劉文寬，嚴(yán)睿晟， 田海弘，李長(zhǎng)辛

（浙江大豐實(shí)業(yè)股份有限公司，浙江 寧波 315400）

0 引 言

卷筒組件被廣泛用于舞臺(tái)機(jī)械的提升機(jī)構(gòu)當(dāng)中，例如主舞臺(tái)、防火幕、吊桿組件（燈光、音響）、假景布局的升降等等，我公司應(yīng)用樣式基型如圖1 所示，按年生產(chǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)，各類卷筒組件2000 件以上，批量生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定且與人身安全密切相關(guān)的成型產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)是比較慎重的。

圖1 卷筒組件基型

1 卷筒組件分類

我公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的卷筒組件經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，按電動(dòng)機(jī)軸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)類型劃分卷筒組件，可分為機(jī)械固定式、焊接式、澆鑄式3 種形態(tài)[1]，如圖2～圖4所示。

圖2 機(jī)械固定式

圖3 焊接式

圖4 澆鑄式

1）電動(dòng)機(jī)軸機(jī)械固定式。法蘭1、法蘭2、軸套、卷筒相互焊接，電動(dòng)機(jī)軸通過(guò)鍵與軸套聯(lián)接，并由螺栓和壓板將其固定在法蘭2 上。

2）電動(dòng)機(jī)軸焊接式。法蘭1、法蘭2、卷筒及電動(dòng)機(jī)軸相互焊接。

3）電動(dòng)機(jī)軸澆鑄式。半成品的電動(dòng)機(jī)軸放置于待澆鑄法蘭的砂型之中，澆鑄法蘭時(shí)通過(guò)軸上的槽形成一個(gè)類似鍵的聯(lián)接與其形成一體，法蘭再與卷筒進(jìn)行焊接。

2 卷筒組件工藝分析

3 種聯(lián)接結(jié)構(gòu)的卷筒組件工藝流程在生產(chǎn)制造方面各有優(yōu)劣，適用于不同條件，以2020 年度中央電視臺(tái)春節(jié)晚會(huì)舞臺(tái)某部位應(yīng)用的一種電動(dòng)機(jī)軸機(jī)械固定式卷筒組件為案例零件，對(duì)其3 種電動(dòng)機(jī)軸聯(lián)接形式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)工藝分析。卷筒組件的基本數(shù)據(jù)如圖5 所示，其中卷筒及法蘭的材質(zhì)均為Q235B，電動(dòng)機(jī)軸材質(zhì)為40Cr，調(diào)質(zhì)230～260 HB。

圖5 卷筒組件

2.1 電動(dòng)機(jī)軸機(jī)械固定式

生產(chǎn)工藝流程從零件焊接工序完成，去應(yīng)力退火后開始描述，如圖6 所示，此時(shí)的工藝路線有兩種方案[2]：1）現(xiàn)行狀態(tài)下與電動(dòng)機(jī)軸組合，進(jìn)行整體精加工；2）焊接后的卷筒與電動(dòng)機(jī)軸分別精加工，裝配組合。

圖6 卷筒組件焊后

觀察圖5 零件的各項(xiàng)精度要求，基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B 的同軸度為0.02 mm，與繩槽部位同軸度為0.10 mm，第二種工藝方案的優(yōu)點(diǎn)在于零件維修更換時(shí)較為方便，并且對(duì)設(shè)備加工能力的要求相對(duì)降低，但實(shí)際上更換電動(dòng)機(jī)軸的維修頻率很低，在設(shè)備加工能力滿足的情況下，盡可能減少累計(jì)誤差，所以我們選擇第一種工藝方案[3]，加工工序如表1 所示。

表1 卷筒組件焊接去應(yīng)力后加工工序

對(duì)于某些卷筒直徑與電動(dòng)機(jī)軸直徑比值過(guò)大的卷筒組件，可能需要專用的設(shè)備才能加工，也可考慮增加工藝卡頭，便于一次裝卡精加工兩端軸部各尺寸和卷筒繩槽加工的基準(zhǔn)，以保證各部位的同軸度，工藝路線的難點(diǎn)為批量生產(chǎn)情況下，電動(dòng)機(jī)軸與焊后卷筒的配合，需要有嚴(yán)密可控的質(zhì)量管理措施。

2.2 電動(dòng)機(jī)軸焊接式

圖7 電機(jī)軸焊接式

圖5 右端電動(dòng)機(jī)軸部分更換為圖7 樣式，法蘭1、法蘭2、電動(dòng)機(jī)軸三者之間先行焊接后調(diào)質(zhì)處理，再整體與卷筒焊接后退火去應(yīng)力，進(jìn)行后續(xù)半精、精加工，表1工序流程中前兩序?qū)?huì)省略。

電動(dòng)機(jī)軸的材料為40Cr 且調(diào)質(zhì)處理[4]，其焊接工藝掌握不好很容易開裂，焊后的淬火組織是硬脆的高碳馬氏體，不僅冷裂紋敏感性大，而且焊后若不及時(shí)熱處理，熱影響區(qū)性能達(dá)不到原來(lái)基體金屬的性能，最好是在退火（或正火）狀態(tài)下焊接，且焊前需預(yù)熱250～300 ℃，所以如采用焊接式的結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)軸應(yīng)當(dāng)在正火狀態(tài)下與法蘭焊接[5]，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,如不能及時(shí)調(diào)質(zhì)可進(jìn)行中間退火或高于預(yù)熱的溫度下保溫一段時(shí)間，以排除擴(kuò)散氫并軟化組織。

2.3 電動(dòng)機(jī)軸澆鑄式

圖8 電機(jī)軸澆鑄式

圖5 右端電動(dòng)機(jī)軸部分更換為圖8 樣式，電機(jī)軸調(diào)質(zhì)后，并在和法蘭配合部位開槽后放置于待澆鑄法蘭的砂型之中，澆鑄時(shí)鋼水（Q235B）的溫度為1650～1680 ℃[6]，40Cr 固/液相線溫度為1420/1520℃，雖然鋼水的溫度要高于40Cr 的液相線溫度，但由于材料熱導(dǎo)率、比熱容等特性因素，其界面溫度會(huì)低于鋼水的溫度，且受鋼水?dāng)?shù)量（含熱量）的影響，所以置入的軸不可能被熔化與其融合，以一維非穩(wěn)態(tài)傳熱微分方程推導(dǎo)出的界面溫度公式，計(jì)算多種假設(shè)條件下的界面溫度T0[7]：

表2 Q235B與40Cr物性參數(shù)

將室溫T10=20 ℃、澆鑄溫度T20=1680 ℃及表內(nèi)數(shù)據(jù)代入公式，可算出界面溫度T0=896.73 ℃，遠(yuǎn)未達(dá)到40Cr鋼的液相線數(shù)值，雖然應(yīng)用此公式需存在多種假設(shè)，但作為本案例零件的研討參考已經(jīng)足夠，其切斷面如圖9 所示。零件實(shí)際澆鑄結(jié)果也顯示出軸和法蘭有明顯的邊界，因此需在軸上開槽，讓流動(dòng)的鋼水凝固在槽內(nèi)，形成一個(gè)類似鍵的聯(lián)接，澆鑄的法蘭成型后與卷筒進(jìn)行焊接及后續(xù)加工，這種澆鑄結(jié)構(gòu)可減少工廠內(nèi)部的生產(chǎn)工序，特別適合同規(guī)格大批量的生產(chǎn)，但材料的成本略有增加，采用此聯(lián)接方式還應(yīng)當(dāng)根據(jù)零件的設(shè)計(jì)及使用條件，合理考慮澆鑄溫度對(duì)零件軸力學(xué)性能的影響程度，做出相應(yīng)熱處理工序調(diào)整，按此方式生產(chǎn)案例零件，表1 工序流程中前兩序?qū)?huì)省略。

圖9 切斷面

3 結(jié) 語(yǔ)

綜合上述內(nèi)容，3 種電動(dòng)機(jī)軸聯(lián)接結(jié)構(gòu)的卷筒組件，從電動(dòng)機(jī)軸、法蘭等部分零件生產(chǎn)初始至與卷筒組合為止，不同之處的部分內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，其中凈重為含有電動(dòng)機(jī)軸組合的零件，如表3 所示。從以上電動(dòng)機(jī)軸3 種聯(lián)接結(jié)構(gòu)的卷筒組件生產(chǎn)工藝對(duì)比可以得出，如生產(chǎn)同規(guī)格批量的卷筒組件，電動(dòng)機(jī)軸澆鑄式結(jié)構(gòu)的卷筒組件，生產(chǎn)效率最高；電動(dòng)機(jī)軸焊接式結(jié)構(gòu)的卷筒組件，生產(chǎn)成本相對(duì)低廉，適用于不同規(guī)格的產(chǎn)品且生產(chǎn)方式簡(jiǎn)單，但需要有較強(qiáng)的焊接和及時(shí)熱處理的能力；電動(dòng)機(jī)軸機(jī)械固定式結(jié)構(gòu)的卷筒組件適用于機(jī)加工能力較強(qiáng)，且生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量可控的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

表3 3種聯(lián)接結(jié)構(gòu)部分內(nèi)容對(duì)比