。因此絕大部分的錘片都不需要進(jìn)行表面硬化熱處理，這將大大降低錘片的制造成本�，F(xiàn)在也有一些廠家對(duì)部分錘片采用別的工藝來(lái)提高其耐磨性．比如在錘片表面進(jìn)行硬質(zhì)合金燒結(jié)或碳化鎢硬質(zhì)合金堆焊。對(duì)于后者工藝，錘片的失效分析可參見(jiàn)文獻(xiàn)。
    當(dāng)經(jīng)整體淬火的錘片發(fā)生失效時(shí)，首先應(yīng)測(cè)量錘片的表面硬度。其具體步驟如下：用切割機(jī)將失效的錘片切下一片試樣，用電動(dòng)砂輪將此試樣的兩面部磨光以除去飼料或浮塵顆粒。然后用手動(dòng)洛氏硬度計(jì)測(cè)最其表面硬度，可測(cè)量位置不同的多個(gè)點(diǎn)。如果所測(cè)得的硬度值比上述熱處理規(guī)范所規(guī)定的低，那么可以從以下3個(gè)方面找原因。一是將制造錘片的板材送到權(quán)威的金相分析機(jī)構(gòu)去測(cè)量其含碳量。如果此禽碳量低于中碳鋼的含碳量，可能造成其淬透性和淬硬性變差。第二是檢查熱處理爐膛是否有邊緣冷效應(yīng)。有些熱處理爐膛壁面的絕熱性能不好，特別是在爐門附近的敞熱較厲害，致使放置在那些地方的錘片的加熱溫度不夠或受熱不均勻。第三是檢查淬火介質(zhì)的冷卻效果，考慮是否需將現(xiàn)有的淬火介質(zhì)更換為冷卻速度較快的淬火液。
    如果經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)失效錘片的硬度符合上述的熱處理規(guī)范，那么就應(yīng)首先檢查一下所粉碎的飼料。如果飼料中不小心混有誤入的硬質(zhì)異物，如石子、砂粒、鐵釘之類的東西，那么錘片就會(huì)發(fā)生早期磨損甚至斷裂。當(dāng)然錘片的斷裂也有可能是由于另外一個(gè)原因造成的，即錘片在淬火時(shí)的冷卻速度過(guò)快，從而造成了內(nèi)部的微裂紋。在這種情況下，可考慮降低其冷卻速度或在整體淬火后再安排一次低溫回火。
3、銷軸的熱處理工藝
    在錘片式粉碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，銷軸表面具有交變的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力，而且還會(huì)受到?jīng)_擊和振動(dòng)。因此銷軸不僅需要表面耐磨，而且還要求其心部具有一定的韌性，所以銷軸必須進(jìn)行表面硬化熱處理。常用的兩種表面熱處理方式是滲碳和感應(yīng)加熱淬火。采用滲碳熱處理的銷軸的硬化層深度一般都比較小，否則需要滲碳保溫的時(shí)間將會(huì)大大延長(zhǎng)，從而顯著地增加了熱處理的成本。本文推薦采用感應(yīng)熱處理方式。因?yàn)橛蛇@種工藝得到的銷軸其表面硬度較高，硬化層深度較大，熱處理速度較快，工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能對(duì)熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行精確控制。
    對(duì)銷軸制定表面熱處理規(guī)范時(shí)主要是考慮材料的含碳量和銷軸的工作條件（特別是載荷條件）。根據(jù)文獻(xiàn)，感應(yīng)加熱淬火所能得到的表面硬度可用如下公式來(lái)計(jì)算。
    對(duì)于中碳鋼AISI1045，代表含碳量的C用0.45代人，得到表面硬度為58.2 HRC。
    一般情況下，對(duì)于受交變載荷的軸桿件，其淬硬層深度為桿半徑的15%～20%，以提高零件的彎曲疲勞強(qiáng)度。另外中碳鋼通過(guò)感應(yīng)淬火所能得到的最大硬化層深度為4 mm。綜合考慮以上幾個(gè)因素，我們通常將中碳鋼AIS11045制成的銷軸的表面熱處理規(guī)范定為：表面硬度55—60 HRC，硬化層深度為2.5～4 mm，心部硬度30 HRC左右。
    對(duì)銷軸的感應(yīng)熱處理采用的是連續(xù)加熱淬火法，其原理如圖1所示。
    由圖l可知，銷軸豎直放置，其兩端由上、下兩個(gè)夾具固定。環(huán)形的自噴式感應(yīng)器在由下向上的勻速移動(dòng)過(guò)程中對(duì)銷軸進(jìn)行連續(xù)加熱，同時(shí)對(duì)其噴射淬火液進(jìn)行冷卻。另外為保持加熱和冷卻的均勻性，在感應(yīng)器移動(dòng)過(guò)程中，銷軸由下面的工作臺(tái)通過(guò)夾具帶動(dòng)其繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。操作者可通過(guò)控制器來(lái)設(shè)置參數(shù)以控制感應(yīng)器的移動(dòng)速度和滯留時(shí)間。一般情況下，感應(yīng)器需要在銷軸的上下兩端滯留加熱1～2s，以消除熱處理的邊緣效應(yīng)。另外在加熱結(jié)束后，還必須讓感應(yīng)器的淬火液持續(xù)噴射在銷軸上端以下部分達(dá)30 s之久。在感應(yīng)熱處理結(jié)束后，一般還要采用冷壓矯直法將這些銷軸的熱處理變形進(jìn)行矯正。
4、銷軸的失效分析
    如果銷軸發(fā)生失效，應(yīng)首先對(duì)其進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，以檢查它是否符合上述的表面熱處理規(guī)范。具體做法是將失效的銷軸切下一小段，用不同粒度的砂紙將其橫截面磨光，并通過(guò)熱靼料成形模具將其制成金相試樣。然后用顯微硬度計(jì)測(cè)量其橫截面上的硬度分布規(guī)律，并作出如圖2所示的硬度曲線。
    由圖2可知，A點(diǎn)表示的是銷軸的表面硬度，B點(diǎn)表示的是熱處理規(guī)范中表面硬度值下限55 HRC的80%，即44 HRC．AB對(duì)應(yīng)的徑向距離就是硬化層深度。D點(diǎn)表示的是銷軸心部的硬度，C點(diǎn)僅比銷軸心部的硬度略微高一點(diǎn)，BC對(duì)應(yīng)的徑向距離就是過(guò)渡層厚度。此硬度曲線對(duì)分析銷軸的熱處理工藝與其失效現(xiàn)象之間的內(nèi)在關(guān)系是相當(dāng)重要的。如果銷軸發(fā)生早期磨損或表面出現(xiàn)較深的凹槽，那么其表面硬度一般低于熱處理規(guī)范所規(guī)定的值。此時(shí)需要通過(guò)控制器調(diào)整感應(yīng)淬火的工藝參數(shù)，比如降低感應(yīng)器的移動(dòng)掃描速度，延長(zhǎng)淬火液噴射冷卻的滯留時(shí)間等等。另外，必要的時(shí)候可能還需要檢查銷軸材料的含碳量是否太低。
    如果銷軸發(fā)生斷裂，那么通常是由于疲勞失效造成的，其原因主要有兩種。第一種原因是指圓盤上支撐銷軸的銷孔磨損太大；銷軸和銷孔之間的配合間隙過(guò)大，從而造成銷軸在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，致使其交變應(yīng)力的幅值急劇增大，最終超過(guò)了材料的疲勞極限。為避免這種情況的發(fā)生，用戶應(yīng)經(jīng)常檢查圓盤的銷孔及銷軸的兩端，如果發(fā)現(xiàn)過(guò)度磨損，需及時(shí)更換圓盤或銷軸。第二種原因是指圖2所示的過(guò)渡層厚度太大；因?yàn)檫^(guò)渡層較厚會(huì)使得銷軸的表面壓應(yīng)力下降，并在其淬硬層內(nèi)出現(xiàn)兩次拉應(yīng)力峰值，疲勞源增多，從而使銷軸的疲勞強(qiáng)度大大降低。理想的過(guò)渡層厚度大約為硬化層深度的一半，但由于在熱處理過(guò)程中很難精確控制過(guò)渡層的厚度，因此在表面熱處理規(guī)范中一般不具體規(guī)定過(guò)渡層的厚度是多少。過(guò)渡層厚度過(guò)大通常是由熱處理丁藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)造成的。改進(jìn)的方法是提高感應(yīng)器的移動(dòng)掃描速度，同時(shí)增大加熱功率以提高升溫速度，從而改變硬度曲線的形狀。
    有時(shí)所需感應(yīng)淬火的銷軸的直徑較大，但受到現(xiàn)有熱處理設(shè)備最大加熱功率的限制，為滿足熱處理規(guī)范中對(duì)表面硬度和硬化層深度的要求，操作者不得不對(duì)感應(yīng)器設(shè)置極低的移動(dòng)加熱速度；這樣勢(shì)必會(huì)造成較厚的過(guò)渡層，從而削弱了銷軸的疲勞強(qiáng)度。另外，直徑較大的銷軸本身義有更多的材料處于高應(yīng)力區(qū)，更容易出現(xiàn)疲勞裂紋，因此它們比直徑較小的銷軸更容易發(fā)生疲勞失效。筆者多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)，在此提兩個(gè)建議來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是對(duì)大直徑銷軸先預(yù)熱后再進(jìn)行表面感應(yīng)淬火，可使拉應(yīng)力峰值移向更深的內(nèi)層以減少疲勞源的產(chǎn)生，從而提高疲勞強(qiáng)度。另一個(gè)就是采用加熱功率更大的表面熱處理設(shè)備，這種方法最簡(jiǎn)單，但需要投入更多的資金來(lái)購(gòu)置新設(shè)備。
5、錘片與銷軸的匹配
    過(guò)去人們?cè)诳紤]提高錘片和銷軸的耐磨性和疲勞強(qiáng)度時(shí)，通常只是把它們作為單個(gè)獨(dú)立的研究對(duì)象來(lái)改進(jìn)它們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝，很少會(huì)去考慮它們二者之間如何有效地進(jìn)行匹配。錘片與銷軸的匹配主要包括二者之間接觸表面光潔度的匹配關(guān)系和二者之間接觸表面硬度的匹配關(guān)系。理論上講，為提高疲勞強(qiáng)度，銷軸表面和錘孔內(nèi)壁表面都應(yīng)進(jìn)行精加工以提高接觸表面的光潔度；但如此一來(lái)勢(shì)必大大增加銷軸和錘片的制造成本。通常的做法是銷軸表面不進(jìn)行任何旨在提高表面光潔度的機(jī)加工，但是對(duì)錘孔內(nèi)壁面需要進(jìn)行機(jī)加工。原因是如前所述錘孔是由沖床沖壓出來(lái)的，其內(nèi)壁表面很粗糙，特別是在錘孔兩端還具有兩個(gè)尖角。這些都使得錘孔極易在銷軸表面上產(chǎn)生劃痕，為將來(lái)銷軸的疲勞失效提供了潛在的初始裂紋源。為解決這個(gè)問(wèn)題，可以在錘孔兩端車出兩倒角，同時(shí)對(duì)錘孔內(nèi)壁表面進(jìn)行切削量很小的車削。這樣既不會(huì)過(guò)分增加錘片的制造成本，又可以有效地提高銷軸的疲勞強(qiáng)度。
    至于錘片與銷軸之問(wèn)的接觸表面如何進(jìn)行最佳的硬度匹配，這是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。它涉及到磨損機(jī)理、振動(dòng)力學(xué)特性、接觸表面的材料屬性、熱處理工藝、環(huán)境條件等諸多影響兇素，迄今為止筆者還未發(fā)現(xiàn)前人在這方面的研究工作。相關(guān)的論文通過(guò)試驗(yàn)研究了一對(duì)作為摩擦副的齒輪，它們的硬度差對(duì)磨損壽命的影響，其結(jié)論是增加摩擦副的硬度差有利于降低磨損。如果此結(jié)論也同樣適用于錘片與銷軸這一對(duì)摩擦副的話，那么為減少磨損，理論上應(yīng)增大銷軸的表面硬度并減小錘孔內(nèi)壁表面的硬度。但是對(duì)于現(xiàn)有的中碳鋼銷軸，經(jīng)感應(yīng)淬火后其表面硬度已高達(dá)60HRC，要想通過(guò)熱處理來(lái)進(jìn)一步提高此表面硬度將非常困難。另一方面對(duì)于整體淬火的錘片，只試圖降低錘孔內(nèi)壁表面的硬度而同時(shí)不削弱錘片的耐磨性也幾乎是不可能的。為此，設(shè)想了一種試驗(yàn)來(lái)尋找錘片與銷軸之間最佳的硬度匹配關(guān)系。在這個(gè)試驗(yàn)中，材料為中碳鋼的銷軸仍采用感應(yīng)淬火以得到大約60HRC的表面硬度。材料同為中碳鋼的錘片不進(jìn)行整體淬火，而是通過(guò)表面碳化鎢堆焊處理來(lái)保證其耐磨性；然后只對(duì)其錘孔的內(nèi)壁表面進(jìn)行感應(yīng)淬火，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱功率和冷卻速度可制成若干個(gè)具有不同錘孔內(nèi)壁表面硬度的錘片，再將它們分別與前述的銷軸在飼料粉碎機(jī)中進(jìn)行匹配試驗(yàn)。運(yùn)行一定時(shí)間后，分別測(cè)量銷軸表面和錘孔內(nèi)壁面的磨損量，然后作出表示磨損量與錘孔內(nèi)壁表面硬度之間關(guān)系的試驗(yàn)擬和曲線，從而確定最佳的表面硬度匹配關(guān)系。當(dāng)然為了讓試驗(yàn)結(jié)果具有更大的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在試驗(yàn)中可同時(shí)考慮錘片式粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率、飼料種類等因素對(duì)此匹配關(guān)系的影響，并將此影響反映在上述的試驗(yàn)擬和曲線中。這種試驗(yàn)對(duì)減少錘片和銷軸的失效并提高它們的使用壽命應(yīng)該是大有幫助的。
6、結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)對(duì)這兩種零件的失效分析，發(fā)現(xiàn)了它們的失效形式與其熱處理工藝之間的內(nèi)在關(guān)系。比如對(duì)于大直徑銷軸，由于感應(yīng)淬火的工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)產(chǎn)生了較厚的過(guò)度層，從而削弱了其疲勞強(qiáng)度；對(duì)此提出了在感應(yīng)淬火之前先進(jìn)行預(yù)熱的解決方案。最后還研究了錘片和銷軸之間的匹配關(guān)系，特別是二者之間硬度的匹配關(guān)系，并提出了具體的試驗(yàn)方案以尋找最佳的硬度匹配關(guān)系。此試驗(yàn)結(jié)果對(duì)減少錘片和銷軸失效的發(fā)生并延長(zhǎng)其使用壽命將具有很大的實(shí)際意義。


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