劉學軍　馮濤

（北京工商大學材料與機械工程學院）

錘片式飼料粉碎機是一種常用的飼料生產機械，它的兩種零件錘片和銷軸經常由于失效而需要更換。為更換這些零件，就需要停機檢修；這樣既增加了飼料生產的成本，又浪費了飼料生產的時間。因此對錘片和銷軸的失效形式和機理進行分析以提高它們的使用壽命具有十分重要的意義。錘片和銷軸的失效與自身的材料、結構尺寸、制造丁藝，特別是熱處理丁藝、機器的運行參數以及飼料顆粒的性質等因素有密切關系。因為這些影響因素比較多而且也比較復雜，在研究失效原因時如果考慮全部因素，則會使研究的難度變得很大；所以本文以中碳鋼AIS11045為例，重點研究錘片和銷軸的熱處理工藝與其失效形式和機理之間的關系，從而為這兩種零件的失效分析提供一些有益的思路和方法。另外，為更有效地減少錘片和銷軸的磨損，也考慮了它們二者之間在表面光潔度和硬度上的匹配關系，也有必要研究如何通過試驗來確定它們二者之間Z佳的表面硬度匹配關系。

1、錘片和銷軸的失效形式和機理

錘片和銷軸的失效形式主要有早期磨損和斷裂。早期磨損可分為兩種：一種是指錘片和銷軸在達到通常的使用壽命之前很早就在它們的配合面上發生過度的磨損，即原來圓形的錘孔變成橢圓形狀，而銷軸表面則出現較深的凹槽。以致錘片和銷軸在運行中發生強烈的振動，令粉碎機無法正常地工作。另一種早期磨損是指用于打擊和切碎飼料顆粒的錘體很早就發生過度磨損，也使得機器無法有效地粉碎飼料。錘片的斷裂是指錘體折斷成兩截，這會造成轉子轉動的不平衡，從而引起整機振動。錘片的斷裂一般是由材料的缺陷或者不當的熱處理工藝或者硬質合金堆焊工藝造成的。銷軸的斷裂一般是由于其承受交變的彎曲應力以及接觸應力從而發生疲勞失效所造成的，它可能斷成兩段。由于飼料粉碎機是高速旋轉機械，這兩種零件如果發生斷裂就很可能擊毀其他零件，甚至會打破機器外殼，從而造成嚴重的后果。因此改進錘片和銷軸的制造工藝特別是熱處理工藝以防止它們發生斷裂就顯得尤為重要。

2、錘片的熱處理工藝和失效分析

錘片的機加工工藝很簡單，只需要將買來的長條形鋼錠按設計圖紙的要求把它軋成一段一段的，然后送入沖床中，將錘體上的圓孔沖出即可。中碳鋼錘片的熱處理規范通常為整體淬火，表面硬度為42～47HRC。從錘片的丁作情況來看，只需要表面耐磨即可，并不需要其心部具有足夠的韌性。因此絕大部分的錘片都不需要進行表面硬化熱處理，這將大大降低錘片的制造成本。現在也有一些廠家對部分錘片采用別的工藝來提高其耐磨性．比如在錘片表面進行硬質合金燒結或碳化鎢硬質合金堆焊。對于后者工藝，錘片的失效分析可參見文獻。

當經整體淬火的錘片發生失效時，首先應測量錘片的表面硬度。其具體步驟如下：用切割機將失效的錘片切下一片試樣，用電動砂輪將此試樣的兩面部磨光以除去飼料或浮塵顆粒。然后用手動洛氏硬度計測Z其表面硬度，可測量位置不同的多個點。如果所測得的硬度值比上述熱處理規范所規定的低，那么可以從以下3個方面找原因。一是將制造錘片的板材送到權威的金相分析機構去測量其含碳量。如果此禽碳量低于中碳鋼的含碳量，可能造成其淬透性和淬硬性變差。第二是檢查熱處理爐膛是否有邊緣冷效應。有些熱處理爐膛壁面的絕熱性能不好，特別是在爐門附近的敞熱較厲害，致使放置在那些地方的錘片的加熱溫度不夠或受熱不均勻。第三是檢查淬火介質的冷卻效果，考慮是否需將現有的淬火介質更換為冷卻速度較快的淬火液。

如果經過測量發現失效錘片的硬度符合上述的熱處理規范，那么就應首先檢查一下所粉碎的飼料。如果飼料中不小心混有誤入的硬質異物，如石子、砂粒、鐵釘之類的東西，那么錘片就會發生早期磨損甚至斷裂。當然錘片的斷裂也有可能是由于另外一個原因造成的，即錘片在淬火時的冷卻速度過快，從而造成了內部的微裂紋。在這種情況下，可考慮降低其冷卻速度或在整體淬火后再安排一次低溫回火。

3、銷軸的熱處理工藝

在錘片式粉碎機運轉時，銷軸表面具有交變的彎曲應力和接觸應力，而且還會受到沖擊和振動。因此銷軸不僅需要表面耐磨，而且還要求其心部具有一定的韌性，所以銷軸必須進行表面硬化熱處理。常用的兩種表面熱處理方式是滲碳和感應加熱淬火。采用滲碳熱處理的銷軸的硬化層深度一般都比較小，否則需要滲碳保溫的時間將會大大延長，從而顯著地增加了熱處理的成本。本文推薦采用感應熱處理方式。因為由這種工藝得到的銷軸其表面硬度較高，硬化層深度較大，熱處理速度較快，工藝過程易于實現自動化，能對熱處理工藝參數進行精確控制。 

?銷軸制定表面熱處理規范時主要是考慮材料的含碳量和銷軸的工作條件（特別是載荷條件）。根據文獻，感應加熱淬火所能得到的表面硬度可用如下公式來計算。

對于中碳鋼AISI1045，代表含碳量的C用0.45代人，得到表面硬度為58.2 HRC。

一般情況下，對于受交變載荷的軸桿件，其淬硬層深度為桿半徑的15%～20%，以提高零件的彎曲疲勞強度。另外中碳鋼通過感應淬火所能得到的Z大硬化層深度為4 mm。綜合考慮以上幾個因素，我們通常將中碳鋼AIS11045制成的銷軸的表面熱處理規范定為：表面硬度55—60 HRC，硬化層深度為2.5～4 mm，心部硬度30 HRC左右。

對銷軸的感應熱處理采用的是連續加熱淬火法，其原理如圖1所示。 

由圖l可知，銷軸豎直放置，其兩端由上、下兩個夾具固定。環形的自噴式感應器在由下向上的勻速移動過程中對銷軸進行連續加熱，同時對其噴射淬火液進行冷卻。另外為保持加熱和冷卻的均勻性，在感應器移動過程中，銷軸由下面的工作臺通過夾具帶動其繞中心軸轉動。操作者可通過控制器來設置參數以控制感應器的移動速度和滯留時間。一般情況下，感應器需要在銷軸的上下兩端滯留加熱1～2s，以消除熱處理的邊緣效應。另外在加熱結束后，還必須讓感應器的淬火液持續噴射在銷軸上端以下部分達30 s之久。在感應熱處理結束后，一般還要采用冷壓矯直法將這些銷軸的熱處理變形進行矯正。

4、銷軸的失效分析

如果銷軸發生失效，應首先對其進行顯微硬度測試，以檢查它是否符合上述的表面熱處理規范。具體做法是將失效的銷軸切下一小段，用不同粒度的砂紙將其橫截面磨光，并通過熱靼料成形模具將其制成金相試樣。然后用顯微硬度計測量其橫截面上的硬度分布規律，并作出如圖2所示的硬度曲線。

由圖2可知，A點表示的是銷軸的表面硬度，B點表示的是熱處理規范中表面硬度值下限55 HRC的80%，即44 HRC．AB對應的徑向距離就是硬化層深度。D點表示的是銷軸心部的硬度，C點僅比銷軸心部的硬度略微高一點，BC對應的徑向距離就是過渡層厚度。此硬度曲線對分析銷軸的熱處理工藝與其失效現象之間的內在關系是相當重要的。如果銷軸發生早期磨損或表面出現較深的凹槽，那么其表面硬度一般低于熱處理規范所規定的值。此時需要通過控制器調整感應淬火的工藝參數，比如降低感應器的移動掃描速度，延長淬火液噴射冷卻的滯留時間等等。另外，必要的時候可能還需要檢查銷軸材料的含碳量是否太低。

如果銷軸發生斷裂，那么通常是由于疲勞失效造成的，其原因主要有兩種。種原因是指圓盤上支撐銷軸的銷孔磨損太大；銷軸和銷孔之間的配合間隙過大，從而造成銷軸在機器運轉時發生強烈的振動，致使其交變應力的幅值急劇增大，Z終超過了材料的疲勞極限。為避免這種情況的發生，用戶應經常檢查圓盤的銷孔及銷軸的兩端，如果發現過度磨損，需及時更換圓盤或銷軸。第二種原因是指圖2所示的過渡層厚度太大；因為過渡層較厚會使得銷軸的表面壓應力下降，并在其淬硬層內出現兩次拉應力峰值，疲勞源增多，從而使銷軸的疲勞強度大大降低。理想的過渡層厚度大約為硬化層深度的一半，但由于在熱處理過程中很難精確控制過渡層的厚度，因此在表面熱處理規范中一般不具體規定過渡層的厚度是多少。過渡層厚度過大通常是由熱處理丁藝參數設置不當造成的。改進的方法是提高感應器的移動掃描速度，同時增大加熱功率以提高升溫速度，從而改變硬度曲線的形狀。

有時所需感應淬火的銷軸的直徑較大，但受到現有熱處理設備Z大加熱功率的限制，為滿足熱處理規范中對表面硬度和硬化層深度的要求，操作者不得不對感應器設置極低的移動加熱速度；這樣勢必會造成較厚的過渡層，從而削弱了銷軸的疲勞強度。另外，直徑較大的銷軸本身義有更多的材料處于高應力區，更容易出現疲勞裂紋，因此它們比直徑較小的銷軸更容易發生疲勞失效。筆者多年的實踐經驗也證明了這一點，在此提兩個建議來解決這個問題：一個是對大直徑銷軸先預熱后再進行表面感應淬火，可使拉應力峰值移向更深的內層以減少疲勞源的產生，從而提高疲勞強度。另一個就是采用加熱功率更大的表面熱處理設備，這種方法Z簡單，但需要投入更多的資金來購置新設備。

5、錘片與銷軸的匹配

過去人們在考慮提高錘片和銷軸的耐磨性和疲勞強度時，通常只是把它們作為單個獨立的研究對象來改進它們的結構設計和制造工藝，很少會去考慮它們二者之間如何有效地進行匹配。錘片與銷軸的匹配主要包括二者之間接觸表面光潔度的匹配關系和二者之間接觸表面硬度?匹配關系。理論上講，為提高疲勞強度，銷軸表面和錘孔內壁表面都應進行精加工以提高接觸表面的光潔度；但如此一來勢必大大增加銷軸和錘片的制造成本。通常的做法是銷軸表面不進行任何旨在提高表面光潔度的機加工，但是對錘孔內壁面需要進行機加工。原因是如前所述錘孔是由沖床沖壓出來的，其內壁表面很粗糙，特別是在錘孔兩端還具有兩個尖角。這些都使得錘孔極易在銷軸表面上產生劃痕，為將來銷軸的疲勞失效提供了潛在的初始裂紋源。為解決這個問題，可以在錘孔兩端車出兩倒角，同時對錘孔內壁表面進行切削量很小的車削。這樣既不會過分增加錘片的制造成本，又可以有效地提高?軸的疲勞強度。

至于錘片與銷軸之問的接觸表面如何進行Z佳的硬度匹配，這是一個十分復雜的問題。它涉及到磨損機理、振動力學特性、接觸表面的材料屬性、熱處理工藝、環境條件等諸多影響兇素，迄今為止筆者還未發現前人在這方面的研究工作。相關的論文通過試驗研究了一對作為摩擦副的齒輪，它們的硬度差對磨損壽命的影響，其結論是增加摩擦副的硬度差有利于降低磨損。如果此結論也同樣適用于錘片與銷軸這一對摩擦副的話，那么為減少磨損，理論上應增大銷軸的表面硬度并減小錘孔內壁表面的硬度。但是對于現有的中碳鋼銷軸，經感應淬火后其表面硬度已高達60HRC，要想通過熱處理來進一步提高此表面硬度將非常困難。另一方面對于整體淬火的錘片，只試圖降低錘孔內壁表面的硬度而同時不削弱錘片的耐磨性也幾乎是不可能的。為此，設想了一種試驗來尋找錘片與銷軸之間Z佳的硬度匹配關系。在這個試驗中，材料為中碳鋼的銷軸仍采用感應淬火以得到大約60HRC的表面硬度。材料同為中碳鋼的錘片不進行整體淬火，而是通過表面碳化鎢堆焊處理來保證其耐磨性；然后只對其錘孔的內壁表面進行感應淬火，通過調節加熱功率和冷卻速度可制成若干個具有不同錘孔內壁表面硬度的錘片，再將它們分別與前述的銷軸在飼料粉碎機中進行匹配試驗。運行一定時間后，分別測量銷軸表面和錘孔內壁面的磨損量，然后作出表示磨損量與錘孔內壁表面硬度之間關系的試驗擬和曲線，從而確定Z佳的表面硬度匹配關系。當然為了讓試驗結果具有更大的工程實際應用價值，在試驗中可同時考慮錘片式粉碎機的轉速、功率、飼料種類等因素對此匹配關系的影響，并將此影響反映在上述的試驗擬和曲線中。這種試驗對減少錘片和銷軸的失效并提高它們的使用壽命應該是大有幫助的。

6、結束語

通過對這兩種零件的失效分析，發現了它們的失效形式與其熱處理工藝之間的內在關系。比如對于大直徑銷軸，由于感應淬火的工藝參數設置不當產生了較厚的過度層，從而削弱了其疲勞強度；對此提出了在感應淬火之前先進行預熱的解決方案。Z后還研究了錘片和銷軸之間的匹配關系，特別是二者之間硬度的匹配關系，并提出了具體的試驗方案以尋找Z佳的硬度匹配關系。此試驗結果對減少錘片和銷軸失效的發生并延長其使用壽命將具有很大的實際意義。

來源：《糧食與飼料工業》