轴类零件的再制造技术工艺研究

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做废铁卖掉，忽视了废品再利用的巨大价值。对于双排链轮轴也-样，-旦出现局部磨损破坏 ，就会导致零件的报废，造成巨大的浪费，因而寻求对轴类工件的修复工艺具有十分重要的意义。

42CrMo钢硬度较高，具有硬度高、耐磨性好、热膨胀系数孝抗腐蚀性好，价格适中等优点，应用范围愈来愈广。当其堆焊后表面硬度很大，但常规的加工方法难以胜任对这种堆焊层的加工，所以必须针对硬质合金的加工开展特种加工方法的研究。

电解加工是加工硬质合金的特种加工方法之-。 它是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理将零件加工成型的。由于它既没有机械加工中的切削力和切削热的作用 ，也没有电火花加工中的热影响，同时又有加工效率高、 加工质量好等众多优点，是-种有效的加工方法，并且在加工成型规律、 阴极设计以及加工基础规律等方面已经积累了丰富的资料 。 。因此，非常适用于对焊缝表面区域进行再加工，得到成型质量好，且具有优良力学性能的的表面组织。

1 基本问题与基本原理1.1双排链轮轴本文所研究轴类零件--双排链轮轴在实际收稿日捌：2013-04-18作者简介：李立峰 (1989-)，男，甘肃会宁人，研究生，研究方向为激光表面改性技术及电解加工领域。

[162] 第35卷 第6期 2013-06(I-) l 訇 出表1 实验材料成分材料 成分C M g Cr M0 Cu M n P Si S Fe42CrMo038～O.45% 0.50～ 0-80% 0.90～ 1.20% 0.15～ O-25% ≤0.030% 0.50～ 0.80% 0.035% O.17～ O.37% 0.035% else使用过程中，很容易在安装法兰盘的地方出现磨损破坏 ，造成局部破坏，最终导致整个零件难以继续使用。容易出现破坏的位置如图1中所示。

图 1 双排链轮轴 磨损实物图双排链轮轴磨损破坏 以后 ，要进行表面修补，可以采用各种堆焊技术，它们是利用焊接方法进行强化和修复机械零部件表面的-种技术。

可以去除零部件缺陷、恢复零部件力学性能和几何尺寸、改变零部件表面 的化学成分和组织结构、延长零部件的使用寿命，具有重要的经济价值。此外，激光熔覆也是很常用的-种表面强化方法。当进行表面堆焊或者熔覆后，会出现表面硬度过大，不适用于传统的加工，所以电解加工应运而生。

1.2 电解加工基本原理电解加 工 (electrochemiCal machining，ECM)是利用金属在电解液中发生阳极溶解反应而去除工件上多余的材料、将零件加工成形的-种方法。电解加工硬质合金时，硬质合金工件与直流电源的正极连接，称为阳极；工具与直流电流负极连接，称为阴极。两电极之间保持-定的间隙，间隙中通过高速流动的电解液。在直流电流的作用下，阳极金属不断溶解进入电解液中，阴极上析 出气体。阴极不断进给，阳极不断溶解，直至阳极工件加工到所需的形状为止。整个加工过程在常温下进行，工件始终不与工具阴极相接触。电解加工前，将电源的正负极分别与工件和电极连接，将电解液泵安装在盛有电解液的水槽中。电解加工开始后，将电源接通，电解液泵不断将电解液抽出，使其流过工件与电极头之间的间隙，起到导电作用。工件就会在电化学作用下不断被加工、去除，得到最终需要得到的形状。

1.3双排链轮轴的电解加工双排链轮轴的电解加工采用电解车工艺方法，它是电解加工扩大应用的-种工艺方法。目前，已用于航空发动机的环形件、薄盘件以及定子整流叶片等的加工。应用这种方法还可以加工细长的轴类回转体工件。电解车是以工件旋转，阴极作径向或轴向进给而进行加工的。因此，它能提高工件的加工精度和光洁度，延长工具忧的寿命，同时，采用小面积的阴极加工，可以用有限的电源容量加工较大的工件面积。它的基本原理图如图2所示。由于轴类零件不同截面的直径是不同的，实验过程中为了方便研究，在-组实验中，仅针对同-直径的表面进行阴极设计。

图2 电解车加工轴类回转体零件示意图2 试验安排2.1实验材料本实验的加工对象为双排链轮轴，其成分为42CrMo，具体的合金成分如表1所示。

2.2试验修复机械产品的再制造经过了相当长时间的应用和实践，再制造技术也得到了不断的发展，目前常用到的再制造技术有电刷镀技术，热喷涂技术，堆焊技术，激光表面熔覆技术。本文采用表面堆焊与激光熔覆。

表面堆焊焊条分别为J507和D212，其化学成分如表2所示。

表2 焊条的化学成分 (质量分数%)焊条 C Mn Si Mo CrJ507 O.1O 0.85～ 1.4 0.65D2l2 0.3N 0.6 4.00 5.oo将母材用晶粒度200～1000的砂纸逐级打磨后，用酒精清洗表面油污。然后将母材与焊条-第35卷 第6期 2013-06(上) [1631务I 匐 似起预热到250℃，保温2h；保温结束后立即进行手工电弧堆焊，其工艺参数如表3所示。

表3 表面堆焊的工艺参数焊接电流 l 焊接电压 I 焊接速度95～105A l 22～25V I 150200mm/min为便于进行对比，我们采用 的激光熔港末是由Fe粉、FeCr粉 (Fe占70%，质量分数 )、FeMo粉 (Fe占50%，质量分数)配成的FeCrMo粉末和FeCr粉末，颗粒大小为200300目，其配比方案及化学成分如表4所示。

表4 合金粉末A和B的配比方案及其化学成分合金 Fe/% FeCr/% FeM0/% Fe，% Cr，% Mo/%FeCrMo粉末 75-3 16.7 8 91 5 4FeCr粉末 83-3 16.7 0 91 5 0将母材用品粒度200～1000的砂纸逐级打磨后，用酒精清洗表面油污～工件预热250C，保温2h；然后将粉末均匀涂覆至工件表面，使其厚度为0.3mm，最后进行激光熔覆，其工艺参数如表5所示。

表5 激光熔覆的工艺参数激光功率 l 焊接速度 l光斑直径 l 保护气体流量1550W l 3 mm/s l 0.6mm l 25L/min2.3 耐磨性与硬度测试焊后待测部位制成7×7×25mm的试样，在MM-200型磨损试验机上进行母材、堆焊层和熔覆层的耐磨性试验。摩擦工况为干磨滑动摩擦，加载为5kg，转速为200r/min，实验时间为1h。试验后采用公式 R sn - √ ( -L (1)式中：V为磨损体积；其 中B为磨痕宽度；L为磨痕长度；R为磨轮半径。

耐磨性实验后，用自动转塔数显硬度计测试熔覆层的显微硬度，沿焊缝表面在10kg载荷下测量3次求平均值。

本试验表面堆焊选用Miler Dimension TM 372型焊机；激光熔覆设备主要由JK2000M型激光焊机与其配套的TDJG-1型多轴数控激光加工机床组成。

焊后用MM-200型磨损试验机进行耐磨性实验；用自动转塔数显硬度计测试熔覆层的显微硬度。

2.4修复试验为便于研究，选择堆焊方法进行修复，试验[1641 第35卷 第6期 2013-06(上)前先采用打磨除锈，然后利用手工电桓进行堆焊，本实验为了研究清楚，堆焊面积比较大，堆焊完的形态如图3所示。

-图3 表面堆焊形态堆焊完之后，进行电解加工试验。试验仪器为型号是PHECMC6132-750的电解车削机床；阴极材料为黄铜；电解液选择30%的NaNO 水溶液；电解液温度为40℃。电流密度依据机床自身系统所测出的电流计算出来，作为试验的-个指标。

试验分静止加工与旋转加工两部分。静止试验主要研究电解加工的几个基本参数的关系，接着采用不同的主轴旋转频率，进行试验。静止加工采用正交实验法研究电解电压、加工初始间隙、加工进给速度与电流密度之间的关系。由以上研究得出最终合理的加工工艺 ，进行双排链轮轴的整体加工。

2.5试验参数的选择在电解加工中，电解液的组成必须与工件材料匹配。-种电解液性能的好坏，与工件表面生成的氧化物和金属盐是否容易溶解有很大关系。

由于NaC1电解液活性高，分散能力强，所以杂散腐蚀严重 ，对于42CrMo硬质合金并不适合，而NaNO 非线性电解液杂散腐蚀较轻，加工精度较高，很适合这种合金的加工，在本实验中采用浓度为30%的NaNO 电解液。在选定了电解液之后，加工间隙是核心的工艺因素，它很大程度上影响电流密度，它是决定加工精度的主要因素，直接影响加工效率、表面质量，它受电尝流嘲电化学特性三方面多种复杂因素的影响。主要体现在工件阴极以及加工参数方面。在本实验中，在阴极设计确定之后，加工效果主要与加工参数密切相关。而在所有的加工参数中，加工电压U，进给速度v、初始加工间隙△0、水压及电流密度是最关键的几个参数，这几个参数之间互相影响，为了得到良好的工艺，工艺参数之间必须协调和匹配，所以利用正交试验来研究这些参数，得到良好的加工工艺。

l lI5 化2.6试验过程试验中选用L34正交试验表，34-因素：加工电压、加工初始间隙、加工进给速度，所有因素取三水平，如表6所示。试验的指标为电流 (即电流密度)以及表面粗糙度。表7是试验方案及结果。

表6 正交试验因素水平表 因素 A电压 B初始间隙 C进给速度v D水压P承乎 u(v) △0(mil1) (mm/min) (Mpa)1 20 0.4 0-3 1.O2 14 0.2 O.2 O.83 8 0.1 0.1 O.5表7 试验方案及结果水平 试验条件 试验结果试验号 初始 进给 电流 表面 组合 电压 水压间隙 速度 密度 粗糙度1 AlBlClDl 20 0.4 03 1.0 15 0.52 AlB2C2D2 20 O-2 0.2 0.8 13 0.83 A1B，C3D3 20 O.1 O.1 0.5 18 0.44 A2B1C2D3 14 O-4 0.2 O.5 8 1.05 A2B2C3D1 14 O.2 O.1 1.O 10 1.06 A2B3ClD2 14 0.1 O3 0.8 12 O-87 A3BlC3D2 8 04 O.1 0-8 5 1.28 A3B2ClD3 8 0.2 03 O.5 7 1.29 A3B3C2Dl 8 O.1 0.2 1.O 10 0.8对 得 到 的 电 流 密 度 与 表 面 粗 糙 度 进 行分 析 ， 得 到 静 止 加 工 的 参 数 ， 然 后 进 行旋 转 加 工 试 验 ，其 中加 工过 程 采 用 1.5 H Z2.0Hz，2.5Hz，3.0Hz，3.5Hz，4.0Hz六种主轴旋转频率。加工效果的优劣，间接也证明了在六种情况下流场的好坏。

3 结果与讨论3.1修复结果结果与讨论耐磨性实验结果如表8所示。

表8 试样耐磨性比较磨痕宽度 磨损体积 增加比例 试样 相对耐磨性/mm /mm /%母材 4.196 1.830 1J507 4.O04 1.610 O.88 12D212 3.256 0.865 0.473 52.7FeCrMo粉末 3.639 1.193 O.652 34.8FeCr末 3.433 1.001 0.55 45从表8可以看出，母材的磨损体积最大，显示了母材的耐磨性在这些试样当中是最差的：经过J507和D212表面堆焊后，其耐磨性分别提高了12%和52.7%。很显然，D212堆焊层具有很好的耐磨性。而与D212焊条合金成分相近的FeCrMo粉末和FeCr粉末熔覆层，其耐磨性分别比母材提高了34.8%和45%，与D212堆焊层耐磨性接近。

图4 不 同材料结合层硬度分布 曲线从图4可以看出，母材的硬度最低，其次为J507焊条堆焊层 。采用合金粉末以及D212焊条都具有较高的硬度，硬度都在65OHV以上，硬度最高的为FeCr粉末，平均硬度可以达到800HV左右，所以修复之后，不适合于常规切削方法的加工，所以进行电解柔性加工。

3.2正交试验结果与分析在进行了9组正交试验以后，记录试验中的电流稳定值，然后换算为电流密度，测量每-组的粗糙度。具体的数值及极差分析如表9所示。

表9 极差分析表因素水平 B初始间隙△。 C进给速度v D水压P A电压u(v) (mm) (mm/min) (Mpa)K1 1.7 2.7 2.5 2-3l(2 2.8 3.0 3.0 2.8K3 3.2 3.O 2.6 2.6K1 0.57 0.90 O.83 0.77K2 O.93 1.O 1.O 0.93K3 1.07 1.0 0.87 O.87极差R O.5 O.1 0.17 0.16我们可以得到，对电流密度影响的顺序为：U>v>P>△0。从极差分析中我们得到较好的加工参数，即在电压为20v，初始加工间隙为0.4mm，进给速度为0.3mm/min，水压为1.0Mpa的情况下，电流密度合适，加工效果好。需要说明的是，这与先前研究的不考虑进给速度的最优加工参数有所区别，先前的研究中，控制进给速度-定，最终得到在加工电压20V，供液压力1.0MPa，初始间隙0.1mm的最优工艺。这说明了进给速度是电解加工另-个很重要的影响因素，此外先前加工的效果也很不错，说明了适用于电解加工的参数不止第35卷 第6期 2013-06(上) 11651圉 藜-叶 弱 吐运算量。仿真和实际加工测试验证了本文算法的可行性。与传统方法相比，本文方法不但能够实现基于曲率估计的自适应平滑速度规划，而且有效降低了小线段程序的前瞻处理运算量，有利于实现高性能数控加工。