对C6301车床中心架支撑爪耐磨性改善研究

孙明月 郑卫刚

(武汉理工大学, 湖北430063)

在生产中，长轴类工件的加工往往需要支撑架，目前普通车床上普遍通过使用中心架来支撑长轴，配合顶尖进行加工。中心架关键部件是支撑爪，C6301车床通常采用三个前锥形支撑爪来支撑长轴，见图1。支撑爪的材料硬度必须低于长轴材料硬度，以保证长轴加工过程不被磨损。

图1 C6301机床中心架Figure 1 C6301 lathe center frame

1 常用轴类材料分析

根据承受载荷的不同，轴件可分为转轴、传动轴和心轴三种，本文主要以转轴为例进行分析。

目前各类机械轴类材料有普通碳素钢、优质碳素钢、合金钢、铸铁。普通碳素钢因其不能承受重载荷而较少使用，优质碳素钢则被广泛使用，合金钢用于重载荷轴，铸铁则常用于曲轴和凸轮轴。各材料硬度如表1所示。在选择支撑爪材料时，材料硬度必须低于所加工长轴的硬度。

2 支撑爪现状分析

工厂普遍使用球墨铸铁作为支撑爪材料[1]。球墨铸铁与转动工件直接接触，运动的长轴势必造成支撑爪的磨损，内凹严重，如图2所示。

表1 常用轴件材料硬度Table 1 Hardness of common shaft materials

图2 被磨损的支撑爪Figure 2 The abrasive supporting claws

据粗略统计，工厂加工长轴时，平均每台车床每周更换一次中心架支撑爪。由于磨损严重，在加工长轴时还需要不定时地紧固支撑爪螺旋，而且由于三个支撑爪磨损状况不同，会造成轴件的加工精度降低甚至使轴件报废。

3 改进方案研究

镍硬铸铁是在普通白口铸铁的基础上加入3.0%～5.0%的镍和1.5%～3.5%的铬，得到非常硬而且耐磨的马氏体基体+M3C型碳化物组织。镍和铁的无限固溶能有效地提高淬透性，促使形成马氏体-贝氏体基体，同时镍能稳定奥氏体。铬的加入可以阻止石墨化，促使形成碳化物，并提高M3C型碳化物的硬度，由不含合金时的900～1 000 HV提高到1 100～1 200 HV，符合低于轴类材料硬度的要求。镍硬铸铁的耐磨性优于普通白口铸铁，在采矿、电力、水泥、陶瓷和铸造等行业得到较为广泛的应用。耐磨材料中，锡磷青铜以及铝铁青铜也经常被采用，但是铜材料较铸铁价钱要高，同时合金冶炼控制技术比较复杂，综合考虑材料性能及经济因素，支撑爪材料选择镍硬铸铁更优。

显微观察显示，未经热处理的镍硬铸铁是由马氏体及碳化物结构组成，见图3。实验证明镍硬铸铁的马氏体碳化物结构比同样硬度或较高硬度的其它结构要优越些， 耐磨性更好[2]。

4 性能试验

采用传统铸造工艺(忽略因铸造所带来的影响)铸造镍硬铸铁材质的中心架支撑爪30个，未经热处理的15个分别装入五个中心架，编号1#，球墨铸铁支撑爪30个，未经热处理的15个分别

装入五个中心架，编号2#。选择提高硬度最优方案，对剩余的镍硬铸铁及球墨铸铁支撑爪进行热处理。经热处理的镍硬铸铁[3]装入五个中心架，编号3#，经热处理的球墨铸铁装入五个中心架，编号4#。选择加工的长轴均为D=300 mm，L=0.75 m，机床选择C6301型号，支撑爪示意图见图4。对其进行耐磨性测试，结果见表2。

测试结果显示，未经热处理的镍硬铸铁耐磨性高于球墨铸铁，经热处理后，镍硬铸铁耐磨性[4]也高于球墨铸铁。

图3 镍硬铸铁显微图 Figure 3 The micrograph of Ni-hard cast iron

图4 未磨损支撑爪示意图Figure 4 Unworn supporting claws

试样编号材料名称热处理支撑爪加紧载荷/N润滑形式圆盘转速/r·m-1测试时间/h测试后长度 L/mm(平均值)1#2#3#4#镍硬铸铁球墨铸铁镍硬铸铁球墨铸铁无无加热至800℃后保温8h再空冷加热至880℃后保温2h再空冷20202020油润滑油润滑油润滑油润滑300300300 300 8 88835.528.237.830.6

5 结束语

车床在对长轴加工过程中使用的中心架容易磨损，需及时加紧支撑爪，而且更换频繁。改用镍硬铸铁材料后，由于其具有高耐磨性，不仅能减少工人的操作量，降低生产成本，而且能更好地保证轴的精密度。

[1] 李佐峰. 等温淬火球墨铸铁的热处理及应用[J] . 农业设备与车辆工程， 2007(09).

[2] 黄苏宁. 镍硬铸铁IV的热处理工艺[J] . 金属热处理， 2012(08).

[3] 子澍， 张学昆 . 镍硬铸铁的硬化原则及影响因素[J] . 现代铸铁，2010(04).

[4] 刘基博. 镍硬铸铁的技术性能和应用[J] . 矿山机械，1985(02).