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工程机械中心轴淬火工艺试验分析

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摘要:中心轴是大型工程机械上的关键部件,外形结构特殊,承受载荷大,工况复杂,其力学性能要求较高,对重要部位的硬化层提出了特殊要求。针对某企业生产的大型挖掘机中心轴的力学性能要求,研究其表面淬火工艺方法,并对工艺参数进行了优化,这为大型工程机械中心轴表面淬火工艺研究提供了理论指导和技术支撑。

关键词:中心轴;硬化层;同时加热法;连续加热法

大型工程机械中心轴外形结构复杂,轴颈处耐磨性能要求高、承受载荷大、工况复杂且力学性能要求较高,需进行表面淬火工艺处理,其工艺的好坏直接影响中心轴的整体力学性能,成为近年来该领域的研究热点和难点之一。Heintzberger等[1]对铝硅合金热处理力学性能问题进行了研究;Miao等[2]研究了热处理对石墨烯结构的影响;Rehan等[3]研究了冷作工具钢在表面淬火后冷却至室温时的奥氏体相变;钟翔山等[4]通过对感应加热淬火分析,提出了采用中频连续淬火方案;李月英等[5]研究了凸轮材料经宽带激光表面淬火前后的组织、硬度及其摩擦学特性;李超等[6]研究了汽车轮毂轴管锻造余热淬火工艺;刘成强等[7]针对焊接车架的断裂问题构建了车架结构的有限元仿真模型,研究了焊接车架断裂的原因,解决了车架结构的断裂问题;黄雪涛等[8]构建了载货汽车白车身焊点布置的仿真模型,探讨了载货汽车怠速振动与白车身固有频率共振,并基于焊点布置方面优化了白车身结构;王程等[9]研究了表面淬火方法对45钢的热扩散率和热容的影响;刘庆钢等[10]通过试验测试方式,研究了表面淬火工艺参数对表面淬火后表面层硬度、淬硬层深度以及表面残余应力分布的影响。前人的研究主要集中在热处理工艺对零部件力学性能的影响,对中心轴要求较高的关键部位表面淬火工艺研究的相对较少,本文在研究大型工程机械中心轴热处理工艺要求的基础上,提出了同时加热法和连续加热法两种表面淬火试验方案,为解决大型工程机械中心轴的热处理问题提供了技术参考。

1试验材料及方法

1.1材料及技术要求

材料选取45钢,该优质碳素结构钢硬度低且易切削加工,相比普通的A3钢,45钢具有更高的强度、抗变形能力。其主要成分为Fe,45钢化学成分如表1所示。试验所选用的锻件毛坯重量为52.9kg,成品重量为37.2kg。此零件承受的载荷大、耐磨度高、工况复杂,其力学性能要求较要求高,对重要部位的硬化层深度提出了特殊要求。某企业生产的大型工程中心轴如图1所示。本试验采用的中心轴热处理技术要求为:①锻坯正火处理,非表面淬火区表面硬度149~212HB,表面淬火区表面硬度为52~59HRC,即545~675HV。②表面淬火区为距B端面5mm的准130mm圆柱面,其硬化层深度2~4mm。③表面淬火R10区域硬化层深度1~3mm。④表面淬火区长54.2mm。

1.2试验方法

对中心轴热处理的技术要求中,表面淬火是关键工序,需要通过工艺试验确定工艺参数。在本工艺试验中,根据公司淬火设备实际情况,选择在额定功率为200kW的晶体管数控表面淬火机床上进行试验。针对中心轴热处理技术要求,制定如下试验规划:(1)对表面淬火区粗加工后分别采用同时加热法、连续加热法两个试验方案进行试验,表面淬火区给精加工留单边加工余量(0.4±0.1)mm。(2)淬火介质:水。(3)在硬化区取4个截面检测,每个截面取3~8个点检测每个点的硬度值。4个截面分别是C、D、E、F,其中,截面C、D、E分别距端面B的距离为5、25、45mm,截面F在R弧45度方向。(4)硬化层深度评价方法:硬度值为HV450的点到表面的垂直距离。

2试验结果及讨论

2.1同时加热法表面淬火试验

根据工程机械中心轴表面热处理的技术要求,设计同时加热法表面淬火工艺试验方案,其工件安装方式及工艺具体实施如图2所示。淬火工艺参数如表2所示。在对工件进行表面淬火处理并将检测面抛光至光洁镜面后,取C、D、E、F各截面为检测面,其硬化层截面位置如图3所示。淬火后的有效硬化层深度是指从零件表面到维氏硬度等于极限硬度那一层的距离,在C、D、E、F断面分别取0.20、1.20、2.20和3.20mm,采用维氏硬度计进行测定,检测载荷为9.807N。硬度检测时,硬度压痕应当打在垂直于表面的一条或多条平行线上,而且宽度为1.5mm的区域内,最靠近表面的压痕中心与表面的距离为0.15mm,从表面到各压痕中心之间的距离应每点增加0.1mm。当表面硬化层深度大时,压痕中心之间的距离可以大一些,但在接近极限硬度区域附近,保持压痕中心之间的距离为0.1mm。在最终测量时,用垂直表面横截面上的硬度变化曲线来确定有效硬化深度。由绘制的硬度变化曲线确定出从零件表面到硬度值等于极限硬度的距离,这个距离就是表面淬火后的有效硬化层深度。当一个区域有多条硬度变化曲线时,取各曲线测得的硬化层深度的算术平均值作为有效的硬化层深度。经试验测定,各截面的硬度检测值如图4所示。从图4以及经过试验所得到的硬化曲线可以看出,经表面淬火处理后,中心轴上所选取的轴颈段各截面表面所测定的硬度值分别为653.2、603.0、612.1和599.8HV。经检定,各截面硬度全部合格。但是从图上可看出工件的热影响区比较大。这说明在淬火试验中,对工件的加热效率较低,并且层深形状不规则。所选取的4个截面的硬化层深度分别为4.593、3.390、3.201和1.348mm。很显然,经过同时加热法所得到的硬化层深远不能完全满足技术要求。

2.2连续加热法表面淬火试验

经过改进试验设备的感应器结构,以及调整淬火工艺参数并通过工件的移动速度来调节硬化层的深度,将感应器与工件端面的间隙调整为2mm,功率改为160kW,对R处的淬火时间改为9s,扫描速度为100mm/min,冷却时间缩短为80s,喷淋压力、水温、余温等参数保持不变,连续加热法表面淬火工艺参数如表3所示。

2.2连续加热法表面淬火试验

经过改进试验设备的感应器结构,以及调整淬火工艺参数并通过工件的移动速度来调节硬化层的深度,将感应器与工件端面的间隙调整为2mm,功率改为160kW,对R处的淬火时间改为9s,扫描速度为100mm/min,冷却时间缩短为80s,喷淋压力、水温、余温等参数保持不变,连续加热法表面淬火工艺参数如表3所示。面为检测面,经试验测定,各截面的硬度检测曲线如图6所示。从图6可知,截面C、D、E、F的表面硬度分别为672.9、630.0、598.7.0和670.0HV,经检定为全部合格。从图6可以看出,对比同时加热法表面淬火方案,连续加热法表面淬火试验所得到的热影响区较小,层深均匀,4个截面的硬化层深度分别为2.970、2.936、2.463和2.902mm,明显可以看出,经过改进试验所得到的产品满足技术要求。

3结论

(1)通过同时加热法表面淬火试验和连续加热法表面淬火试验的对比分析可以得出,虽然两种试验方案所得到的工件在硬度值方面均合格,但是采用同时加热法所得到的工件在硬化曲线中的热影响区较大,加热效率较低且层深形状不规则;而通过改进感应器结构,调整相关试验工艺参数后,通过调节工件的移动速度来调节硬化层的深度,同时使加热时间得到了缩短,提高了产品的生产效率。(2)对比同时加热法和连续加热法两种表面淬火方法所得到的工件性能参数,可为大型工程机械中心轴热处理问题的解决提供有价值的参考。

作者:雷发林 王春龙 单位:日照市七星汽车部件有限公司

工程机械中心轴淬火工艺试验分析责任编辑:张雨    阅读:人次