面向半軸套管螺紋損傷的電火花沉積再制造技術(shù)研究

沈曄超　劉天琪

(國營蕪湖機(jī)械廠，安微 蕪湖 241007)

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面向半軸套管螺紋損傷的電火花沉積再制造技術(shù)研究

沈曄超劉天琪

(國營蕪湖機(jī)械廠，安微 蕪湖 241007)

為了研究電火花沉積工藝是否適合半軸套管螺紋損傷的再制造，選用鎳基電極棒對螺紋受損區(qū)域進(jìn)行電火花沉積，并采用銼修、板牙套扣等方法實(shí)施螺紋修正。利用滲透、磁粉和磁記憶方法檢測螺紋再制造修復(fù)區(qū)，同時(shí)進(jìn)行螺紋配合實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：電火花沉積工藝效率高，再制造螺紋與基體結(jié)合可靠，沉積區(qū)域沒有出現(xiàn)氣孔、裂紋夾雜等缺陷和新的應(yīng)力集中區(qū)，能夠滿足半軸套管螺紋損傷的再制造要求。

再制造；半軸套管；電火花沉積；無損檢測；應(yīng)力分布

汽車驅(qū)動(dòng)橋殼是基礎(chǔ)件，半軸套管螺紋損傷在橋殼失效形式中占有不小的比重。半軸套管拆卸換新[1]的工藝方法雖然能夠有效地實(shí)現(xiàn)套管螺紋損傷修復(fù)，但適用范圍小、修復(fù)效率低，不能滿足沖焊式橋殼的再制造需求；損傷區(qū)域堆焊后車削新螺紋的工藝方法[2]再加工時(shí)對刀十分麻煩[3-4]，堆焊過程還會(huì)造成過大的熱影響，從而導(dǎo)致修復(fù)后的螺紋塑性、韌性較差。電火花沉積是利用放電作用，形成表面修復(fù)層的新型工藝方法[5]。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對不同條件下的電火花沉積層進(jìn)行了不少研究。文獻(xiàn)[6-8]分別利用XRD衍射儀、SEM(掃描電鏡)、輝光光譜儀、球盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了不同合金沉積層的摩擦

磨損性能和組織結(jié)構(gòu)形貌；文獻(xiàn)[9-11]分析了能量密度、沉積溫度、電極壓力等工藝參數(shù)和電火花沉積層質(zhì)量、厚度之間的聯(lián)系；文獻(xiàn)[12-13]證實(shí)了電火花沉積適用于熱敏感和非晶態(tài)材料。但目前針對橋殼半軸套管螺紋再制造的電火花沉積研究還很少。

根據(jù)汽車驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管的典型失效形式，以軸頭螺紋損傷的半軸套管為對象，采用電火花沉積技術(shù)制備電火花沉積層，結(jié)合什錦銼修型和板牙套扣進(jìn)行螺紋再制造實(shí)驗(yàn)。分別使用滲透、磁粉、磁記憶方法對再制造螺紋進(jìn)行無損檢測，并經(jīng)過螺紋、螺母配合試驗(yàn)，證明了電火花沉積修復(fù)方法的可靠性，為汽車驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管螺紋的再制造提供了一種新方法。

1　半軸套管螺紋損傷概況

軸頭螺母裝配過程中的人為誤操作因素、外購軸頭螺母中的殘余雜質(zhì)、車輛超載、路面不平整等帶來的沖擊載荷等都有可能導(dǎo)致橋殼半軸套管螺紋損傷。某企業(yè)出廠返回橋殼故障件統(tǒng)計(jì)分析情況如圖1所示。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，87%的故障套管螺紋都存在不同形式的損傷，但亂絲損壞無法修復(fù)的只占總數(shù)的26%，還有約60%的半軸套管螺紋具備實(shí)施再制造的可能性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，半軸套管螺紋主要有牙尖擄平、中徑擄平、局部爛牙、倒牙4種常見的損傷形式。

2　電火花沉積螺紋再制造實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)對象及前處理

實(shí)驗(yàn)對象為某型號驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管軸頭損傷螺紋，螺紋規(guī)格為M64×1.5-6g。該段螺紋上存在3處缺陷，分別位于第13牙附近(螺紋根部位置)、第7牙附近(螺紋中間位置)和前2牙(螺紋初始位置)。

使用洗滌汽油、丙酮依次清洗受損螺紋，并用銅絲刷等工具打磨清除殘留在螺紋中的污物。螺紋上產(chǎn)生銹蝕的部分還應(yīng)該采用細(xì)砂紙打磨干凈，待沉積部位臨近區(qū)域需要利用膠布進(jìn)行保護(hù)和遮蔽。

2.2設(shè)備及工藝參數(shù)

使用旋轉(zhuǎn)式電極的新型3H-ES系列設(shè)備[14]。采用鎳基電極棒，設(shè)備主要工藝參數(shù)如下：工作電壓22 V，功率1 500 W，頻率300 HZ，電極棒轉(zhuǎn)速1 600 r/min，保護(hù)性氣體氬氣流量10～15 L/min。對螺紋受損區(qū)域進(jìn)行電火花沉積，直至沉積層略高于受損螺紋牙尖高度，如圖2所示。

利用臺虎鉗夾持半軸套管，什錦銼銼修螺紋至初步成型后，再采用M64×1.5的板牙套扣修正，如圖3所示。

套扣成型的半軸套管螺紋如圖4a、b所示。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1滲透檢測

利用滲透檢測確定再制造螺紋表面的連續(xù)性。采用UR-T美可達(dá)清洗液對電火花沉積區(qū)域螺紋進(jìn)行預(yù)清洗，清除表面殘留的金屬氧化皮；然后對電火花沉積區(qū)域施加UP-T美可達(dá)浸透液，直至受檢面被完全覆蓋；10 min后，使用除去液，清洗多余滲透劑；最后，將UD-T美可達(dá)顯像液覆蓋被檢螺紋區(qū)域。在無反射光源且白光照度大于1000lx的環(huán)境下，用肉眼或3～5倍放大鏡觀測螺紋表面，檢測結(jié)果如圖5所示。

經(jīng)滲透檢測，顯像劑均勻分布，半軸套管螺紋的再制造區(qū)域未發(fā)現(xiàn)長圓條形、橢圓形、圓形亮點(diǎn)或曲折波浪狀、鋸齒狀的細(xì)線條等缺陷顯示。半軸套管螺紋再制造區(qū)域的表面連續(xù)性良好。

3.2磁粉檢測

由于不受螺紋復(fù)雜的外形影響，靈敏度高，熒光磁粉檢測對螺紋近表面和表面的缺陷都具有極高的檢出率[15]。M64×1.5螺紋的公稱直徑、中徑和小徑分別為64 mm、63.026 mm、62.376 mm。螺紋完全磨損狀態(tài)下的最大凈修復(fù)尺寸為1.624 mm。而近表面2 mm以內(nèi)的缺陷在熒光磁粉檢測方法下的顯像都十分靈敏，因此整個(gè)電火花沉積區(qū)都處于熒光磁粉檢測的靈敏區(qū)域范圍內(nèi)。

將螺紋再制造區(qū)域表面進(jìn)行預(yù)處理，清除表面污物和金屬氧化皮，直至表面呈現(xiàn)出金屬光澤。將熒光磁粉施加在螺紋再制造區(qū)域表面，采用連續(xù)法對半軸套管進(jìn)行磁化。周向磁化電流I=10d(工件直徑)=10×64=640 A，由經(jīng)驗(yàn)公式L/d=128/64=2，2

經(jīng)磁粉檢測，螺紋再制造區(qū)域未呈現(xiàn)出密集或單個(gè)點(diǎn)狀、方向不定的鋸齒狀或曲線狀、連續(xù)線狀等磁痕顯示，磁粉積聚現(xiàn)象并未出現(xiàn)在再制造螺紋區(qū)域。由此證明，半軸套管和電極棒在電火花沉積過程中結(jié)合效果良好。

3.3再制造螺紋的應(yīng)力分布分析

螺紋拆裝過程中的操作性能和連接的密封性、強(qiáng)度直接取決于螺紋的應(yīng)力分布狀態(tài)[16]。使用金屬磁記憶方法分析半軸套管螺紋再制造后的應(yīng)力分布情況。為了保證金屬磁記憶檢測過程中儀器探頭和位于圓柱面上的半軸套管螺紋形成勻速相對運(yùn)動(dòng)，將半軸套管裝夾在車床卡盤上，并確保該車床能夠進(jìn)行無級調(diào)速。工件按南北走向放置，選用金屬磁記憶智能檢測儀(EMS2000+)對再制造螺紋區(qū)域?qū)嵤┉h(huán)向掃描，探頭提離高度1 mm，移動(dòng)速度(7～9) r/min。

檢測線路的其中一條如圖7所示。

半軸套管再制造螺紋的應(yīng)力分布可以根據(jù)磁記憶信號的法向分量HP(y)及磁記憶信號變化梯度K來判斷。由圖7所示磁記憶檢測信號環(huán)向路徑的法向分量Hp(y)總體較為平穩(wěn)，起伏不大，沒有發(fā)現(xiàn)過零點(diǎn)和大異變峰現(xiàn)象；磁記憶信號變化梯度K的波動(dòng)幅度不大，沒有超標(biāo)[17]，其中最大值(Kmax)僅為3.4 A/(m·mm)，再制造螺紋區(qū)域的應(yīng)力分布比較平緩。磁記憶檢測結(jié)果顯示：螺紋再制造過程并沒有因?yàn)殡娀鸹ǔ练e而引入新的應(yīng)力集中區(qū)。

4　實(shí)例驗(yàn)證

對檢測合格后的螺紋進(jìn)行配合試驗(yàn)，驗(yàn)證軸頭螺母和半軸套管再制造螺紋的配合效果。將與套管螺紋配合的軸頭螺母(M64)，從套管螺紋初始端緩慢旋入，如圖8a、8b所示。

試驗(yàn)證明，再制造螺紋連接性能可靠，大螺母順利旋入套管螺紋根部，電火花沉積有效恢復(fù)了受損螺紋的配合效果。

5　結(jié)語

通過上述一系列實(shí)驗(yàn)，研究了半軸套管損傷區(qū)域電火花沉積再制造螺紋的表面、近表面質(zhì)量和應(yīng)力分布情況，并進(jìn)行了再制造螺紋配合實(shí)例驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

(1)電火花沉積工藝效率高，具備很好的適應(yīng)性，能夠有效實(shí)現(xiàn)半軸套管螺紋損傷的再制造。

(2)再制造螺紋質(zhì)量良好，與基體結(jié)合可靠，沒有裂紋、夾雜、氣孔等沉積缺陷的存在。

(3)再制造螺紋區(qū)域的應(yīng)力分布比較平緩，未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，電火花沉積過程未引入新的應(yīng)力集中區(qū)。

(4)再制造螺紋能夠與軸頭大螺母進(jìn)行配合，M64的大螺母順利旋入套管螺紋根部，達(dá)到了螺紋設(shè)計(jì)要求。

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(編輯汪藝)

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Electro-spark deposition remanufacturing technology of the damage of half shaft thread

SHEN Yechao, LIU Tianqi

(State-owned Machinery Factory in Wuhu, Wuhu 241007, CHN)

In order to discuss whether the electro-spark deposition can satisfy the condition of remanufacture when the half shaft thread was damaged. The coatings of electro-spark deposition layers with threading die processing and file repaired were covered on the damage of half shaft thread by using nickel electrode rods. Making nondestructive testing by osmosis, magnetic powder and magnetic memory. Testing thread fits at the same time. The testing results indicate that electric spark deposition process had high efficiency. Remanufacturing thread combined well with base metal. Pores, cracks, inclusions and new stress concentration did not appear. It could meet the requirements of remanufacture of the damage of half shaft thread.

remanufacture; half shaft bushing; electro-spark deposition; nondestructive testing; stress distribution

TG456.9

B

沈曄超，男，1987年生，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與制造，已發(fā)表論文2篇。

2015-11-10)

160435