硬質(zhì)合金軸套類零件內(nèi)孔成型芯棒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱春茂 時世榮

摘 要：針對硬質(zhì)合金軸套類零件壓制成型過程中內(nèi)孔成型裝置芯棒的可靠性差、容易失效的情況進行研究，通過對芯棒在壓制過程中的受力情況進行分析，設(shè)計出一種新結(jié)構(gòu)的芯棒--螺紋連接結(jié)構(gòu)芯棒。該結(jié)構(gòu)芯棒在制作合格率和使用壽命較原結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢，能夠保證軸套類零件的壓制生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金；芯棒；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；成型

1引言

硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料。硬質(zhì)合金具有很高的硬度、強度、耐磨性和耐腐蝕性，被譽為“工業(yè)牙齒”，用于制造刀具和耐磨零部件。而軸套類零件屬于各類機器的常規(guī)零件，應(yīng)用范圍極其廣泛。硬質(zhì)合金軸套類零件經(jīng)過精密加工后，產(chǎn)品具有精度高、使用壽命長、耐磨性能及耐腐蝕性能好等特點，廣泛應(yīng)用于軍工、航天航空、冶金、石油鉆井等領(lǐng)域。伴隨下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硬質(zhì)合金軸套類零件市場需求不斷加大。

2芯棒工作環(huán)境分析

軸套類零件壓制成型模具由陰模、上沖、下一沖、下二沖和芯棒構(gòu)成，當(dāng)軸套外圓無臺階時，模具就只有一個下沖。其中芯棒是用于軸套類零件內(nèi)孔成型的部件，在壓制成型時芯棒置于粉末料之中，受粉末料的徑向壓力和軸向摩擦力，工作溫度在15℃到45℃之間，在大批量壓制成型生產(chǎn)過程中芯棒因反復(fù)受到周期性的徑向壓力和軸向摩擦力而受到?jīng)_擊載荷，工作條件惡劣。

由于芯棒工作部位長期受到粉末料粒的軸向摩擦力，芯棒工作部位表面光潔度極易被破壞，但是在成型零件后，零件脫模時需要芯棒工作部位表面有很好的光潔度，因此芯棒工作部位材料使用耐磨性能好的硬質(zhì)合金（YG6或YG8）。芯棒與壓機連接方式為螺紋連接，與壓機連接鋼基體部位采用45鋼制作。因此，芯棒由采用硬質(zhì)合金耐磨層制作的工作部位和與壓機連接的鋼基體兩部分組成。

3優(yōu)化前芯棒結(jié)構(gòu)

（1）粘接結(jié)構(gòu)芯棒

粘接結(jié)構(gòu)芯棒采用互為90°的2根銷釘固定硬質(zhì)合金耐磨層與鋼基體的相對位置，并依靠此銷釘提高粘接強度，然后采用無機膠將硬質(zhì)合金耐磨層和鋼基體粘接連接在一起。其粘接方法是：采用YW-1無機膠粘劑（甲）+YW-1無機膠粘劑（乙），將其調(diào)成稀糊狀，涂于結(jié)合部，電爐加熱到100℃-200℃，經(jīng)2-3h固化以完成硬質(zhì)合金層與鋼基體連接在一起。結(jié)合部間隙一般為0.3-0.5mm。其缺點是：結(jié)合強度低、抗拉強度低、抗沖擊載荷性能差、抗疲勞性能差、膠粘劑易老化、耐熱性能差。使用過程中容易發(fā)生硬質(zhì)合金耐磨層與鋼基體松動的情況，嚴(yán)重時合金會發(fā)生脫落現(xiàn)象，穩(wěn)定性和可靠性能較差，芯棒使用壽命短，特別是在35℃到45℃的壓制環(huán)境下極易發(fā)生合金脫落的現(xiàn)象，無法滿足批量生產(chǎn)需求。

（2）焊接結(jié)構(gòu)芯棒

焊接結(jié)構(gòu)芯棒是采用釬焊方式將硬質(zhì)合金耐磨層和鋼基體焊接在一起。鋼基體和硬質(zhì)合金耐磨層之間釬縫厚度為0.25-0.3mm。其焊接方法是：將銅基釬料、焊件硬質(zhì)合金和鋼基體同時加工到釬料熔化溫度，利用液態(tài)銅基釬料填充硬質(zhì)合金與鋼基體之間的縫隙使二者連接為一體。焊接部位為合金內(nèi)孔和合金與鋼體接觸的端面。

4螺紋連接結(jié)構(gòu)芯棒

基于粘接結(jié)構(gòu)芯棒和焊接結(jié)構(gòu)芯棒均存在連接強度低、使用壽命短的缺陷，為了提高芯棒硬質(zhì)合金耐磨層和鋼基體部分的連接強度及可靠性，我們對芯棒進行優(yōu)化設(shè)計。選擇使用連接可靠性強的螺紋連接方式來將二者連接為一體，形成螺紋連接結(jié)構(gòu)芯棒。螺紋連接結(jié)構(gòu)芯棒分為兩種結(jié)構(gòu)：螺紋、釬焊連接結(jié)構(gòu)芯棒和螺紋、背母連接結(jié)構(gòu)芯棒。

（1）螺紋、釬焊連接結(jié)構(gòu)芯棒

首先將硬質(zhì)合金耐磨層加工為臺階孔，然后使用帶臺階的芯軸將硬質(zhì)合金耐磨層與鋼基體通過螺紋M1連接為一個整體。芯軸外圓與硬質(zhì)合金耐磨層采用過渡配合以防止在使用過程中發(fā)生松動。在實際制作使用過程中發(fā)現(xiàn)，采用螺紋連接結(jié)構(gòu)的芯棒的連接強度能夠滿足使用需求，在35℃到45℃的壓制環(huán)境下未發(fā)生合金脫落的現(xiàn)象。但在大批量壓制成型生產(chǎn)過程中芯棒因反復(fù)受到周期性的徑向壓力和軸向摩擦力，芯軸與鋼基體的螺紋連接有發(fā)現(xiàn)松動的現(xiàn)象，所以最后采用釬焊的方式將硬質(zhì)合金耐磨層和鋼基體焊接在一起，以防止在使用過程中發(fā)生螺紋松動的現(xiàn)象。

（2）螺紋、背母連接結(jié)構(gòu)芯棒

螺紋、釬焊連接結(jié)構(gòu)芯棒隨著芯棒外圓直徑D的增大，釬焊面積隨之增大，焊接性能開始降低。當(dāng)外圓尺寸D≥30mm時，開始出現(xiàn)虛焊和合金裂紋的現(xiàn)象，尺寸越大，焊接缺陷越嚴(yán)重。

為避免焊接缺陷，大尺寸的芯棒在硬質(zhì)合金耐磨層和鋼基體之間增加一個背母。首先通過芯軸和背母之間的螺紋M2將芯軸、硬質(zhì)合金耐磨層和背母連接在一起；其次采用氬弧焊焊接背母與芯軸防止螺紋M2松動；然后通過M1將芯軸與鋼基體連接；最后采用氬弧焊焊接背母與鋼基體防止螺紋M1。為防止在第一次焊接芯軸與背母是所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的影響，需保證螺紋M2-M1≥6。

為方便加工、以及保證芯棒的使用壽命，螺紋連接結(jié)構(gòu)芯棒的連接螺紋M1最小采用M8，隨著尺寸的增大、螺紋尺寸相應(yīng)的增大。為保證芯軸臺階的可靠性，芯軸臺階需保證1.5mm。為保證硬質(zhì)合金耐磨層壁厚最小地方的強度，最小處壁厚需保證2.5mm。為避免第一次焊接的焊接應(yīng)力影響螺紋M1的質(zhì)量，需保證M2-M1≥6mm。

因此： 螺紋、釬焊連接結(jié)構(gòu)芯棒最小外圓：D≥8+2×1.5+2×2.5=16mm。

螺紋、背母連接結(jié)構(gòu)芯棒最小外圓：D≥8+2×1.5+2×2.5+6=22mm。

為防止釬焊對合金性能的影響，能采用螺紋、背母連接結(jié)構(gòu)時盡量采用螺紋、背母連接結(jié)構(gòu)，不能采用螺紋、背母結(jié)構(gòu)時再采用螺紋、釬焊結(jié)構(gòu)。

綜上所述：當(dāng)芯棒外圓尺寸D在16mm到22mm之間時，使用螺紋、釬焊連接結(jié)構(gòu)芯棒；當(dāng)芯棒外圓尺寸D≥22mm時，采用螺紋、背母連接結(jié)構(gòu)芯棒。螺紋連接結(jié)構(gòu)芯棒制作工藝簡單，制作合格率高，芯棒使用壽命長。

5不同結(jié)構(gòu)芯棒生產(chǎn)使用情況對比

針對不同結(jié)構(gòu)芯棒進行對比實驗，實驗表明螺紋連接結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢，具有良好的推廣前景。

（1）生產(chǎn)合格率對比

將不同結(jié)構(gòu)芯棒各制作10件，嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程，對生產(chǎn)過程進行跟蹤、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析，結(jié)果顯示螺紋連接結(jié)構(gòu)芯棒生產(chǎn)合格率最高。

（2）使用情況對比

將不同結(jié)構(gòu)的10件芯棒在不同壓制溫度下進行批量壓制生產(chǎn)，對生產(chǎn)過程進行跟蹤、數(shù)據(jù)統(tǒng)計，求出壓制次數(shù)的平均值，結(jié)果顯示螺紋連接結(jié)構(gòu)芯棒使用壽命最長。

6結(jié)語

硬質(zhì)合金產(chǎn)品壓制成型過程中，模具質(zhì)量及使用壽命是制約壓制效率的一個重要因數(shù)。作為軸套類零件壓制成型過程中，工作環(huán)境最惡劣的內(nèi)孔成型裝置芯棒的使用壽命就成為影響軸套類零件的壓制成型效率的主要因數(shù)。本文通過對不同結(jié)構(gòu)芯棒的生產(chǎn)合格率及使用情況等方面進行研究，結(jié)果表明：采用螺紋連接結(jié)構(gòu)芯棒是可行的、有效的，采用該結(jié)構(gòu)的芯棒的制作合格率和使用壽命較原結(jié)構(gòu)有顯著的提升，能夠保證軸套類零件的壓制生產(chǎn)效率。

參考文獻：

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