滚柱逆止器内圈高硬楔面的加工工艺探究*

马国聪，杨 杰，贺永锋

(宁夏天地西北煤机有限公司，宁夏 石嘴山 753000)

逆止器[1]是带式输送机的重要安全保护装置之一，其作用是在输送机带料泊车时，阻止输送机滚筒回转，防止物料因重力而发生的逆行或下滑事故。

目前，宁夏天地西北煤机有限公司生产的逆止器为滚柱逆止器和楔块逆止器。其中滚柱逆止器为公司新研发的产品，在制造过程中，由于逆止器内圈外表面均布若干楔形面，具有渗碳层厚、硬度高、加工精度及表面粗糙度要求高等特点。这种高硬[2]楔面的加工及内圈深层渗碳为本公司制造滚柱逆止器的主要瓶颈，制约了逆止器的批量化生产，本文致力于在本公司现行条件下实现滚柱逆止器内圈高硬楔面的加工。

1 工作原理

滚柱逆止器主要由内圈、外圈、保持架、滚柱、弹簧及挡块组成(见图1)。外圈固定，内圈与轴连接，保持架同挡块安装于外圈与内圈之间，弹簧两端分别与内圈、保持架相连。内圈表面均布若干逆止平面(类棘轮)，滚柱设置在内圈逆止平面与外圈间空槽内，保持架将多个滚柱均匀定位，限制滚柱的径向与轴向活动空间，配合内圈实施逆止；挡块限定保持架轴向位置，使保持架可随外圈和内圈同向运转；弹簧提供拉力，使保持架带动滚柱向内圈逆止平面楔紧方向相贴紧；轴承保证内、外圈间形成均匀间隙的精度，同时降低运转阻力，使逆止效果更佳；保持架设计的空腔使滚柱与外圈无接触运转，与内圈逆止平面有接触而无相对运动。

逆止器正常运转时(见图2)，挡块随内圈旋转，带动保持架与滚柱同时同向运转，由于保持架特殊设计的空腔作用使滚柱与外圈无接触运转，与内圈逆止平面有接触而无相对运动，此设计限制滚柱的活动空间，同时确保滚柱与内圈、外圈平行接触，减少了滚柱与保持架的摩擦；当逆止器逆止时，传动轴会带动内圈反向运转，此时保持架会在弹簧作用力的拉动下带动滚柱反转，内圈的逆止平面压迫滚柱向外圈传递扭矩造成最大正压力，保持架确保多个滚柱的位置相同，由内圈的反向扭矩使滚柱不会松脱，接触面出现最大摩擦，达到逆止效果。

图1 逆止器组成

为了保证逆止器可靠运行，要求在逆止过程中内、外圈逆止面无变形，且要求逆止器在逆止时接触面出现最大摩擦，即确保若干滚柱在保持架内的位置相同。故对内圈楔形面的硬度、形状公差、位置公差及表面粗糙度要求较高。

2 材质及加工技术要求

滚柱逆止器内圈外端面分布若干均匀楔面(见图3)。内外圈需深层渗碳处理，渗碳层深度≥5 mm，表面硬度为58～62 HRC，光洁度≤0.8 μm，平面度≤0.03 mm，同轴度≤0.02 mm，位置度≤0.02 mm，精度要求等级很高。实际生产过程中深层渗碳及高硬度、高精度楔形面的精加工是制造滚柱逆止器的主要瓶颈，作为技术难点亟待攻克。

图3 内圈楔面

3 工艺方案制定

3.1 热处理工艺方案

滚柱逆止器内/外圈材质选用20CrMnMo[3]合金结构钢，属于高级渗碳钢，其化学成分见表1。根据技术要求，制定工艺路线如下：锻造→球化退火→粗车→预备热处理→半精密加工→渗碳→磨削→精密加工，其中预备热处理工艺为正火+高温回火，为深层渗碳[4-5]做组织准备。

表1 试验用钢(20CrMnMo)的化学成分(质量分数) (%)

采用南京多用炉(NL03-501)进行渗碳处理，通过工控机控制碳势、温度、保温时间等参数，渗碳载气为丙酮+甲醇。采用梯度递减碳浓度及等温预冷淬火的深层渗碳[6]热处理新工艺，工艺参数如图4所示。

通过梯度递减碳浓度实现强渗与扩散，有效控制炉内碳势，避免碳浓度过高造成表面形成碳黑阻止碳原子扩散，从而有效控制零件表面的碳浓度；同时有利于控制碳化物溶解的驱动力，不会引起碳化物急剧长大。经反复试验，此工艺既能保证碳原子的扩散，得到一定厚度的硬化层，又能避免渗碳层中出现大片的网状和块状碳化物。

图4 深层渗碳热处理工艺图

深层渗碳[7]后组织：按照GB/T 28694—2012执行，碳化物级别达2～3级，马氏体和残余奥氏体达3～4级，心部铁素体的级别达3～4级，渗层深度为5.5～6 mm，表面硬度为60～62 HRC，符合技术要求。

3.2 加工工艺方案

根据逆止器内圈结构特点及技术要求，内圈楔面的精加工可采用磨削[8]或铣削加工[9]，传统的X63W万能升降台铣床为手动操作、三爪装卡，找正精度及零件的平面度无法保证，且受机床刚性限制，装卡的YG8、YG15合金机夹刀片铣刀属于一般硬质合金材料，刀片材质硬度约为65 HRC，刀片硬度与零件热处理后硬度相差无几，切削时会直接磨损，无法满足要求。若采用磨削加工，因内圈楔形面较多，装卡找正复杂，生产效率低，加工精度难以保证。

经查阅相关资料，选用四轴驱动卧式加工中心可实现内圈高硬楔面的加工，工件一次性装卡在工作台上，通过数控编程完成楔形面加工，能保证零件的尺寸精度及几何公差要求，但此设备价格昂贵，安装条件要求严格。

考虑本公司现有加工能力，采用GF920加工中心，安装电动卧式分度盘、山特维克R390-080Q27-17M(Dc=80 mm)刀盘、B150-FMB(c)27-90刀体进行加工。GF920加工中心是三轴驱动系统龙门钻铣床，通过加装分度盘实现四轴驱动，所用B150-FMB(c)27-90刀体属于高硬度涂层机夹刀片，硬度可达到100 HRC以上，在小进给、高转速的加工条件下，可实现表面粗糙度Ra0.8 μm的技术要求。

加工时，一端用顶尖固定，另一端用电动卧式分度盘四爪夹紧找正，主轴装卡刀盘进行加工。调试加工时的4组加工参数及能达到的表面粗糙度见表2。

表2 内圈楔面调试加工参数表

从表2中可以看出，选用第1种和第2种工艺参数，能满足表面粗糙度要求，刀具使用寿命增长，但加工时间过长，生产周期增长；第4种加工方式虽然加工时间最短，但表面粗糙度达不到设计要求，而且刀具使用寿命降低，经多次研究论证和综合对比，从加工的实用性和经济性判断，将加工参数设定为第3种加工方式：刀具速度为400 r/min，切削速度[10]为190 mm/min，切削深度为0.1 mm，切削宽度为60 mm时为最佳加工方案。

4 试验验证

加工完成后，用光洁度样块进行对比，表面粗糙度达到Ra0.8 μm以上，用Function Plus龙门三坐标测量仪测量各外圆、楔面尺寸及同轴度、平面度、垂直度等几何公差，经检测数据显示，逆止器内圈各楔面均能满足图样设计要求。

装配后在进行出厂检验时，对逆止器进行了额定力矩打压逆止试验，经反复8次试验后，内圈楔面与滚柱无压痕，经24 h运转后，温度升高值≤5°，运行时无噪声，均符合产品性能指标，达到设计要求。

5 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)采用GF920数控小龙门钻铣床，安装电动卧式分度盘、山特维克R390-080Q27-17M(Dc=80 mm)刀盘、B150-FMB(c)27-90刀体，可实现滚柱逆止器内圈高硬楔面的精加工。

2)采用此种精加工方式，刀具速度为400 r/min，切削速度为190 mm/min，切削深度为0.1 mm，切削宽度为60 mm，能满足产品性能指标及技术要求，减少了磨削工序，提高了加工效率。

3)采用梯度递减碳浓度及等温预冷淬火的深层渗碳热处理新工艺，既能保证碳原子的扩散，得到一定厚度的硬化层，又能避免渗碳层中出现大片的网状和块状碳化物。