CN105014312A - 一种叉形拉杆的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种叉形拉杆的加工方法，属于机械加工技术领域。它包括以下步骤：取40Cr钢材整体锻造为由叉头和叉杆一体成型的毛坯工件，然后将毛坯工件加热到800℃～900℃，保温，冷却后粗加工，随后经热处理调质工序，再经精加工，即得。本发明的优点是很好地提高了叉形拉杆的安全性和可靠性，不再发现裂纹现象，大大地提高了叉形拉杆的寿命。

Description

一种叉形拉杆的加工方法
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种叉形拉杆的加工方法。
背景技术
铁路属半军事管理行业，对安全保障要求特别高。影响安全的零部件归为A、B类。叉形拉杆类零件，是为铁路系统的大型养护机械提供刹车系统的配件，属于技术要求等级很高的A、B类零件。它的作用是安装在铁路大型养护机车上，具体是用于火车轮刹车上的拉杆，其使用意义非常重大。我们知道，铁路大型养护机械只有在铁路网络的窗口期，也就是极短的时间内进行作业(1～2小时)。错过这个节点，就会影响到整个铁路运输网络的运行，工作过程中一旦出现问题，后果不堪设想。这就对材料制件在使用过程中的安全性和可靠性提出了更高的要求。
现有采用25#钢、35#钢和Q235A钢进行加工。其形式是有的用同一种材质，有的两种材质混用。将叉头和叉杆通过焊接形成一体(即在叉头上加工一直径大小与叉杆直径大小一致的孔，插入叉杆后再用焊接的方式完成，见图1和图2)，叉头和叉杆的焊接处仅有焊缝高度要求，焊接处作磁粉探伤检查时或多或少的会反应出显微裂纹现象，使用中发生多次断裂，形成了很大的安全隐患，这就带来了严重的质量问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用寿命长，不会产生裂纹的叉形拉杆加工方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一种叉形拉杆的加工方法，包括以下步骤：取40Cr钢材整体锻造为由叉头和叉杆一体成型的毛坯工件，然后将毛坯工件进行正火工艺处理，即加热到800℃～900℃，保温，冷却后粗加工，随后经热处理调质工序(淬火+高温回火)，再经精加工，即得。
毛坯工件首先经过正火工艺，因为工件粗加工余量大，先将工件硬度降低，利于切削。采用正火加工工件，可获得更加细小的珠光组织，弥散度更大，更好地能增加机械性能，还具有生产周期短，设备利用率高，成本较低的优点。
为优选出适合的钢材进行锻造，特进行以下试验进行比较。试验结果详见表1。
表1 各钢材料的性能比较
钢号 热处理 σ0.2(MPa) σ(MPa) δ(％) ψ(％)
25 890℃淬火200℃回火 875 1010 10 65
20Mn 880℃淬火200℃回火 1265 1500 6.7 43
20Mn2VB 淬火200℃回火 1240 1480 7 55
20CrMnSi 淬火200℃回火 1315 1575 8 54
35 840℃淬火600℃回火 550 750 15 50
40Cr 840℃淬火670℃回火 725 810 16 68
40CrnMo 850℃淬火500℃回火 1170 1210 15 55
40MnB 840℃淬火620℃回火 710 790 18 66
50CrNi2MnMo 淬火204℃回火 1710 2210 8 15
T8 770℃淬火300℃回火 1500 1700 5.4 28
表1中：σ0.2为屈服极限；σ为抗拉强度；δ为材料的延伸率；ψ为断面收缩率。
本发明中所采用40Cr钢材中含有0.37％-0.44％(质量百分比)的C、0.17％-0.37％(质量百分比)的Si、0.5％-0.8％(质量百分比)的Mn和0.8％-1.1％(质量百分比)的Cr。其中，含碳量太低，强度及硬度将不足，太高则塑性及韧性降低，为保证热处理后有足够的强度，良好的塑性和韧性，选择该范围的含碳量。还含有Cr、Si、Mn等元素，可提高淬透性，调质处理后有良好的综合机械性能。
对比以上材料机械性能，用40Cr材质符合对叉杆的要求，其具有很高的强度及硬度，同时又有很好的塑性及韧性，具备较好的综合机械性能。
优选的，在所述整体锻造时，叉头和叉杆的结合部采用圆弧过渡，该圆弧过渡段的圆弧为R10～20。结合部设有圆弧过渡段，能更好地提高叉形拉杆的安全性和可靠性，既能消除应力分布不均或应力集中的问题，又能满足叉形拉杆的工况的使用要求。
特别优选的，所述加热的温度为850℃。
优选的，所述保温的时间为30min～150min。
优选的，所述热处理调质工序是将工件加热到820℃～880℃油淬冷却后，随后经高温回火工艺，即将工件加热到500℃～680℃，保温30min～150min后，冷却至室温。
淬火是指将钢材加热到相变温度以上，保温一段时间，然后快速冷却的一种方法。一般是为了得到高硬度的马氏体组织，但对某些高合金钢，如不锈钢、耐磨钢，则是为了获得单一均匀的奥氏体组织，以分别提高其耐磨性和耐腐蚀性。
在油淬温度不变的条件下，对淬火后火热处理的各项性能进行了研究，试验结果见表2和表3。
表2 40Cr淬火后火热处理的各项性能指标(平均值)
表2中：σ0.2为屈服极限；σ为抗拉强度；δ为材料的延伸率；ψ为断面收缩率。
表3 40Cr热处理后冲击韧性的对比
试样 热处理工艺 Ak值(J/mm2)(平均值)
40Cr 850℃油淬+620℃回火 148
40Cr 850℃空冷 56
本发明经过40Cr钢材整体锻造，加热到800℃～900℃，保温，冷却后粗加工，随后经热处理调质工序，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，水冷复杂形状的零件时，容易产生裂纹，冷弯塑性一般，切削加工性好，但焊接性不好，容易产生裂纹。主要适用于制造较重要的调质零件，如汽车换向节、连杆、螺栓、进气阀、重要齿轮轴、曲轴、曲柄、汽轮发电机环形锻件等。
将40Cr淬火后，再高温回火，可获得索氏体组织，能得到强度、塑性、韧性都较好的综合机械性能。40Cr钢材的原始组织为球状珠光体，由于球状的接触面积小，同时铬能阻碍碳的扩散，而铬本身的扩散速度也较慢，因此加热温度要选择上限，且保温时间要加长，否则球状渗碳体很难完全熔解而被保留下来，造成淬火后强度及硬度下降。
本发明还提供了一种所述加工方法所得的叉形拉杆。
本发明的有益效果在于：
(1)在结构方面，相比现有叉头与叉杆通过焊接形成一体的结构(即在叉头上钻一直径与叉杆相匹配的孔，插入叉杆后再焊接的结构)，焊接件一般容易出现咬边、焊瘤、凹陷及焊接变形等缺陷，有时表面还有气孔、夹碴的现象发生。在叉形拉杆的使用过程中，这些缺陷极易导致焊接处出现裂纹现象，虽然焊接件已经经过预热、焊后消除应力处理，但由于焊接材料及焊接方式、焊接人员、环境等外部因素，可直接导致焊接处焊点不均匀，出现应力集中，发生裂纹等焊接缺陷，从而影响到产品的质量。本发明通过一体成型，在叉头与叉杆结合的部分不再采用焊接方式，而通过整体锻件的方式，在锻件时，可通过使用铁锤或压力来实现，建造了精致的颗粒结构，并改进了金属的物理属性，同时很好地解决了焊接件的焊接缺陷。
(2)因为叉形拉杆的工作条件，要求其具有较强的强度和抗疲劳性能，同时又要求具有足够的刚性和韧性。采用40Cr钢材料，虽然具有很高的强度，但同时对应力集中很敏感。工件受力时，力流方向在过渡圆角区急剧转折时过于密集就会引起应力集中，因此应尽量避免局部结构变化过大，使力流趋向平缓，所以对工件的过渡圆角要求相对严格。采取增大过渡圆角，使结构过渡平缓，减少应力集中，同时也解决了应力分布不均的问题，产品的可靠性得到了进一步提高。
(3)关键还在于叉头与叉杆均采用40Cr钢材料均制成，经过与现有的25#钢、35#钢、Q234A钢等相比较(见表1)，能更好地使叉头与叉杆能一体化成型，提高叉形拉杆的性能。本发明鉴于现有叉形拉杆的结构、材料上一直存在的质量问题，很好地采用现有材料、结构和工艺相互结合，很好解决了现有叉形拉杆的质量问题，在使用时更加地安全可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的其中一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1和图2均为传统叉形拉杆的结构示意图；
图3和图4为本发明的结构示意图。
图中，1-叉头，2-叉杆，3-圆弧过渡段。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的其中一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
取40Cr钢材整体锻造为由叉头1和叉杆2一体成型的毛坯工件，然后将毛坯工件置于煅烧炉中加热到850℃，保温60min后出炉，粗加工后留一定热量进行整体半精加工。随后将工件加热到820℃进行油淬冷却，再将工件加热到550℃，保温30min，冷却至室温，采用数控车床进行精加工，即得。在所述整体锻造时，叉头1和叉杆2的结合部采用圆弧过渡，该圆弧过渡段3的圆弧为R12。
实施例2
取40Cr钢材整体锻造为由叉头1和叉杆2一体成型的毛坯工件，然后将毛坯工件置于煅烧炉中加热到800℃，保温120min后出炉，粗加工后留一定热量进行整体半精加工。随后将工件加热到880℃进行油淬冷却，再将工件加热到680℃，保温150min,冷却至室温，采用数控车床进行精加工，即得。在所述整体锻造时，叉头1和叉杆2的结合部采用圆弧过渡，该圆弧过渡段3的圆弧为R10。
实施例3
取40Cr钢材整体锻造为由叉头1和叉杆2一体成型的毛坯工件，然后将毛坯工件置于煅烧炉中加热到900℃，保温100min后出炉，粗加工后留一定热量进行整体半精加工。随后将工件加热到850℃进行油淬冷却，再将工件加热到600℃，保温120min，冷却至室温，采用数控车床进行精加工，即得。在所述整体锻造时，叉头1和叉杆2的结合部采用圆弧过渡，该圆弧过渡段3的圆弧为R20。
实施例4
取40Cr钢材整体锻造为由叉头1和叉杆2一体成型的毛坯工件，然后将毛坯工件置于煅烧炉中加热到880℃，保温150min后出炉，粗加工后留一定热量进行整体半精加工。随后将工件加热到840℃进行油淬冷却，再将工件加热到620℃，保温60min，冷却至室温，采用数控车床进行精加工，即得。在所述整体锻造时，叉头1和叉杆2的结合部采用圆弧过渡，该圆弧过渡段3的圆弧为R15。
通过实践证明，本发明在安全性、可靠性方面，加工的可操作性方面均超过现有由德国进口的叉形拉杆产品质量。
上述实施例所得叉形拉杆，如图3-4所示，在叉头1与叉杆2的结合部设有圆弧过渡段能更好地提高叉形拉杆的安全性和可靠性，既能消除应力分布不均或应力集中的问题，又能满足叉形拉杆的工况的使用要求，从而极大地提高了叉形拉杆的寿命。具体的，为进一步消除应力分布不均或应力集中的问题，提高叉形拉杆的寿命，圆弧过渡段3的圆弧为R10-20。
相比现有叉形拉杆的结构，采用焊接的方式将叉头和叉杆两者相连，如图1和图2所示。焊接结构，在一般情况下，焊接后有形成裂纹的倾向，虽然焊前已经经过预热、焊后消除应力的处理，但因母材与焊材存在差异，裂纹现象不可避免，导致零件的质量始终存在问题。采用一体成型后，就很好地解决了上述问题。
经实施例1-4所得叉形拉杆，通过对材料，零件的构造和加工方法的改进，共同作用，且在叉头1与叉杆2的连接过渡处，采用圆弧过渡处理，再没有出现因应力集中或应力分布不均的现象，消除了由此产生的裂纹，而导致产品出现质量问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种叉形拉杆的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：取40Cr钢材整体锻造为由叉头(1)和叉杆(2)一体成型的毛坯工件，然后将毛坯工件加热到800℃～900℃，保温，冷却后粗加工，随后经热处理调质工序，再经精加工，即得。
2.根据权利要求1所述的一种叉形拉杆的加工方法，其特征在于：在所述整体锻造时，叉头(1)和叉杆(2)的结合部采用圆弧过渡，该圆弧过渡段(3)的圆弧为R10～20。
3.根据权利要求1所述的一种叉形拉杆加工方法，其特征在于：所述加热的温度为850℃。
4.根据权利要求1所述的一种叉形拉杆的加工方法，其特征在于：所述保温的时间为30min～150min。
5.根据权利要求1所述的一种叉形拉杆的加工方法，其特征在于：所述热处理调质工序是将工件加热到820℃～880℃油淬冷却后，随后再将工件加热到500℃～680℃，保温，冷却至室温。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述加工方法所得的叉形拉杆。
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