一、問題的提出
三峽下岸溪砂石項目部現有瑞典斯維達拉公司生產的50 -65MK-II型旋回
破碎機兩臺，該機型于1999年8月投入運行，運行后各部位反應正常。并且由于該機型破碎比大、產能高而成為了該項目部人工砂石加工的主力設備。但運行至2001年11月14日時其中的一臺破碎機主軸在破碎中發生斷裂，理論運行時間只有兩年零三個月，但該項目部實際的生產狀況是兩臺設備一用一備，從來就沒有兩臺一起運行過。所以較實際的理論運行時間應該是一年多一點。雖然根據合同說廠方的主軸承諾保證期是18個月，三峽下岸溪砂石項目部也以合同為依據同斯維達拉公司廠方代表糾纏了2個多月，但終因依據不充分而沒能得到廠方的賠償認可。其實按照國內外許多類似機型的使用情況和廠方對該型設備最初的改造設計，該主軸也是不可能在這么短的時間里斷裂的。故顯而易見，該主軸屬非正常斷裂。而此時又正值三峽大壩混凝土澆筑的高峰時期，這臺破碎機主軸斷裂后，另外一臺的狀況也讓我們開始擔憂起來。萬一另一臺也在短時間內出現同樣的情況那后果簡直就不敢設想。由于該主軸進口價格高達230萬元，并且交貨期也較長（最快要6個月）。加上主軸車身存在的設計缺陷，項目部否定了該主軸的進口計劃，決定馬上組織技術力量進行研究，嘗試其國產的可能性。
在隨后的拆檢中我們發現，該主軸斷裂部位發生在軸上部軸徑Ø489至軸徑Ø630的圓弧過渡區，而此過渡區原本就是應力較為集中的地方。通過對斷裂口取樣并進行掃描電鏡觀察分析，斷裂面為因主軸達到其使用的有效時間而產生的疲勞斷裂，而非因外力作用而產生的臆性斷裂。經我們充分分析論證后得出：該機型因是由42-50型旋回破碎機改型而成，除主軸加長、進料口徑增大外，其余部位井未作相應的改動。故由于進料口徑的增大，該機的破碎比也較42-50型的大，因而也增加了主軸所承受的破碎力。而主軸的直徑卻沒有得到相應的加大。同時．由于加長了主軸的長度，也使得主軸破碎點所承受的彎曲力矩相應加大。而從破碎運動的實際狀況來看，主軸圓弧過渡區是該軸承受彎曲力矩最大的區域，亦是應力較為集中的區域．因此也是整個主軸最薄弱的區域。如若主軸承受不了外力而發生斷裂，斷裂部位就應該在該薄弱區域。見圖1：
二、方案的確定
找到了主軸發生斷裂的主要原因之后，我們就開始研究怎樣降低主軸斷裂的概率。要防止主軸斷裂，除控制毛料人料粒徑外，增大主軸抗彎強度、降低主軸過渡圓弧區的應力集中系數是兩種非常有效的途徑。要增大主軸抗彎強度，在主軸長度無法改變的情況下，就必須增大主軸上部軸徑尺寸和過渡圓弧圓角尺寸。但增大主軸上部軸徑尺寸會帶來一連串其他相關零件的裝配問題，實際上行不通。所以增大過渡圓弧圓角尺寸是較為可行的方法。而降低主軸應力集中系數也只能是在過渡圓弧圜角尺寸上做文章。增大過渡圓弧豳角尺寸理論上可以改善主軸應力集中系數，具體能否改善還得通過詳細計算才能知道；提高主軸過渡圓弧區的強度和表面精度也可以降低該區的應力集中狀況。而通過我們的詳細計算，確定可以將主軸過渡圓弧圈角尺寸由原來的R160mm增大到R285mm，而不影響其它零件的裝配。由于原過渡圓弧圓角尺寸r與主軸小端軸徑d的比值r/d=160/489=0.32>0.25，通過查閱《機械設計手冊>得知，當r/d的值大于0.25以后，純粹的增大過渡圓弧圓角尺寸已不能降低該區的疲勞缺口應力系數。故過渡圓弧圓角尺寸的增大對降低該區的應力集中狀況沒有變化。但增大過渡圓弧圓角尺寸，可增大主軸的徑向截面尺寸，故而可增強主軸的抗彎強度。并且通過提高主軸過渡圓弧區的強度和表面精度也可以降低該區的應力集中狀況，如此便可改善主軸圓弧過渡區的抗彎性能，從而降低該區發生斷裂的概率。
故我們決定，為改善主軸過渡圓弧區的抗彎強度和應力集中狀況，將主軸過渡圓弧的圓角尺寸增大到R285mm．同時提高主軸過渡圓弧區的設計強度和表面精度。
顯而易見，增大主軸過渡圓弧圓角的尺寸，必然會增強主軸的抗彎強度，故對其詳細的校核計算本文從略。
還有，要防止主軸斷裂，還可以通過改變主軸材質以提高主軸的整體機械性能來實現，以利達到提高主軸整體韌性和增強主軸抗彎強度的目的。那么我們可以對該斷裂主軸的材質和機械性能進行取樣分析和實驗，并同國內不同牌號的合金結構鋼的機械性能對照比較，找出性能更加優越的材質來。如能找到，那么該主軸國產的條件就基本具備了。
三、國產材質的選擇
1．通過取樣并化學分析，該主軸化學成分如下表：
通過查閱《機械設計手冊》與我國國內合金結構鋼牌號相對照，其化學成分近似于40CrMddo。
2．通過取樣并進行機械性能試驗，該主軸的實際機械性能如下表：
3．通過查閱《機械設計手冊》，并咨誨國內有關廠家，我國現用于破碎機及提升機主軸的材料主要有四種，它們是：20CrNiMo、40CrNiMoA、40CrIdnMo、42CrMo它們的機械性能參數對照如下表：
20CrNiMo鍛造、熱處理性能較好，在采用滲碳、淬火工藝時，可具有韌性好、強度高、與軸承的結合部耐磨損的特點。小型旋回破碎機使用較好，在大型旋回破碎機上應用非常少，特別是這種主軸上嗤帶樹套的結構形式完全沒必要采用滲碳、淬火工藝制造。
40CrMnMo可應用于大型破碎機及提升機主軸，其淬透性好、強度高、韌性好，如能達到性能標準應是很好的選擇。但該材料對氳極為敏感，極易產生氫脆——即白點，生產工藝中極難控制，故很少選用；
42CrMo廣泛應用于大型破碎機、提升機主軸，其強度高、韌性好，可用于制造該破碎機主軸，但其韌性略低于40ClNiIIoA；
40CrNiMoA同樣廣泛應用于大型破碎機、提升機主軸，其淬透性好、強度高、韌性好，主要機械性能優于原破碎機主軸。并且其生產工藝成熟、機械性能穩定，替代原軸樹質應該是非常不錯。
故經過以上種種分析對比．并咨詢洛陽礦山機械研究院有關專家，主軸國產材質我捫最終選擇40CrNiMoA。
四、工藝措施的制定
材質和尺寸確定后，下面要做的就是怎樣確保主軸的加工質量滿足使用要求。關鍵的就是要制定嚴格的加工工藝并嚴格實施。經過仔細研究分析，我們最終確定了如下的加工工藝。
1．冶煉
冶煉采用∞噸鋼錠，進行真空澆注、真空脫氣，并采取特殊措施確保澆注和脫氣時的真空度及真空時間，化學成分符合JBT6396 - 92大型合金結構鋼鍛件用鋼成分標準：
2．鍛造
脫模后熱送到鍛壓車間保溫，并緩慢升溫至鍛造程度，整個過程絕對蔡止快速升沮。采用不低于6000噸的水壓機自由鍛造，鍛造比不小于3．鍛后需經過一次去氫遇火，兩次正火處理。正火采用壓縮空氣四周均勻、快速冷卻，以確保晶粒細化，并消除氫脆現象；
3．粗加工
選在061160臥式車床上進行粗加工，并留有足夠的半精車余量；
4．探傷
粗加工完畢后，需對工件進行表面裂紋和內部缺陷探傷，探傷標準執行《鍛件超聲波探傷質量標準) Q/IK905 - 92符合軸類鍛件中提升機主軸的要求：
5．熱赴理
在3Mx6M臺式熱處理爐中進行。熱處理硬度HB263 -293.，650℃保溫4小時．860℃保溫10小時，油冷2小時，空冷15分鐘，油冷1～1.5小時，480-500aC保溫20小時，350℃保溫4小時，冷卻至250 ℃；
6．機械性能檢潮
本體取樣，檢測標準執行‘大型合盒結構銅鍛件機械性能標準)JB-T6396-92中關于40CrNiMoA機械性能的要求；
7．豐精車
半精車時頂留精車余量：
8．第二次振傷
標準同上：
9．精車
按圖精車，滿足圖紙要求；
10．精磨
精磨R25過渡圓弧表面并碾壓，該表面不得有任何徽細劃痕；
11．鏜
鉆屑各孔，并攻絲。去毛刺，倒棱邊，工序完成。
附改進后的50-65主軸上部結構加工簡圖（見圖2）：
按照以上所確定的工藝方案，我項目部在洛陽某廠將50-65M-Ⅱ旋回破碎機主軸試生產出來后，于2002年7月11日將其安裝到50-65M-Ⅱ旋回破碎機中運行，至今該主軸已連續運行了近3000小時，其中第2件主軸也已連續了約2000小時，現在兩主軸各部位均反應正常。表明該50-65M-Ⅱ旋回破碎機主軸的國產化改造方案已完全達到安裝及使用要求。
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