滾柱逆止器內(nèi)圈高硬楔面的加工工藝探究*

馬國(guó)聰，楊 杰，賀永鋒

(寧夏天地西北煤機(jī)有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

逆止器[1]是帶式輸送機(jī)的重要安全保護(hù)裝置之一，其作用是在輸送機(jī)帶料泊車(chē)時(shí)，阻止輸送機(jī)滾筒回轉(zhuǎn)，防止物料因重力而發(fā)生的逆行或下滑事故。

目前，寧夏天地西北煤機(jī)有限公司生產(chǎn)的逆止器為滾柱逆止器和楔塊逆止器。其中滾柱逆止器為公司新研發(fā)的產(chǎn)品，在制造過(guò)程中，由于逆止器內(nèi)圈外表面均布若干楔形面，具有滲碳層厚、硬度高、加工精度及表面粗糙度要求高等特點(diǎn)。這種高硬[2]楔面的加工及內(nèi)圈深層滲碳為本公司制造滾柱逆止器的主要瓶頸，制約了逆止器的批量化生產(chǎn)，本文致力于在本公司現(xiàn)行條件下實(shí)現(xiàn)滾柱逆止器內(nèi)圈高硬楔面的加工。

1 工作原理

滾柱逆止器主要由內(nèi)圈、外圈、保持架、滾柱、彈簧及擋塊組成(見(jiàn)圖1)。外圈固定，內(nèi)圈與軸連接，保持架同擋塊安裝于外圈與內(nèi)圈之間，彈簧兩端分別與內(nèi)圈、保持架相連。內(nèi)圈表面均布若干逆止平面(類(lèi)棘輪)，滾柱設(shè)置在內(nèi)圈逆止平面與外圈間空槽內(nèi)，保持架將多個(gè)滾柱均勻定位，限制滾柱的徑向與軸向活動(dòng)空間，配合內(nèi)圈實(shí)施逆止；擋塊限定保持架軸向位置，使保持架可隨外圈和內(nèi)圈同向運(yùn)轉(zhuǎn)；彈簧提供拉力，使保持架帶動(dòng)滾柱向內(nèi)圈逆止平面楔緊方向相貼緊；軸承保證內(nèi)、外圈間形成均勻間隙的精度，同時(shí)降低運(yùn)轉(zhuǎn)阻力，使逆止效果更佳；保持架設(shè)計(jì)的空腔使?jié)L柱與外圈無(wú)接觸運(yùn)轉(zhuǎn)，與內(nèi)圈逆止平面有接觸而無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

逆止器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(見(jiàn)圖2)，擋塊隨內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)保持架與滾柱同時(shí)同向運(yùn)轉(zhuǎn)，由于保持架特殊設(shè)計(jì)的空腔作用使?jié)L柱與外圈無(wú)接觸運(yùn)轉(zhuǎn)，與內(nèi)圈逆止平面有接觸而無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此設(shè)計(jì)限制滾柱的活動(dòng)空間，同時(shí)確保滾柱與內(nèi)圈、外圈平行接觸，減少了滾柱與保持架的摩擦；當(dāng)逆止器逆止時(shí)，傳動(dòng)軸會(huì)帶動(dòng)內(nèi)圈反向運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)保持架會(huì)在彈簧作用力的拉動(dòng)下帶動(dòng)滾柱反轉(zhuǎn)，內(nèi)圈的逆止平面壓迫滾柱向外圈傳遞扭矩造成最大正壓力，保持架確保多個(gè)滾柱的位置相同，由內(nèi)圈的反向扭矩使?jié)L柱不會(huì)松脫，接觸面出現(xiàn)最大摩擦，達(dá)到逆止效果。

圖1 逆止器組成

為了保證逆止器可靠運(yùn)行，要求在逆止過(guò)程中內(nèi)、外圈逆止面無(wú)變形，且要求逆止器在逆止時(shí)接觸面出現(xiàn)最大摩擦，即確保若干滾柱在保持架內(nèi)的位置相同。故對(duì)內(nèi)圈楔形面的硬度、形狀公差、位置公差及表面粗糙度要求較高。

2 材質(zhì)及加工技術(shù)要求

滾柱逆止器內(nèi)圈外端面分布若干均勻楔面(見(jiàn)圖3)。內(nèi)外圈需深層滲碳處理，滲碳層深度≥5 mm，表面硬度為58～62 HRC，光潔度≤0.8 μm，平面度≤0.03 mm，同軸度≤0.02 mm，位置度≤0.02 mm，精度要求等級(jí)很高。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中深層滲碳及高硬度、高精度楔形面的精加工是制造滾柱逆止器的主要瓶頸，作為技術(shù)難點(diǎn)亟待攻克。

圖3 內(nèi)圈楔面

3 工藝方案制定

3.1 熱處理工藝方案

滾柱逆止器內(nèi)/外圈材質(zhì)選用20CrMnMo[3]合金結(jié)構(gòu)鋼，屬于高級(jí)滲碳鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。根據(jù)技術(shù)要求，制定工藝路線如下：鍛造→球化退火→粗車(chē)→預(yù)備熱處理→半精密加工→滲碳→磨削→精密加工，其中預(yù)備熱處理工藝為正火+高溫回火，為深層滲碳[4-5]做組織準(zhǔn)備。

表1 試驗(yàn)用鋼(20CrMnMo)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

采用南京多用爐(NL03-501)進(jìn)行滲碳處理，通過(guò)工控機(jī)控制碳勢(shì)、溫度、保溫時(shí)間等參數(shù)，滲碳載氣為丙酮+甲醇。采用梯度遞減碳濃度及等溫預(yù)冷淬火的深層滲碳[6]熱處理新工藝，工藝參數(shù)如圖4所示。

通過(guò)梯度遞減碳濃度實(shí)現(xiàn)強(qiáng)滲與擴(kuò)散，有效控制爐內(nèi)碳勢(shì)，避免碳濃度過(guò)高造成表面形成碳黑阻止碳原子擴(kuò)散，從而有效控制零件表面的碳濃度；同時(shí)有利于控制碳化物溶解的驅(qū)動(dòng)力，不會(huì)引起碳化物急劇長(zhǎng)大。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，此工藝既能保證碳原子的擴(kuò)散，得到一定厚度的硬化層，又能避免滲碳層中出現(xiàn)大片的網(wǎng)狀和塊狀碳化物。

圖4 深層滲碳熱處理工藝圖

深層滲碳[7]后組織：按照GB/T 28694—2012執(zhí)行，碳化物級(jí)別達(dá)2～3級(jí)，馬氏體和殘余奧氏體達(dá)3～4級(jí)，心部鐵素體的級(jí)別達(dá)3～4級(jí)，滲層深度為5.5～6 mm，表面硬度為60～62 HRC，符合技術(shù)要求。

3.2 加工工藝方案

根據(jù)逆止器內(nèi)圈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求，內(nèi)圈楔面的精加工可采用磨削[8]或銑削加工[9]，傳統(tǒng)的X63W萬(wàn)能升降臺(tái)銑床為手動(dòng)操作、三爪裝卡，找正精度及零件的平面度無(wú)法保證，且受機(jī)床剛性限制，裝卡的YG8、YG15合金機(jī)夾刀片銑刀屬于一般硬質(zhì)合金材料，刀片材質(zhì)硬度約為65 HRC，刀片硬度與零件熱處理后硬度相差無(wú)幾，切削時(shí)會(huì)直接磨損，無(wú)法滿(mǎn)足要求。若采用磨削加工，因內(nèi)圈楔形面較多，裝卡找正復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，加工精度難以保證。

經(jīng)查閱相關(guān)資料，選用四軸驅(qū)動(dòng)臥式加工中心可實(shí)現(xiàn)內(nèi)圈高硬楔面的加工，工件一次性裝卡在工作臺(tái)上，通過(guò)數(shù)控編程完成楔形面加工，能保證零件的尺寸精度及幾何公差要求，但此設(shè)備價(jià)格昂貴，安裝條件要求嚴(yán)格。

考慮本公司現(xiàn)有加工能力，采用GF920加工中心，安裝電動(dòng)臥式分度盤(pán)、山特維克R390-080Q27-17M(Dc=80 mm)刀盤(pán)、B150-FMB(c)27-90刀體進(jìn)行加工。GF920加工中心是三軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)龍門(mén)鉆銑床，通過(guò)加裝分度盤(pán)實(shí)現(xiàn)四軸驅(qū)動(dòng)，所用B150-FMB(c)27-90刀體屬于高硬度涂層機(jī)夾刀片，硬度可達(dá)到100 HRC以上，在小進(jìn)給、高轉(zhuǎn)速的加工條件下，可實(shí)現(xiàn)表面粗糙度Ra0.8 μm的技術(shù)要求。

加工時(shí)，一端用頂尖固定，另一端用電動(dòng)臥式分度盤(pán)四爪夾緊找正，主軸裝卡刀盤(pán)進(jìn)行加工。調(diào)試加工時(shí)的4組加工參數(shù)及能達(dá)到的表面粗糙度見(jiàn)表2。

表2 內(nèi)圈楔面調(diào)試加工參數(shù)表

從表2中可以看出，選用第1種和第2種工藝參數(shù)，能滿(mǎn)足表面粗糙度要求，刀具使用壽命增長(zhǎng)，但加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，生產(chǎn)周期增長(zhǎng)；第4種加工方式雖然加工時(shí)間最短，但表面粗糙度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，而且刀具使用壽命降低，經(jīng)多次研究論證和綜合對(duì)比，從加工的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性判斷，將加工參數(shù)設(shè)定為第3種加工方式：刀具速度為400 r/min，切削速度[10]為190 mm/min，切削深度為0.1 mm，切削寬度為60 mm時(shí)為最佳加工方案。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

加工完成后，用光潔度樣塊進(jìn)行對(duì)比，表面粗糙度達(dá)到Ra0.8 μm以上，用Function Plus龍門(mén)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量各外圓、楔面尺寸及同軸度、平面度、垂直度等幾何公差，經(jīng)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，逆止器內(nèi)圈各楔面均能滿(mǎn)足圖樣設(shè)計(jì)要求。

裝配后在進(jìn)行出廠檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)逆止器進(jìn)行了額定力矩打壓逆止試驗(yàn)，經(jīng)反復(fù)8次試驗(yàn)后，內(nèi)圈楔面與滾柱無(wú)壓痕，經(jīng)24 h運(yùn)轉(zhuǎn)后，溫度升高值≤5°，運(yùn)行時(shí)無(wú)噪聲，均符合產(chǎn)品性能指標(biāo)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)采用GF920數(shù)控小龍門(mén)鉆銑床，安裝電動(dòng)臥式分度盤(pán)、山特維克R390-080Q27-17M(Dc=80 mm)刀盤(pán)、B150-FMB(c)27-90刀體，可實(shí)現(xiàn)滾柱逆止器內(nèi)圈高硬楔面的精加工。

2)采用此種精加工方式，刀具速度為400 r/min，切削速度為190 mm/min，切削深度為0.1 mm，切削寬度為60 mm，能滿(mǎn)足產(chǎn)品性能指標(biāo)及技術(shù)要求，減少了磨削工序，提高了加工效率。

3)采用梯度遞減碳濃度及等溫預(yù)冷淬火的深層滲碳熱處理新工藝，既能保證碳原子的擴(kuò)散，得到一定厚度的硬化層，又能避免滲碳層中出現(xiàn)大片的網(wǎng)狀和塊狀碳化物。