航空電機(jī)軟軸磨削燒傷研究

史曉陽

(海裝西安局，陜西 興平 710037)

航空電機(jī)軟軸磨削燒傷研究

史曉陽

(海裝西安局，陜西 興平 710037)

為了避免電機(jī)軟軸在磨削加工過程中產(chǎn)生表面“燒傷”缺陷，防止其在交變載荷下發(fā)生非正常斷裂，造成嚴(yán)重故障。通過分析軟軸加工過程中磨削燒傷產(chǎn)生的機(jī)理和磨削“燒傷”的檢測(cè)方法，確定了影響軟軸磨削“燒傷”的因素，并制定了針對(duì)性改進(jìn)加工工藝措施和軟軸磨削“燒傷”檢測(cè)方法。經(jīng)驗(yàn)證，改進(jìn)措施可以提高軟軸加工的質(zhì)量，有效降低加工廢品率，并避免微缺陷工件漏檢。

軟軸；回火燒傷；淬火燒傷；退火燒傷

在現(xiàn)代航空電源制造中，軟軸是軸類零件中比較常見和復(fù)雜的一種。軟軸主要用作電機(jī)的傳動(dòng)軸，其在使用過程中不但需要承受很大持續(xù)扭力的作用，還要承受瞬時(shí)和交變扭力矩的作用，且工件表面承受的力最大，因此對(duì)表面質(zhì)量要求非常高。在軟軸加工過程中，用磨削完成最終加工工序的可達(dá)80%。然而在磨削加工中，有許多因素會(huì)引起磨削燒傷，使工件表面質(zhì)量大大降低，造成工件的使用壽命成倍下降，甚至造成電機(jī)斷軸事故。

雖然，目前磨削加工技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是不同工件對(duì)于磨削加工的工藝要求相差很大，使得在加工過程中磨削燒傷仍然無法完全消除。通過對(duì)國(guó)營(yíng)115廠多次電機(jī)軟軸斷裂故障統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)斷裂的主要原因與軟軸存在磨削燒傷有關(guān)。因此，通過對(duì)軟軸加工過程進(jìn)行排查，分析軟軸加工過程中磨削燒傷產(chǎn)生的機(jī)理，并改進(jìn)軟軸加工工藝，對(duì)提高電機(jī)可靠性具有積極意義。

1 航空電機(jī)軟軸介紹

軟軸是航空電機(jī)的關(guān)鍵零件，要求重量要輕，形狀細(xì)長(zhǎng)，工作時(shí)承受交變負(fù)荷力矩作用，因此對(duì)材質(zhì)應(yīng)有很高的彈性和強(qiáng)度。一般中小型航空電機(jī)軟軸材料選用優(yōu)質(zhì)合金鋼50CrVA，較大型航空電機(jī)軟軸材料選用優(yōu)質(zhì)合金鋼25CrMnNiTiA。軟軸外形見圖1。

圖1 軟軸外形簡(jiǎn)圖

軟軸的主要工藝過程：鍛造→調(diào)質(zhì)→粗加工→校正→半精加工→檢驗(yàn)→熱處理(淬、回火至HRC40-45)→精加工→精磨軸頸及圓弧(燒傷檢驗(yàn))→磁力探傷→發(fā)蘭等。

軟軸工作時(shí)承受由發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給它的扭力矩，通過軟軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)電樞高速旋轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)停止和轉(zhuǎn)速變化，使軟軸承受一種類似交變的扭矩。軟軸在工作時(shí)其表面的受力最大，因此對(duì)其表面的質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，如不允許有劃傷、碰撞，表面光潔度要求高。精磨時(shí)表面不能有任何的燒傷，需經(jīng)磁力探傷防止表面存有裂紋和發(fā)紋等。燒傷的軟軸長(zhǎng)期承受交變的扭矩就會(huì)在燒傷處產(chǎn)生裂紋使軟軸斷裂[1-2]。

2 軟軸磨削燒傷分析

磨削燒傷是磨削時(shí)，由于在磨削區(qū)內(nèi)瞬時(shí)產(chǎn)生高溫使工件表層組織發(fā)生局部變化。磨削燒傷淬火處理后的鋼材再磨削加工是一種常見的缺陷。磨削燒傷主要有二次淬火燒傷、回火燒傷和退火燒傷，其中回火燒傷最為常見。

2.1 磨削燒傷的機(jī)理

由軟軸加工流程可以看出，磨削是軟軸加工的一項(xiàng)重要的工序。磨削加工時(shí)，由于磨削速度很高，磨粒鈍，磨削厚度小，擠壓變形嚴(yán)重，且磨粒與工件表面間的摩擦嚴(yán)重，磨削時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的熱量，而砂輪的導(dǎo)熱性能很差，在很短時(shí)間(1-2秒)內(nèi)就會(huì)在磨銷區(qū)形成高溫。磨削區(qū)不同位置的溫度并不相同，磨削點(diǎn)的溫度很高，可達(dá)1000～1400℃雖然高溫時(shí)間不長(zhǎng)(約5毫秒)，但它會(huì)對(duì)加工表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。磨削區(qū)的平均溫度約為400～1000℃，它是造成磨削燒傷、殘余應(yīng)力裂紋的主要原因。

當(dāng)磨削加工過程中散熱不良或發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)，工件表面很容易發(fā)生回火燒傷、淬火燒傷和退火燒傷。如果磨削區(qū)溫度超過了材料的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度而未超過相變溫度，則工件表面的馬氏體組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為硬度較低的回火組織-索氏體。當(dāng)磨削區(qū)的溫度超過了材料的相變溫度，冷卻液的急冷作用會(huì)使工件表層發(fā)生二次淬火，使表層金屬表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕雀叩拇慊瘃R氏體。在它的下層，因冷卻較慢，溫度梯度大，時(shí)間短，只能形成高溫回火組織，這就使在表層和次表層之間產(chǎn)生拉應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)大大降低軟軸的機(jī)械性能，當(dāng)應(yīng)力過大時(shí)，甚至?xí)a(chǎn)生裂紋，使軟軸在使用過程中產(chǎn)生斷裂。當(dāng)磨削區(qū)溫度超過相變溫度，且無冷卻液冷卻時(shí)，工件表層將產(chǎn)生退火組織，使表面硬度急劇下降。退火燒傷主要發(fā)生在非正常工作條件下(冷卻液斷流或不充分)，其對(duì)工件的機(jī)械性能影響最大。局部的退火燒傷會(huì)在工件表面產(chǎn)生薄弱部位，為工件事故埋下隱患[3-4]。

2.2 磨銷燒傷對(duì)軟軸機(jī)械性能的影響

以50CrVA制軟軸為例對(duì)軟軸磨削燒傷作如下分析，見表1、表2。

表1 熱處理后的機(jī)械性能與組織

表2 有關(guān)的物理性能

從表1、表2看出，50CrVA是一種中碳合金結(jié)構(gòu)可淬硬性好，熱處理后強(qiáng)度、屈服極限很高。因此，在磨銷加工過程中輕微的磨削燒傷一般只會(huì)在一定程度上降低軟軸的機(jī)械性能，并不會(huì)產(chǎn)生明顯的裂紋和斷裂現(xiàn)象。

軟軸的機(jī)械性能，主要取決于它的金相組織狀態(tài)，圖2表示了因磨削條件不同，而引起的變質(zhì)層內(nèi)硬度變化分布的三種狀態(tài)。

圖2 變質(zhì)層內(nèi)硬度分布

曲線1表示不發(fā)生磨削燒傷的狀況，曲線2表示形成回火燒傷后，變質(zhì)層內(nèi)硬度降低的狀態(tài)，曲線3表示磨削條件惡劣，發(fā)生二次淬火燒傷后，變質(zhì)層內(nèi)的硬度分布。顯然形成二次淬火燒傷后，曲線3顯示的變質(zhì)層最深。

磨削后，軟軸表層殘余應(yīng)力是磨銷熱、塑性變形、組織變化及心部與表層溫差等因素共同作用的結(jié)果。必須指出，磨削區(qū)內(nèi)瞬間高溫是形成變質(zhì)層(指發(fā)生組織變化的表層)的主要條件，但是它不同于一般的熱處理加熱，除服從一般鋼材的加熱組織變化規(guī)律外，有其自身的特點(diǎn)。首先，它需要更大的過熱溫度，其次它的組織轉(zhuǎn)變是不充分的。在磨削燒傷的變質(zhì)層內(nèi)必定有較大的殘余應(yīng)力存在，而殘余應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度時(shí)，就可能導(dǎo)致軟軸出現(xiàn)微裂紋[5]。

3 磨削燒傷檢測(cè)方法

磨削燒傷嚴(yán)重影響軟軸的使用性能和使用壽命，且輕微的磨削燒傷并不容易檢測(cè)出來。因此，根據(jù)軟軸的機(jī)械加工情況，制定檢查適合于生產(chǎn)的磨削燒傷方法是很有必要的。目前判別磨削燒傷的方法主要有以下幾種[6-7]。

3.1 觀色法

觀色法是通過工件表面氧化膜呈現(xiàn)的不同顏色，來判斷磨削表面受熱程度的方法。觀色法是判斷磨削燒傷最為直觀簡(jiǎn)便的方法，但是工件表面受熱氧化產(chǎn)生的顏色很難定量區(qū)分，且輕微的磨削燒傷顏色表現(xiàn)并不明顯。因此，觀色法在工程實(shí)踐上需要非常豐富的判斷經(jīng)驗(yàn)作為支撐，且準(zhǔn)確率較低，只能作為判斷磨削燒傷程度的初步、粗略方法。

3.2 顯微硬度法

磨削燒傷會(huì)使工件表層硬度增加或降低。因此可以通過采用測(cè)量表層顯微硬度的方法來判斷磨削“燒傷”的類別和程度。顯微硬度法的缺點(diǎn)是需要在工件上取樣制造試件，這要破壞成品軟軸，因此在工程實(shí)踐中基本不作為檢驗(yàn)?zāi)ハ鳠齻姆椒ǎ嗟淖鳛榉治雠袛嘬涊S斷裂故障原因的手段。

3.3 酸蝕法

酸蝕法是利用鋼材不同的金相組織對(duì)酸蝕有不同的敏感性。50CrVA通常淬回火后的正常組織是回火索氏體，酸蝕后呈現(xiàn)灰色。如發(fā)生嚴(yán)重回火燒傷，酸蝕后的顏色呈黑色，也就是燒傷檢查時(shí)的黑點(diǎn)組織。如發(fā)生二次淬火燒傷，即燒傷檢查時(shí)呈現(xiàn)的白點(diǎn)。由于軟軸表面受力最大，在交變載荷的作用下，“白點(diǎn)”(淬火馬氏體)極易產(chǎn)生微裂紋。相對(duì)來說“黑點(diǎn)”的影響比“白點(diǎn)”要小的多。酸蝕法能夠簡(jiǎn)單直觀的判斷工件的磨削燒傷程度，因此在工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛。目前，115廠工藝規(guī)程中也是采用這種方法來抽樣判斷軟軸的磨削燒傷。此種方法的缺點(diǎn)是樣本數(shù)量小，無法涵蓋所有的產(chǎn)品，只能作為判斷本批次產(chǎn)品的整體質(zhì)量，無法對(duì)單個(gè)工件做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

3.4 磁彈法

磁彈法是根據(jù)Barkhansen原理開發(fā)的一種測(cè)試方法。正常情況下，軟軸材料(鐵磁性材料)的磁序呈現(xiàn)規(guī)則的排序。當(dāng)軟軸存在磨削燒傷時(shí)，軟軸表面產(chǎn)生的金相組織變化和內(nèi)部應(yīng)力都會(huì)引起磁疇結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁序變化。這種磁序的變化程度可以反映鐵磁性材料晶格結(jié)構(gòu)錯(cuò)位和殘余應(yīng)力的程度。近年來，利用Barkhansen原理研制的測(cè)試儀器已在零部件磨削燒傷檢測(cè)中得到應(yīng)用。相比于以上三種方法，磁彈法不會(huì)對(duì)工件造成損傷，且測(cè)試儀操作方法簡(jiǎn)便，測(cè)試結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映磨銷燒傷的程度，是一種比較完美的測(cè)試方法。

通過分析目前應(yīng)用比較廣泛的幾種磨銷燒傷檢測(cè)方法可以看出，單純的依靠一種方法來檢測(cè)軟軸的磨削燒傷是不科學(xué)的。115廠多年來結(jié)合觀色法、酸蝕法和磁力探傷來檢測(cè)軟軸的磨銷燒傷。雖然磁力探傷不會(huì)破壞軟軸，檢測(cè)可以覆蓋所有工件，但是卻只能發(fā)現(xiàn)微裂紋等較嚴(yán)重的燒傷和缺陷，對(duì)于評(píng)價(jià)較輕微的燒傷程度卻無能為力。因此，引入目前較為先進(jìn)的磨削燒傷檢測(cè)技術(shù)-磁彈法，可以很好的彌補(bǔ)目前軟軸磨銷燒傷檢測(cè)的局限性，提高成品軟軸的可靠性。

4 軟軸磨削燒傷原因及工藝改進(jìn)措施

通過參閱相關(guān)資料[8-9]，并對(duì)廠內(nèi)軟軸加工工藝進(jìn)行研究分析和實(shí)踐摸索，得出了關(guān)于電機(jī)軟軸磨削“燒傷”的產(chǎn)生原因與消除方法見表3。

表3 磨削燒傷產(chǎn)生原因和措施

5 結(jié)語

根據(jù)磨削燒傷的機(jī)理，通過對(duì)航空電機(jī)軟軸加工過程進(jìn)行研究和分析，明確了軟軸燒傷產(chǎn)生的原因和對(duì)性能的影響，并介紹了目前磨削燒傷幾種主要檢查方法。經(jīng)過對(duì)軟軸加工工藝的分析和摸索，確定了加工過程中可能造成軟軸燒傷的8種影響因素，并提出了相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施。經(jīng)廠內(nèi)驗(yàn)證，改進(jìn)措施可以提高軟軸加工的質(zhì)量，降低加工廢品率。

[1] 鄭文虎.典型工件磨削[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011：26.

[2] 胡春燕,趙旭,劉新靈.某型飛機(jī)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)軟軸斷裂原因分析[J].機(jī)械工程料,2011(3)：100-103.

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[4] 劉高群,楊洪平.磨削燒傷研究[J].航空精密制造技術(shù),2011(2)：54-56.

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：東 艷]

Research on Grinding Burn of Flexible Shaft of Aero Dynamo

SHIXiao-yang

(Naval Equipment Department, Xingping 710037, China)

The paper is to prevent flexible shaft of aero dynamo from being burned in the process of abrasive machining, and avoid abnormal rupture under alternating load, thus resulting in serious failures.Through analyzing the mechanism of grinding burn in the process of flexible shaft machining and the detection method of grinding burn, the paper finds out the factors affecting the grinding burn of flexible shaft, and works out the measures for improving the machining technique and the method for detecting grinding burn.Upon the verification, the measures can enhancing the quality of flexible shaft machining, reduce the rejection rate, and avoid the missing inspection of slightly defective shafts.

flexible shaft; tempering burning; quenching burning; annealing burning

2015-03-15

史曉陽 (1987-)，男，河北邢臺(tái)人，助理工程師，從事電機(jī)與控制設(shè)計(jì)研究。

V261

A

1008-9233(2015)03-0042-04