李超超(中國第一重型機械股份公司重裝事業(yè)部，黑龍江161042)

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曲柄軸的質(zhì)量控制及分析

李超超
(中國第一重型機械股份公司重裝事業(yè)部，黑龍江161042)

摘要:分析曲柄軸產(chǎn)生扭曲變形的原因，提出加強熱處理工序的控制以解決該問題。

關(guān)鍵詞:曲柄軸;扭曲變形;熱處理工藝

曲柄軸是專項產(chǎn)品中的一個重要傳動零件。曲柄軸的一端與曲柄相配合，中間部位與曲臂相配合，另一端與復撥杠桿相配合。曲柄軸的左側(cè)端面開有方形孔可用來安裝手柄，用于手動轉(zhuǎn)動曲柄軸，使之帶動其他零件運動。曲柄軸在運動過程中受力比較復雜，曲柄軸的受力和變形大小直接影響到產(chǎn)品的傳動精度，因此有必要對曲柄軸進行受力分析和變形分析。

1　曲柄軸材料參數(shù)

曲柄軸材質(zhì)為40Cr，調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學性能、良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。該鋼的淬透性良好，除此之外該鋼還可適用于氰化和高頻淬火處理，切削性能良好。該材質(zhì)常溫下( 20℃)彈性模量為210 GPa，泊松比為0．277，屈服強度≥785 MPa。根據(jù)曲柄軸實際工作工況繪制了三維圖，其模型見圖1。

曲柄軸固定在本體上，曲柄軸與曲臂相配合，曲臂在彈簧的作用下帶動曲柄軸進行轉(zhuǎn)動，從而帶動其他零件的相互運動。

2　柄軸質(zhì)量問題分析

曲柄軸在試驗期間出現(xiàn)了相關(guān)零件運動不到位，屏幕顯示故障產(chǎn)生，導致產(chǎn)品試驗無法繼續(xù)進行。為了查找問題產(chǎn)生的根本原因，對曲柄軸分別做了尺寸、硬度、化學成分、力學性能和金相組織等檢測。

現(xiàn)場對曲柄軸和相關(guān)零件拆解，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)曲柄轉(zhuǎn)動面根部約寬3 mm，周長1/4處有研傷。

圖1　曲柄軸模型Figure 1　 Model of crank shaft

圖2　曲柄軸簡圖Figure 2　 Sketch of crank shaft

曲柄軸返廠后對其進行了機床打表的檢查，發(fā)現(xiàn)曲柄軸發(fā)生了扭曲變形，從而導致曲柄與曲柄軸同軸度發(fā)生變化，造成曲柄研傷，導致試驗無法進行。

曲柄軸簡圖見圖2。

2．1尺寸檢測

針對曲柄軸發(fā)生扭曲變形的質(zhì)量問題，對其主要尺寸進行了檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1　尺寸檢測結(jié)果Table 1　Test results of dimension measurement

表2　曲柄軸化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2　Results of chemical composition analysis of crank shaft ( mass fraction，%)

表3　金相組織Table 3　Metallographic structure

表4　力學性能檢測結(jié)果Table 4　Test results of mechanical property

從表1可以發(fā)現(xiàn)，曲柄軸小圓直線度超差是造成曲柄軸變形、曲柄研傷的主要原因之一。

2．2化學成分分析

為了分析曲柄軸發(fā)生彎曲變形的根本原因，對已發(fā)生變形的曲柄軸進行分解，并取樣進行化

表5　硬度檢測結(jié)果Table 5　Results of hardness test

學成分分析，分析結(jié)果見表2。

分析結(jié)果表明，曲柄軸化學成分滿足要求。

2．3金相分析

查找曲柄軸材料證明書，曲柄軸熱處理狀態(tài)為淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)狀態(tài)，其金相組織應(yīng)為回火索氏體，為驗證組織的正確性，對曲柄軸進行了金相組織檢查，結(jié)果見表3。

珠光體是過冷奧氏體在A1以下的供析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，是鐵素體和滲碳體兩相組成的機械混合物。根據(jù)珠光體片間距的大小，通常把珠光體分為普通珠光體、索氏體和屈氏體。普通珠光體的片間距S0約為150 nm～450 nm，形成于A1～650℃溫度范圍內(nèi)。索氏體是在650～600℃范圍內(nèi)形成的珠光體，其片間距較小，約為80 nm～150 nm。屈氏體式在600～550℃范圍內(nèi)形成的珠光體，其片間距極細，約為30 nm～80 nm。但如果珠光體是在連續(xù)冷卻過程中形成時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的片間距大小不等，高溫形成的珠光體片間距大，低溫形成的珠光體片間距較小。這種片間距不等的珠光體在外力作用下，將引起不均勻的塑性變形，并導致應(yīng)力集中，從而使鋼的強度和塑性都降低，晶粒度7級反映出珠光體片間距較大，從而導致材料的強度降低［1］。

2．4力學性能分析

曲柄軸力學性能檢測結(jié)果見表4。

從表4可以看出，曲柄軸強度偏低，低于要求。

為了追溯產(chǎn)品的質(zhì)量，查找了曲柄軸質(zhì)量證明書，對同爐、同一批次的曲柄軸進行了硬度檢查，檢查結(jié)果見表5。

為了保證零件的完整性，采用便攜式硬度儀HL-80現(xiàn)場測定硬度，前10點在零件兩端進行檢測，最后兩點在中間表面進行檢測。曲柄軸要求硬度為247～293HBW。

由表2可以看出，卡號為56、57、58的曲柄軸前端5點的硬度普遍低于要求值，且硬度分布不均勻。卡號59的曲柄軸硬度分布均勻，且硬度值滿足設(shè)計圖紙要求。

綜上述，曲柄軸產(chǎn)生扭曲變形的根本原因是:曲柄軸在熱處理工序段由于溫度掌控不當，導致曲柄軸強度降低，從而導致其扭曲變形、曲柄研傷。

3　質(zhì)量改進及控制

曲柄軸出現(xiàn)扭曲變形主要是因為熱處理工藝控制不當造成的，因此加強熱處理工序的控制和檢查是解決該問題的根本途徑。

( 1)為了保證產(chǎn)品的可追溯性，凡有力學性能要求的工件，必須傳遞帶有化學成分的質(zhì)量證

明書。如果是外廠毛坯，也必須帶有化學成分單。不同鋼號的工件同裝一爐時，其加熱溫度應(yīng)相同或相近，相近時二者溫度范圍的平均值之差;煤氣爐加熱不能超過20℃、電爐加熱不能超過10℃。

( 2)有性能要求的工件，當送來的試料數(shù)量、尺寸和質(zhì)量不符合取樣圖或有關(guān)技術(shù)要求時，分廠應(yīng)拒收。采用分批出爐淬火時，頭批工件出爐后，待下批工件的爐溫恢復正常才能出爐。為使零件加熱均勻，保溫過程中爐膛應(yīng)保持正壓力。

( 3)用大爐加熱較小(少)的工件時，爐膛空燒部位的爐表也應(yīng)啟動起來，但指示溫度只作參考。電爐和臺車爐升溫、降溫和均溫時，以爐頂儀表(大表)溫度為準，爐側(cè)儀表(小表)溫度只作參考，但保溫時兩種儀表溫度都應(yīng)達到規(guī)定的溫度。在個別情況下，經(jīng)過檢查員和基層管理人員共同確認后，方可僅以爐頂表溫為準。

( 4)不同截面的工件同裝一爐時，其保溫時間應(yīng)相同或相近。相近時其保溫時間之差不能超過一倍，分批出爐時不受限制。在執(zhí)行工藝過程中，應(yīng)做好升溫、均溫、保溫和回火冷卻，應(yīng)每小時記錄一次溫度(大、小溫度表均記錄)。工藝卡和關(guān)鍵件、重要件的儀表記錄應(yīng)保存于相關(guān)部門。

4　結(jié)語

分析了曲柄軸發(fā)生扭曲變形的根本原因，并在實際應(yīng)用中反復進行實驗和論證。采取有效措施加強曲柄軸在熱處理工序的控制和檢查。經(jīng)嚴格加強質(zhì)量控制和規(guī)范熱處理工藝，該零件在后續(xù)試驗中未出現(xiàn)類似問題，該問題得到了有效控制。

參考文獻

［1］葉宏主編．金屬材料與熱處理［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2013．

［2］王紀安主編．工程材料與材料成形工藝［M］．北京:高等教育出版社，2005．

［3］趙文輝．軍工產(chǎn)品熱處理規(guī)范匯編［Z］．中國第一重型機械集團公司技術(shù)中心，2007．

編輯杜青泉

生產(chǎn)技術(shù)

Quality Control and Analysis of Crank Shaft

Li Chaochao

Abstract:This article has analyzed the reason of distortion of crank shaft，and has proposed to strength the controlling of heat treatment process，as so to solve the problem of distortion．

Key words:crank shaft; distortion; heat treatment process

收稿日期:2015—01—15

文獻標志碼:B

中圖分類號:TG156