硬质合金轴套类零件内孔成型芯棒结构优化

朱春茂 时世荣

摘 要：针对硬质合金轴套类零件压制成型过程中内孔成型装置芯棒的可靠性差、容易失效的情况进行研究，通过对芯棒在压制过程中的受力情况进行分析，设计出一种新结构的芯棒--螺纹连接结构芯棒。该结构芯棒在制作合格率和使用寿命较原结构有明显优势，能够保证轴套类零件的压制生产效率。

关键词：硬质合金；芯棒；结构；优化；成型

1引言

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，被誉为“工业牙齿”，用于制造刀具和耐磨零部件。而轴套类零件属于各类机器的常规零件，应用范围极其广泛。硬质合金轴套类零件经过精密加工后，产品具有精度高、使用寿命长、耐磨性能及耐腐蚀性能好等特点，广泛应用于军工、航天航空、冶金、石油钻井等領域。伴随下游产业的发展，硬质合金轴套类零件市场需求不断加大。

2芯棒工作环境分析

轴套类零件压制成型模具由阴模、上冲、下一冲、下二冲和芯棒构成，当轴套外圆无台阶时，模具就只有一个下冲。其中芯棒是用于轴套类零件内孔成型的部件，在压制成型时芯棒置于粉末料之中，受粉末料的径向压力和轴向摩擦力，工作温度在15℃到45℃之间，在大批量压制成型生产过程中芯棒因反复受到周期性的径向压力和轴向摩擦力而受到冲击载荷，工作条件恶劣。

由于芯棒工作部位长期受到粉末料粒的轴向摩擦力，芯棒工作部位表面光洁度极易被破坏，但是在成型零件后，零件脱模时需要芯棒工作部位表面有很好的光洁度，因此芯棒工作部位材料使用耐磨性能好的硬质合金（YG6或YG8）。芯棒与压机连接方式为螺纹连接，与压机连接钢基体部位采用45钢制作。因此，芯棒由采用硬质合金耐磨层制作的工作部位和与压机连接的钢基体两部分组成。

3优化前芯棒结构

（1）粘接结构芯棒

粘接结构芯棒采用互为90°的2根销钉固定硬质合金耐磨层与钢基体的相对位置，并依靠此销钉提高粘接强度，然后采用无机胶将硬质合金耐磨层和钢基体粘接连接在一起。其粘接方法是：采用YW-1无机胶粘剂（甲）+YW-1无机胶粘剂（乙），将其调成稀糊状，涂于结合部，电炉加热到100℃-200℃，经2-3h固化以完成硬质合金层与钢基体连接在一起。结合部间隙一般为0.3-0.5mm。其缺点是：结合强度低、抗拉强度低、抗冲击载荷性能差、抗疲劳性能差、胶粘剂易老化、耐热性能差。使用过程中容易发生硬质合金耐磨层与钢基体松动的情况，严重时合金会发生脱落现象，稳定性和可靠性能较差，芯棒使用寿命短，特别是在35℃到45℃的压制环境下极易发生合金脱落的现象，无法满足批量生产需求。

（2）焊接结构芯棒

焊接结构芯棒是采用钎焊方式将硬质合金耐磨层和钢基体焊接在一起。钢基体和硬质合金耐磨层之间钎缝厚度为0.25-0.3mm。其焊接方法是：将铜基钎料、焊件硬质合金和钢基体同时加工到钎料熔化温度，利用液态铜基钎料填充硬质合金与钢基体之间的缝隙使二者连接为一体。焊接部位为合金内孔和合金与钢体接触的端面。

4螺纹连接结构芯棒

基于粘接结构芯棒和焊接结构芯棒均存在连接强度低、使用寿命短的缺陷，为了提高芯棒硬质合金耐磨层和钢基体部分的连接强度及可靠性，我们对芯棒进行优化设计。选择使用连接可靠性强的螺纹连接方式来将二者连接为一体，形成螺纹连接结构芯棒。螺纹连接结构芯棒分为两种结构：螺纹、钎焊连接结构芯棒和螺纹、背母连接结构芯棒。

（1）螺纹、钎焊连接结构芯棒

首先将硬质合金耐磨层加工为台阶孔，然后使用带台阶的芯轴将硬质合金耐磨层与钢基体通过螺纹M1连接为一个整体。芯轴外圆与硬质合金耐磨层采用过渡配合以防止在使用过程中发生松动。在实际制作使用过程中发现，采用螺纹连接结构的芯棒的连接强度能够满足使用需求，在35℃到45℃的压制环境下未发生合金脱落的现象。但在大批量压制成型生产过程中芯棒因反复受到周期性的径向压力和轴向摩擦力，芯轴与钢基体的螺纹连接有发现松动的现象，所以最后采用钎焊的方式将硬质合金耐磨层和钢基体焊接在一起，以防止在使用过程中发生螺纹松动的现象。

（2）螺纹、背母连接结构芯棒

螺纹、钎焊连接结构芯棒随着芯棒外圆直径D的增大，钎焊面积随之增大，焊接性能开始降低。当外圆尺寸D≥30mm时，开始出现虚焊和合金裂纹的现象，尺寸越大，焊接缺陷越严重。

为避免焊接缺陷，大尺寸的芯棒在硬质合金耐磨层和钢基体之间增加一个背母。首先通过芯轴和背母之间的螺纹M2将芯轴、硬质合金耐磨层和背母连接在一起；其次采用氩弧焊焊接背母与芯轴防止螺纹M2松动；然后通过M1将芯轴与钢基体连接；最后采用氩弧焊焊接背母与钢基体防止螺纹M1。为防止在第一次焊接芯轴与背母是所产生的热应力的影响，需保证螺纹M2-M1≥6。

为方便加工、以及保证芯棒的使用寿命，螺纹连接结构芯棒的连接螺纹M1最小采用M8，随着尺寸的增大、螺纹尺寸相应的增大。为保证芯轴台阶的可靠性，芯轴台阶需保证1.5mm。为保证硬质合金耐磨层壁厚最小地方的强度，最小处壁厚需保证2.5mm。为避免第一次焊接的焊接应力影响螺纹M1的质量，需保证M2-M1≥6mm。

因此： 螺纹、钎焊连接结构芯棒最小外圆：D≥8+2×1.5+2×2.5=16mm。

螺纹、背母连接结构芯棒最小外圆：D≥8+2×1.5+2×2.5+6=22mm。

为防止钎焊对合金性能的影响，能采用螺纹、背母连接结构时尽量采用螺纹、背母连接结构，不能采用螺纹、背母结构时再采用螺纹、钎焊结构。

综上所述：当芯棒外圆尺寸D在16mm到22mm之间时，使用螺纹、钎焊连接结构芯棒；当芯棒外圆尺寸D≥22mm时，采用螺纹、背母连接结构芯棒。螺纹连接结构芯棒制作工艺简单，制作合格率高，芯棒使用寿命长。

5不同结构芯棒生产使用情况对比

针对不同结构芯棒进行对比实验，实验表明螺纹连接结构具有明显优势，具有良好的推广前景。

（1）生产合格率对比

将不同结构芯棒各制作10件，严格控制生产过程，对生产过程进行跟踪、数据统计及分析，结果显示螺纹连接结构芯棒生产合格率最高。

（2）使用情况对比

将不同结构的10件芯棒在不同压制温度下进行批量压制生产，对生产过程进行跟踪、数据统计，求出压制次数的平均值，结果显示螺纹连接结构芯棒使用寿命最长。

6结语

硬质合金产品压制成型过程中，模具质量及使用寿命是制约压制效率的一个重要因数。作为轴套类零件压制成型过程中，工作环境最恶劣的内孔成型装置芯棒的使用寿命就成为影响轴套类零件的压制成型效率的主要因数。本文通过对不同结构芯棒的生产合格率及使用情况等方面进行研究，结果表明：采用螺纹连接结构芯棒是可行的、有效的，采用该结构的芯棒的制作合格率和使用寿命较原结构有显著的提升，能够保证轴套类零件的压制生产效率。

参考文献：

[1] 周盛安.硬质合金制造工艺学[M]，自贡：自贡硬质合金有限责任公司，2005：15-25

[2] 阮建明，黄培云. 粉末冶金原理（普通高等教育十二五规划教材） [M]，北京：机械工业出版社，2012：20-30