先进的注塑机肘杆机构销轴旋转副的磨损的工艺因素的绿色化技术准则实现最大限度地提高销轴旋转副的正常运行的磨损寿命系数，特别强调制造的能耗属性和再制造属性，降低了社会物质资源的消耗及制造能源消耗。销轴旋转副的磨损的工艺设计准则内涵主要包括表面强化处理、表面硬度的选取、零件工艺性设计、材料的选用等。科学确定工艺性能设计，围绕上述五方面科学制订的工艺因素的绿色化技术准则。

实现完满的绿色化工艺技术准则必须要掌握各种磨损类型与工艺性能所能达到的技术指标之间的直接及间接的关联因素。

5.1表面强化处理工艺形式的绿色化磨损性能现状及科学发展

表面磨损的强化处理的目的是提高不被其它物体侵入的能力，同理也提高了侵入其它物体的能力。销轴旋转副的两个零件中，轴套维修的难度及工作量大，销轴相对轴套为易损件。轴套的表面硬度较销轴的表面硬度高3~5HRC。销轴旋转副的两构件的表面硬度差低于二十分之一，有利于降低接触磨损的力学因数。

传统的渗碳、渗氮、淬火等表面强化热处理，摩擦力学的性能指标难以得到精密的人为控制，能耗大。例如，渗碳的硬度及寿命系数同渗碳的深度相关，零件渗碳后需磨削，难以达到理想的渗碳深度，表面硬度也不能得到精确的保证；淬火的硬度同零件的直径相关，零件表面的硬度随直径增加而降低，所以大直径的销轴表面硬度达不到理想的硬度，在相同单位负荷工况下，大直径销轴的磨损寿命周期较短。

涂层技术可以在减少摩擦的同时提高抗磨损保护，是实现减少CO2排放的途径之一。纳米等离子表面强化处理。纳米等离子喷涂是纳米技术在工程中的应用，在零件表面形成一层致密的纳米涂层的新型喷涂技术，与零件的材料及截面因素无关，表面硬度可得到精确控制，涂层内含有高硬度、高耐腐蚀性纳米材料，实现销轴旋转副的免润滑绿色化运行，是一种环保、经济（节能）、耐用的表面强化处理技术。纳米等离子喷涂处理磨损销轴，实现再制造，节约资源、能耗，延长销轴寿命周期。纳米陶瓷表面强化处理技术，表面经处理后硬度由氮化的HV900-950提升至HV1200-1500，耐温性、耐腐蚀性、耐磨性也提高了30%以上，同时最大限度地降低了界面摩擦系数，实现零磨损。轴套内表面高频淬火改为纳米TiO2复合喷涂,可大幅度节约贵金属、降低能耗，同时可大幅降低成本。纳米表面强化在注射螺杆上已得到应用，成为表面耐磨处理领域绿色化的发展方向。在注塑机的销轴旋转副的表面强化处理上还未得到推广应用。

表面陶瓷合金热喷涂[3]。WC-CrC2-Ni陶瓷合金热喷涂的表面硬度可达到HV1000，涂层结合力达到70MPa以上，与合金钢材料基体的许用摩擦切应力持久极限等同；耐磨性能是镀铬的2倍。提高喷涂的结合强度是抗磨损的关键，需深入研究，涂层结合力应大于摩擦切应力。

5.2 轴套的绿色化工艺技术准则

圆角过渡。轴套孔口工艺性设计，一般都不予重视，但对销轴的擦伤磨损确是致命的。棱角、尖角、沟槽的部位很容易产生应力集中，从而导致零件淬裂。应尽量设计成不发生应力集中的形状，在尖角处和台阶处成圆角。销轴旋转副的实现现象中，有的销轴与轴套接触的孔口部位，呈现圆周切削的切损。其原因是由于轴套孔口为倒角的工艺性设计，一旦由于加工及装配因数，销轴与轴套两者不能达到同轴，轴套倒角的切口对销轴产生切削，毛刺磨损成颗粒进入销轴和钢套的接触面，造成销轴/轴套表面沟槽型磨损，并使接触面磨损或焊合，磨损主要发生在表面硬度较低的零件。图6为沟槽型磨损的销轴，图7沟槽型磨损的轴套。

轴套的孔口倒角的设计改为倒圆的设计，达到综合消除上述不利因数，预防形成沟槽切口的可能性。加工肘杆机构的形位公差的配合的环节多，加工环节多，即使采用加工中心，也不可能达到无偏差的精度。

图6 沟槽型磨损的销轴

图7 沟槽型磨损的轴套

5.3 表面强化处理硬度的绿色化工艺技术准则

节4磨损实例分析表明构件表面硬度是磨损的主要力学因素。一般销轴旋转副的构件材料为结构钢，表面强化处理，以提高磨损的力学性能。

热处理表面硬度值是磨损性能的主要技术指标。在确定热处理技术条件时，对于所选定的钢种，不能以该钢种所能达到的最高硬度值作为图样上规定的技术条件。这是因为最高硬度值是用小试样测得的，同时每一个钢号的成分都是在一定范围变化的，硬度值直接同尺寸系数相关，因此，硬度值是一个变量。在实际生产中，尺寸较大的工件所能达到的硬度值，同标准或规范上的硬度值相差很大。销轴常用的40Cr的淬火工艺，理论硬度可达HRC60，实际不大于HRC46；如果需要表面硬度，又希望发挥40Cr优越的机械性能，应采用表面渗碳淬火工艺，表面硬度可达HRC55。轴套常用的20Cr、20C钢材渗碳淬火的硬度能达到HRC60。38CrMoAl是销轴的理想材材质，氮化处理硬度达HV950—1050，相当于HRC68~70，粗糙度0.4。

碳是影响淬裂倾向的一个重要因素。材料含碳量高，MS点低，淬裂倾向大。50C的高碳钢做轴套材料，淬火后表面硬度可达 45～52HRC，但淬火性能并不好，易造成的内部脆性裂纹的隐患，抗接触疲劳破坏性能弱，易产生裂纹失效。图8为50C的高碳钢轴套裂纹失效的轴套简图，接触中心首先产生裂缝，其它区域的内部应力随之瞬时释放，产生数条裂缝。

图8 50C的高碳钢轴套裂纹失效的简图

科学配对硬度。销轴旋转副配对硬度差4~8HRC，推荐：轴套HRC54~58，合金钢材料的销轴HRC48~52；合金钢材料的销轴HRC40~46。

热处理工艺与磨损性能。高频淬火，构件表层细密，晶粒细微均匀，有利于降低挤压磨损因素。氮化层的硬度太高，容易剥离，增加磨粒磨损因素。

5.4 材料磨损的互溶性的绿色化工艺技术准则[4]

销轴旋转副配对材料的互溶性直接与粘着磨损关联。销轴副配对材料的互溶性大，易于产生粘着而导致粘着磨损失效。例1中，销轴40Cr材料与轴套20Cr材料作为配对，虽然表面作了强化处理，但由于两者材料的晶格类型接近，并且Cr元素的互溶性极佳，极易产生接触粘着磨损，销轴表面硬度低于轴套，销轴为接触粘着磨损件。图2的销轴磨损表面呈现粘着微粒的毛刺状是接触粘着磨损的表现。

销轴40Cr材料与轴套20C材料作为配对，两者晶格类型差异大，Cr与C没有互溶性，并对轴套表面做渗碳处理，不会产生粘着磨损。

QAL9-4铝青铜具有高强度高耐磨的性能，近年来成为轴套应用的材料，弹性模量为1.16×104kN/cm2，泊松比为0.49。含Cr元素的合金钢材料的销轴与高强度铜合金轴套配对，两者为不同晶格类型的材料，没有互溶性的诱因。QAL9-4铝青铜轴套虽然表面硬度低，即使销轴表面微凸体挤压入轴套表层，但由于两者没有相容性，不会产生接触粘着磨损，即使轴套表面产生划痕磨损也有利于储存润滑油。

5.5 表面的化学腐蚀磨损的绿色化工艺技术准则

加工PVC之类的易分解出腐蚀性物质的高分子材料，极易造成化学性腐蚀磨损，因此必须对销轴副的材料及表面处理进行特殊的性能设计。

由惰性元素组成的合金，其本质是耐蚀的，抗磨损性能往往与其表面质量有关。提高合金的耐蚀性和强度对改善磨损腐蚀性能具有同等重要的意义。实验表明，将铬含量提高到9%可使钢的磨损腐蚀能力提高。高镍铜（稳定的奥氏体钢）比铬锰的奥氏体钢（不稳定奥氏体钢）耐磨损腐蚀性能差，这显然与铬锰钢表面层在机械作用下，不稳定的奥氏体分解成马氏体引起的强度提高有关。

5.6  清洁装配的绿色化工艺技术准则

    磨粒磨损的微粒，一个很大的因素是在装配中带入销轴旋转副。设计一套健全的清洁装配工艺流程，消除客观及人为的磨损的因素。销轴及轴套在加工过程中毛刺处理不光滑，搬运过程中或在放置时由于碰撞产生划痕，装配过程中外界异物掺杂进入油槽，这些都是非正常磨损的因素。总组装前，所有零部件必须充分去除毛刺并洗净，仔细查找内部摩擦部件之间、内部有无残留物，确保零部件的清洁与完整后，才能进行组装。

6 注塑机肘杆机构销轴旋转副的磨损的结构因素的绿色化结构技术准则[5]

销轴旋转副的引起的环境污染及外界形成的磨损因素成为注塑机清洁化的解决重点。结构创新是实现销轴旋转副清洁化运行的科学发展方向。

销轴旋转副的磨损的结构绿色化技术准则内涵主要包括环境原则、清洁原则等生态环境属性，并把生态环境属性统率结构绿色化设计准则，在结构设计过程中应本着预防为主、治理为辅的原则，充分考虑如何消除入侵污染物和生成污染物，运行可能产生的污染物得到及时排除，从根本上防止磨损的污染源。绿色清洁化运行降低系统的功率消耗，实现能量损耗最少原则。

传统销轴旋转副的设计理念是保证正常运转，基本不考虑其运转对环境的污染，销轴旋转副运转中泄出的润滑油严重污染环境，长期来得不到有效的解决，不适用于具有清洁度成型环境的医疗、医药等制品的注塑成型。注塑机运行的环境属性已列入大气污染的原素。

6.1 轴套磨损性能的绿色化结构技术准则及自主创新

轴套结构的磨损性能的绿色化技术准则核心是使接触面之间形成弹性流体动压润滑，达到分散接触应力，提高抗磨损的力学因素性能。

轴套的结构，不论是石墨填充式，还是内壁槽形式，内壁都为光孔形，启模瞬间不能快速建立压力油膜，摩擦切应力大，并且不能迅速排出磨粒等磨损垃圾。

弹性流体动力润滑（EHD）轴套。原理是承载时，接触部位发生弹性变形，油膜的流动性使两个接触表面分离，油膜的压力同时使接触表面变形。销轴旋转副接触面之间如能形成弹性流体动压润滑，则两者之间的最大应力将大大下降，从而减少了磨损几率。

销轴旋转副的最大应力产生在锁紧位置点，要在此位置点分散接触应力，必须在此位置点能形成弹性流体动压润滑，首要条件是接触区域必须能储存润滑油。

储油式轴套（图9）。轴套内壁在锁紧位置设计月牙形储油槽。安装时，储油槽必须对准负荷的方向，润滑油孔处在储油槽底部。月牙形储油槽与内圆交接处，接触压力小，磨损因素也小；储油槽的最深处，也是接触压力最大处，接触区域小（即L的长度），减少了磨损因素。润滑油进油阀为单向阀。锁紧状态下，销轴封住润滑油槽，润滑油槽内形成压力油，销轴由静止到启动的瞬间，压力润滑油能在内压的作用下，能在润滑油槽的轴向两端，瞬间建立动压油膜，达到降低摩擦切应力，提高磨损寿命系数。

    作者在1500kN和2400kN的两种锁模力规格的肘杆机构上，设计并使用铝青铜材料的储油式轴套，运行三年后未发现销轴出现磨损现象。

图9 储油式轴套

6.2传统销轴旋转副的结构的绿色化磨损性能现状及科学发展

6.2.1光轴销轴的旋转副结构

图10为目前国内广泛采用的传统的光轴销轴的旋转副结构。润滑系统的润滑油进入后，不能达到循环流通，泄出轴套，造成环境污染；一旦进油通道堵塞，润滑油在负荷高压下升温氧化，经过一段时期后，与空气中的粉尘等结块生成磨粒，最大接触应力表面相对运动过程中擦伤并材料脱落，产生磨粒磨损、粘着磨损等，磨损销轴及轴套表面，得不到及时排出，成为磨损的主要物理力学因素，加速了零件表面的磨损，大大缩短其使用寿命。适用于稀油润滑。

1.固定键；2.轴套；3.销轴；4.旋转连杆；5.固定支座。

      图10  光轴销轴的旋转副结构

6.2.2 螺旋槽形排屑销轴的旋转副结构

    整体螺旋槽形销轴的旋转副的结构，即将图10的光轴销轴换为图11的螺旋槽形排屑销轴，润滑油从销轴中心孔进入，可将磨粒等垃圾在润滑油的压力下排出润滑区域，使销轴表面保持清洁，降低磨损的力学因素。槽口倒圆，避免锐角引起对轴套内壁的犁削。螺旋角不能为450，以避开接触应力导致的销轴内部450的剪切面。适用于油脂润滑。

图11 整体螺旋槽形销轴

旋转区螺旋槽形销轴的旋转副的结构，即将图10的光轴销轴换成图12的旋转区螺旋槽形排屑销轴，可将磨粒等垃圾在旋转运行中排入螺旋沟槽，在保证润滑油及装配等清洁度情况下，经实际运行，沟槽可在3年内足以储存运行中产生的垃圾，接触面由于无堆积的垃圾仍处于完好的表面质量。槽形轴向区域在轴套轴向长度80%的中心区域，以不影响销轴剪切面的力学性能的因素。适用于稀油润滑。

图12  旋转区螺旋槽型销轴

6.2.3 直槽形销轴的旋转副结构

     直槽形销轴的旋转副的结构，即将图10的光轴销轴换为图13的直槽形销轴，降低磨粒等垃圾的磨损因素的原理同螺旋槽形销轴。具有独特的力学性能，直槽口在锁紧位置点对准外力Q的作用线（图13右图），最大接触应力线不与轴套表面接触，把接触应力的力学因素的影响降到最低。槽口倒圆，避免锐角引起对轴套内壁的犁削。

图13 直槽形销轴

    槽形销轴的应力集中系数大，必须增大销轴直径、表面喷涂强化，以达到其磨损力学性能。适用于稀油润滑。

6.3 自主创新的绿色化密封式循环润滑系统的销轴旋转副结构

6.2节的6.2.2及6.2.3的销轴旋转副结构在磨损性能方面做了技术进步，但在绿色化的清洁生产方面仍然存在润滑油流出轴套污染环境的缺陷。敞开式的润滑系统，空气中的水分、尘土和杂物，通过旋转间隙浸入，油液氧化和分解并产生的沉淀物等，不但失去润滑作用，而且腐蚀金属表面。水污染降低润滑油粘度，从而降低油膜的承载能力。

密封式循环润滑系统是对传统销轴旋转副的绿色化的清洁生产方面实现创新。图14为密封式循环润滑系统结构的销轴旋转副，装有轴套的连杆（序号7）相对于销轴做旋转运行，耐磨定位垫圈（序号5）可防止轴套两端密封圈作轴向窜动，密封圈（序号4）挡住润滑油外泄，杜绝外界污染因素入侵润滑。润滑油从轴套外部进入，从销轴的中心孔排出。销轴旋转副运行产生的污染物进入螺旋刮油槽，在润滑油压力下及时被排出，经过过滤回收再利用。两端密封能够减少甚至杜绝外界微粒和有害润滑物质的侵入，减少磨损因素。轴套（序号8）采用弹性流体动力润滑（EHD）轴套。密封结构的润滑油的注油间隔时间可达到100h，大幅节约了润滑油消耗，并降低了外界磨损的侵入因素。适用于油脂或稀油等润滑。

1.固定键；2.固定支座；3.螺旋刮油槽；4.低压密封圈；5.耐磨定位垫圈；6.排油槽；7.旋转连杆；8.轴套；9.组合槽型销轴；10.管接头。

图14 密封式循环润滑系统结构的销轴旋转副

7 结语

本文对注塑机肘杆机构销轴旋转副的磨损诸因数的绿色化技术准则的研究表明：销轴旋转副的磨损是局部（表面）抵抗破坏的能力，强度是整体抵抗破坏的能力。磨损失效只是构件局部（表面）形变，强度失效是指构件整体形变甚至断裂。磨损是表层物质流失的不可恢复的刚性变形，刚度是表层在外物作用下可恢复的弹性变形。

提高表面强化质量的力学因素是磨损寿命周期的绿色化技术准则的可持续发展的方向。从设计、工艺、装配、使用、维修等各个环节的全套方案排除磨损的内部因数和外部因数，达到清洁化运行，减少CO2的排放，保护生态环境。

（本文应用文献公式的字母为避免混淆，与原著有所变动。）

参考文献

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