一、問(wèn)題的提出
三峽下岸溪砂石項(xiàng)目部現(xiàn)有瑞典斯維達(dá)拉公司生產(chǎn)的50 -65MK-II型旋回
破碎機(jī)兩臺(tái)，該機(jī)型于1999年8月投入運(yùn)行，運(yùn)行后各部位反應(yīng)正常。并且由于該機(jī)型破碎比大、產(chǎn)能高而成為了該項(xiàng)目部人工砂石加工的主力設(shè)備。但運(yùn)行至2001年11月14日時(shí)其中的一臺(tái)破碎機(jī)主軸在破碎中發(fā)生斷裂，理論運(yùn)行時(shí)間只有兩年零三個(gè)月，但該項(xiàng)目部實(shí)際的生產(chǎn)狀況是兩臺(tái)設(shè)備一用一備，從來(lái)就沒(méi)有兩臺(tái)一起運(yùn)行過(guò)。所以較實(shí)際的理論運(yùn)行時(shí)間應(yīng)該是一年多一點(diǎn)。雖然根據(jù)合同說(shuō)廠方的主軸承諾保證期是18個(gè)月，三峽下岸溪砂石項(xiàng)目部也以合同為依據(jù)同斯維達(dá)拉公司廠方代表糾纏了2個(gè)多月，但終因依據(jù)不充分而沒(méi)能得到廠方的賠償認(rèn)可。其實(shí)按照國(guó)內(nèi)外許多類(lèi)似機(jī)型的使用情況和廠方對(duì)該型設(shè)備最初的改造設(shè)計(jì)，該主軸也是不可能在這么短的時(shí)間里斷裂的。故顯而易見(jiàn)，該主軸屬非正常斷裂。而此時(shí)又正值三峽大壩混凝土澆筑的高峰時(shí)期，這臺(tái)破碎機(jī)主軸斷裂后，另外一臺(tái)的狀況也讓我們開(kāi)始擔(dān)憂(yōu)起來(lái)。萬(wàn)一另一臺(tái)也在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)同樣的情況那后果簡(jiǎn)直就不敢設(shè)想。由于該主軸進(jìn)口價(jià)格高達(dá)230萬(wàn)元，并且交貨期也較長(zhǎng)（最快要6個(gè)月）。加上主軸車(chē)身存在的設(shè)計(jì)缺陷，項(xiàng)目部否定了該主軸的進(jìn)口計(jì)劃，決定馬上組織技術(shù)力量進(jìn)行研究，嘗試其國(guó)產(chǎn)的可能性。
在隨后的拆檢中我們發(fā)現(xiàn)，該主軸斷裂部位發(fā)生在軸上部軸徑Ø489至軸徑Ø630的圓弧過(guò)渡區(qū)，而此過(guò)渡區(qū)原本就是應(yīng)力較為集中的地方。通過(guò)對(duì)斷裂口取樣并進(jìn)行掃描電鏡觀察分析，斷裂面為因主軸達(dá)到其使用的有效時(shí)間而產(chǎn)生的疲勞斷裂，而非因外力作用而產(chǎn)生的臆性斷裂。經(jīng)我們充分分析論證后得出：該機(jī)型因是由42-50型旋回破碎機(jī)改型而成，除主軸加長(zhǎng)、進(jìn)料口徑增大外，其余部位井未作相應(yīng)的改動(dòng)。故由于進(jìn)料口徑的增大，該機(jī)的破碎比也較42-50型的大，因而也增加了主軸所承受的破碎力。而主軸的直徑卻沒(méi)有得到相應(yīng)的加大。同時(shí)．由于加長(zhǎng)了主軸的長(zhǎng)度，也使得主軸破碎點(diǎn)所承受的彎曲力矩相應(yīng)加大。而從破碎運(yùn)動(dòng)的實(shí)際狀況來(lái)看，主軸圓弧過(guò)渡區(qū)是該軸承受彎曲力矩最大的區(qū)域，亦是應(yīng)力較為集中的區(qū)域．因此也是整個(gè)主軸最薄弱的區(qū)域。如若主軸承受不了外力而發(fā)生斷裂，斷裂部位就應(yīng)該在該薄弱區(qū)域。見(jiàn)圖1：
二、方案的確定
找到了主軸發(fā)生斷裂的主要原因之后，我們就開(kāi)始研究怎樣降低主軸斷裂的概率。要防止主軸斷裂，除控制毛料人料粒徑外，增大主軸抗彎強(qiáng)度、降低主軸過(guò)渡圓弧區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)是兩種非常有效的途徑。要增大主軸抗彎強(qiáng)度，在主軸長(zhǎng)度無(wú)法改變的情況下，就必須增大主軸上部軸徑尺寸和過(guò)渡圓弧圓角尺寸。但增大主軸上部軸徑尺寸會(huì)帶來(lái)一連串其他相關(guān)零件的裝配問(wèn)題，實(shí)際上行不通。所以增大過(guò)渡圓弧圓角尺寸是較為可行的方法。而降低主軸應(yīng)力集中系數(shù)也只能是在過(guò)渡圓弧圜角尺寸上做文章。增大過(guò)渡圓弧豳角尺寸理論上可以改善主軸應(yīng)力集中系數(shù)，具體能否改善還得通過(guò)詳細(xì)計(jì)算才能知道；提高主軸過(guò)渡圓弧區(qū)的強(qiáng)度和表面精度也可以降低該區(qū)的應(yīng)力集中狀況。而通過(guò)我們的詳細(xì)計(jì)算，確定可以將主軸過(guò)渡圓弧圈角尺寸由原來(lái)的R160mm增大到R285mm，而不影響其它零件的裝配。由于原過(guò)渡圓弧圓角尺寸r與主軸小端軸徑d的比值r/d=160/489=0.32>0.25，通過(guò)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)>得知，當(dāng)r/d的值大于0.25以后，純粹的增大過(guò)渡圓弧圓角尺寸已不能降低該區(qū)的疲勞缺口應(yīng)力系數(shù)。故過(guò)渡圓弧圓角尺寸的增大對(duì)降低該區(qū)的應(yīng)力集中狀況沒(méi)有變化。但增大過(guò)渡圓弧圓角尺寸，可增大主軸的徑向截面尺寸，故而可增強(qiáng)主軸的抗彎強(qiáng)度。并且通過(guò)提高主軸過(guò)渡圓弧區(qū)的強(qiáng)度和表面精度也可以降低該區(qū)的應(yīng)力集中狀況，如此便可改善主軸圓弧過(guò)渡區(qū)的抗彎性能，從而降低該區(qū)發(fā)生斷裂的概率。
故我們決定，為改善主軸過(guò)渡圓弧區(qū)的抗彎強(qiáng)度和應(yīng)力集中狀況，將主軸過(guò)渡圓弧的圓角尺寸增大到R285mm．同時(shí)提高主軸過(guò)渡圓弧區(qū)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和表面精度。
顯而易見(jiàn)，增大主軸過(guò)渡圓弧圓角的尺寸，必然會(huì)增強(qiáng)主軸的抗彎強(qiáng)度，故對(duì)其詳細(xì)的校核計(jì)算本文從略。
還有，要防止主軸斷裂，還可以通過(guò)改變主軸材質(zhì)以提高主軸的整體機(jī)械性能來(lái)實(shí)現(xiàn)，以利達(dá)到提高主軸整體韌性和增強(qiáng)主軸抗彎強(qiáng)度的目的。那么我們可以對(duì)該斷裂主軸的材質(zhì)和機(jī)械性能進(jìn)行取樣分析和實(shí)驗(yàn)，并同國(guó)內(nèi)不同牌號(hào)的合金結(jié)構(gòu)鋼的機(jī)械性能對(duì)照比較，找出性能更加優(yōu)越的材質(zhì)來(lái)。如能找到，那么該主軸國(guó)產(chǎn)的條件就基本具備了。
三、國(guó)產(chǎn)材質(zhì)的選擇
1．通過(guò)取樣并化學(xué)分析，該主軸化學(xué)成分如下表：
通過(guò)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》與我國(guó)國(guó)內(nèi)合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)相對(duì)照，其化學(xué)成分近似于40CrMddo。
2．通過(guò)取樣并進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，該主軸的實(shí)際機(jī)械性能如下表：
3．通過(guò)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，并咨誨國(guó)內(nèi)有關(guān)廠家，我國(guó)現(xiàn)用于破碎機(jī)及提升機(jī)主軸的材料主要有四種，它們是：20CrNiMo、40CrNiMoA、40CrIdnMo、42CrMo它們的機(jī)械性能參數(shù)對(duì)照如下表：
20CrNiMo鍛造、熱處理性能較好，在采用滲碳、淬火工藝時(shí)，可具有韌性好、強(qiáng)度高、與軸承的結(jié)合部耐磨損的特點(diǎn)。小型旋回破碎機(jī)使用較好，在大型旋回破碎機(jī)上應(yīng)用非常少，特別是這種主軸上嗤帶樹(shù)套的結(jié)構(gòu)形式完全沒(méi)必要采用滲碳、淬火工藝制造。
40CrMnMo可應(yīng)用于大型破碎機(jī)及提升機(jī)主軸，其淬透性好、強(qiáng)度高、韌性好，如能達(dá)到性能標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是很好的選擇。但該材料對(duì)氳極為敏感，極易產(chǎn)生氫脆——即白點(diǎn)，生產(chǎn)工藝中極難控制，故很少選用；
42CrMo廣泛應(yīng)用于大型破碎機(jī)、提升機(jī)主軸，其強(qiáng)度高、韌性好，可用于制造該破碎機(jī)主軸，但其韌性略低于40ClNiIIoA；
40CrNiMoA同樣廣泛應(yīng)用于大型破碎機(jī)、提升機(jī)主軸，其淬透性好、強(qiáng)度高、韌性好，主要機(jī)械性能優(yōu)于原破碎機(jī)主軸。并且其生產(chǎn)工藝成熟、機(jī)械性能穩(wěn)定，替代原軸樹(shù)質(zhì)應(yīng)該是非常不錯(cuò)。
故經(jīng)過(guò)以上種種分析對(duì)比．并咨詢(xún)洛陽(yáng)礦山機(jī)械研究院有關(guān)專(zhuān)家，主軸國(guó)產(chǎn)材質(zhì)我捫最終選擇40CrNiMoA。
四、工藝措施的制定
材質(zhì)和尺寸確定后，下面要做的就是怎樣確保主軸的加工質(zhì)量滿(mǎn)足使用要求。關(guān)鍵的就是要制定嚴(yán)格的加工工藝并嚴(yán)格實(shí)施。經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究分析，我們最終確定了如下的加工工藝。
1．冶煉
冶煉采用∞噸鋼錠，進(jìn)行真空澆注、真空脫氣，并采取特殊措施確保澆注和脫氣時(shí)的真空度及真空時(shí)間，化學(xué)成分符合JBT6396 - 92大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件用鋼成分標(biāo)準(zhǔn)：
2．鍛造
脫模后熱送到鍛壓車(chē)間保溫，并緩慢升溫至鍛造程度，整個(gè)過(guò)程絕對(duì)蔡止快速升沮。采用不低于6000噸的水壓機(jī)自由鍛造，鍛造比不小于3．鍛后需經(jīng)過(guò)一次去氫遇火，兩次正火處理。正火采用壓縮空氣四周均勻、快速冷卻，以確保晶粒細(xì)化，并消除氫脆現(xiàn)象；
3．粗加工
選在061160臥式車(chē)床上進(jìn)行粗加工，并留有足夠的半精車(chē)余量；
4．探傷
粗加工完畢后，需對(duì)工件進(jìn)行表面裂紋和內(nèi)部缺陷探傷，探傷標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《鍛件超聲波探傷質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)) Q/IK905 - 92符合軸類(lèi)鍛件中提升機(jī)主軸的要求：
5．熱赴理
在3Mx6M臺(tái)式熱處理爐中進(jìn)行。熱處理硬度HB263 -293.，650℃保溫4小時(shí)．860℃保溫10小時(shí)，油冷2小時(shí)，空冷15分鐘，油冷1～1.5小時(shí)，480-500aC保溫20小時(shí)，350℃保溫4小時(shí)，冷卻至250 ℃；
6．機(jī)械性能檢潮
本體取樣，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行‘大型合盒結(jié)構(gòu)銅鍛件機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn))JB-T6396-92中關(guān)于40CrNiMoA機(jī)械性能的要求；
7．豐精車(chē)
半精車(chē)時(shí)頂留精車(chē)余量：
8．第二次振傷
標(biāo)準(zhǔn)同上：
9．精車(chē)
按圖精車(chē)，滿(mǎn)足圖紙要求；
10．精磨
精磨R25過(guò)渡圓弧表面并碾壓，該表面不得有任何徽細(xì)劃痕；
11．鏜
鉆屑各孔，并攻絲。去毛刺，倒棱邊，工序完成。
附改進(jìn)后的50-65主軸上部結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)圖（見(jiàn)圖2）：
按照以上所確定的工藝方案，我項(xiàng)目部在洛陽(yáng)某廠將50-65M-Ⅱ旋回破碎機(jī)主軸試生產(chǎn)出來(lái)后，于2002年7月11日將其安裝到50-65M-Ⅱ旋回破碎機(jī)中運(yùn)行，至今該主軸已連續(xù)運(yùn)行了近3000小時(shí)，其中第2件主軸也已連續(xù)了約2000小時(shí)，現(xiàn)在兩主軸各部位均反應(yīng)正常。表明該50-65M-Ⅱ旋回破碎機(jī)主軸的國(guó)產(chǎn)化改造方案已完全達(dá)到安裝及使用要求。
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