呂世明
（山西省水工機械廠，山西太原 030002）
摘 要：通過對（duì）鑽機主軸斷裂失（shī）效的綜合分析（xī）研究，結合實際進行相應的科學合理（lǐ）的技術改（gǎi）進，從而（ér）有效提高了鑽機工作的可靠性。
關鍵詞：鑽機主軸；斷裂失效；失效分析；改進措施
引言
CZ-22鋼繩衝擊式鑽機適用於水利、道橋（qiáo）、建築等工程施工。施工環境差，載荷交變複雜，特別在卡鑽、打撈鑽頭（tóu）等處理（lǐ）孔（kǒng）內事（shì）故時，瞬間（jiān）載荷成倍增加。主軸作為（wéi）鑽機的核心零件，帶動衝擊機構和捲筒等工作機構，應力複雜。在工作中有（yǒu）時出現主軸斷裂失效的狀況，不僅給生產帶來損失，還容易發生人身事故。通過對主軸工作狀態（tài）、材料性能和加工安裝等環節的分析研究，製（zhì）定了改進錯施（shī），經運轉考（kǎo）查，未出現（xiàn）斷裂情況（kuàng），我們認為是一個比（bǐ）較經濟有效的方（fāng）法。
1 失效分析
1.1斷口分析
主軸（zhóu）斷裂位出現在衝擊齒輪和中（zhōng）間軸承（chéng）支座間，斷（duàn）麵與（yǔ）軸線成90度，無塑（sù）性變形特征，軸（zhóu）表麵有一個呈橢圓形疲勞源。
經斷口特（tè）征分析：主軸主要由彎曲、扭（niǔ）轉複合應力，而以彎曲應（yīng）力為（wéi）主，Z後以扭轉斷裂。應力集（jí）中來自主軸的表麵。由（yóu）於鑽（zuàn）機的結構，決定了主軸必（bì）須（xū）處於彎、扭衝擊（jī）交變載荷下工作，必須從製造安裝及熱處理等方麵進一步研（yán）究，確定Z主（zhǔ）要（yào）因（yīn）素（sù）及諸多複合因素。
1.2材料組織分析
主軸材料40Cr，調質後硬度26-32HRC。原（yuán）熱處理工藝如下：淬火溫度850℃正負10C，保（bǎo）溫85分（fèn）鍾，設備：台車式電爐，油淬（cuì）（20-60℃）回火（huǒ）溫度580℃正負10℃，保溫160分鍾，水（shuǐ）冷。設備：電爐。由於油淬冷（lěng）速低，淬火後組織中有遊離鐵素體存在，因其強度較低若沿晶界分布時，極易造成主軸斷裂（liè）。
1.3機械性能分析
按照上述熱出理工（gōng）藝處理的軸，其機械性能（如表1）。這樣（yàng）的性能，強度較高，韌性偏低，特別是衝（chōng）擊韌性較低，主軸在服役（yì）中，除（chú）受彎曲載荷（hé）外，還受忽大忽小的交變衝擊力，特別（bié）在處理孔內事（shì）故時更是如此。這就要（yào）求機械性能除高的強（qiáng）度外，還（hái）要有（yǒu）良好的衝擊（jī）韌性的（de）配合，方能有效的避免斷（duàn）裂失效。
1.4斷裂主軸的表麵質量分析
主（zhǔ）軸疲（pí）勞斷裂與應（yīng）力集中有直接的（de）關係。通過對斷（duàn）裂主軸表麵質（zhì）量檢驗（yàn），發現存在（zài）台階圓角半徑小、機加工劃痕等容易形成疲勞源，引起局部應力集中的缺陷，也是（shì）造成斷裂（liè）的主要原因。
1.5結構受力及使用維護分析
皮帶輪帶動主軸及其主軸（zhóu）上的鏈輪、捲筒和衝擊機構工作，主軸分別由（yóu）三個軸承支座固定在機架上，軸在支座上受彎、扭合力，特別是中間支座，若調整不當，軸在此處將（jiāng）會受到（dào）較大彎矩。皮帶輪受皮帶拉力的作用，給予軸的扭矩和（hé）其它機構產生的（de）扭（niǔ）矩想反，衝擊機構因為反複交變載荷，與鏈（liàn）輪一樣經常會受突（tū）然增大的負荷給軸很大的衝擊（jī）力，由此可以看出軸上受（shòu）到的應力是很複雜的，Z大複合應力出現在衝擊機構與中間軸承支座間。加之工作（zuò）環境惡劣，維護（hù）保養更差，軸的外表暴露在空氣中（zhōng），接觸泥水和各種（zhǒng）空氣（qì）介質多。因此引起應力集中的外力也（yě）較複雜。
1.6小結
通過上（shàng）麵分析，造成主軸斷裂的主（zhǔ）要原因：
1）斷裂為脆性疲勞斷裂。在反（fǎn）複交變載荷下，由表麵應力集（jí）中的地（dì）方出現微裂紋，逐漸擴展至零件有效截麵強度不（bú）足以承（chéng）受工作載荷或突然增大的載荷，發（fā）生突（tū）然斷裂。
2）造成應力集中的起因：主（zhǔ）軸機械加工中不（bú）符合要求，安（ān）裝工藝不當。
3）熱處理工藝不合（hé）理，顯（xiǎn）微組（zǔ）織中存有遊離鐵素體，綜合機械性能偏低。
4）鑽機使用維護不當。
2 改進措（cuò）施
2.1軸的（de）結構與機加工
軸的台（tái）階過渡園角按圖紙加（jiā）工，軸表麵在（zài）軸（zhóu）承裝配處一律磨削，嚴格控製在Ra<1.6um。鍵連接處Ra<0.8um，不允（yǔn）許（xǔ）有尖棱角及刀紋劃痕，軸（zhóu）的直線度及對各外園地（dì）同心度嚴格按圖紙技（jì）術要（yào）求製造。
2.2控製安（ān）裝精度
保（bǎo）證（zhèng）離（lí）合器齒（chǐ）輪的齧合精度，調整三（sān）個軸承座的安裝順（shùn）序，Z後調墊、緊固中間中間軸座，減消（xiāo）軸內應力。
2.3設備使用方麵
1）加強人員培訓，按操作規程施工。
2）根據地質條（tiáo）件製定施工方案。施工中及（jí）時觀察地層（céng）變化，調（diào）整工藝，盡量避免卡鑽及斷鑽等現（xiàn）象發生。
3）製定設備保養製度，確保主軸清潔（jié）和避免（miǎn）外力損傷。
2.4熱（rè）處理工藝改進
針對主軸（毛坯直徑85mm）工作時的受力情況和應力不均勻且集（jí）中間軸承座中在軸外緣的特點，熱處理後淬硬層不低於（yú）軸二分之一，同時盡（jìn）量避免遊（yóu）離的鐵素體的產生。借鑒合金鋼齒輪高頻淬火介質，經試驗（yàn），將聚乙烯醇和水玻璃按比例配成（chéng）複合介質，用於主軸調（diào）質淬火，熱處理工藝（如圖1）。
調製（zhì）後的主軸從不（bú）同位置取（qǔ）樣進行顯微組織觀察，表層為回火馬氏體（tǐ），距外緣20mm處為回火索氏體，心（xīn）部為回火索氏體和鐵（tiě）素體的混（hún）合組織。這種組織有利（lì）於提高主軸的疲勞強度，有利於阻礙疲勞源的形成和擴散。經“複合介質”淬火並高溫回火後，硬度（如圖2）。
由（yóu）下麵表數據看，機械性能優（yōu）於油淬，能夠滿足主軸使用要求。與水淬、油（yóu）淬性能對比（如表2）。
3 結論
主（zhǔ）軸（zhóu）經過以上措施改進後，在以（yǐ）後多（duō）年的實際運轉考察使用中，未出（chū）現斷裂情況，已被（bèi）廣泛使用在生產實踐中。
參考文獻
[1]戈康達.金屬的疲勞與斷裂[M].上海科學技術出（chū）版社，1986.
來源：《機械管理開發》2015年第5期
