吳志勇，徐景程，何雨華，李文武

(1.浙江美安普礦山機械股份有限公司，浙江 衢州324000；2.浙江長征職業(yè)技術學院，浙江 杭州310023）

1 前言

我公司近期開發(fā)的一款大型重載礦山機械設備中，涉及到一種利用精密錐度主軸（以下簡稱“主軸”）過盈配合后作為定位及固定端（見圖1）的冷裝工藝。機器在工作過程中，主軸要承受很大的沖擊載荷，所以要確保主軸定位正確，安裝牢固。在滿足各裝配零件加工精度的同時，研究過盈配合的裝配工藝顯得尤為重要。零件過盈配合安裝通常采用壓力裝配工藝和加熱包容件法裝配工藝。壓力裝配工藝一般應用于過盈量較小的場合；而對于加熱包容件法裝配工藝，應根據(jù)零件材質(zhì)的熱敏感特性加以區(qū)別選擇。

本設備主軸安裝結(jié)構(gòu)見圖1，安裝錐孔的下架體體積龐大且壁厚變化較大，承受高沖擊的主軸裝配過盈量也很大（徑向約0.44 mm）。經(jīng)分析，采用上述兩種常見裝配工藝存在影響產(chǎn)品安全的局限性。因此，利用主軸零件的冷敏感特性，結(jié)合主軸安裝方式，探索出了一種冷裝工藝方法。

圖1 主軸與錐孔裝配剖面圖

2 冷裝工藝原理

冷裝工藝是指借助金屬零件受冷收縮的性質(zhì)設計的一種低溫裝配工藝。對于原本具有過盈配合的連接件，把被包容零件置于冷卻介質(zhì)當中，零件尺寸收縮變小，使得過盈連接形式轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙連接形式，以降低裝配難度。當裝配體溫度恢復到正常狀態(tài)時，被包容零件就會緊緊地與包容零件配合到一起，從而達到所需的裝配技術要求。

3 冷裝工藝理論計算與試驗數(shù)據(jù)

冷裝工藝理論計算

式中 T——冷凍溫度，℃

x——實際過盈量，mm

y——實際需要間隙，mm

α——線脹系數(shù)，1/℃

t——裝配環(huán)境溫度，℃

d——主軸軸徑，mm

K——補償系數(shù)

對于鋼，α=10.5×10-6/℃；K=1.1～1.4，一般熱天取大值，冷天取小值。

根據(jù)公式（1），按表1給定數(shù)據(jù)，計算主軸冷凍溫度T。

借鑒以上主軸冷凍溫度理論計算結(jié)果，參考公司以往產(chǎn)品零部件冷凍安裝實驗數(shù)據(jù)，對比分析本主軸安裝過盈量要求在0.41～0.47 mm范圍內(nèi)，其主軸需在專用低溫冷凍箱內(nèi)冷凍2 h左右，并且冷凍箱內(nèi)溫度保持在-110℃左右（見圖2）。

表1 主軸冷凍溫度計算表

4 冷裝工藝過程

4.1 備料

包括零件領料，裝配作業(yè)支架，調(diào)整工裝，輔助固定工裝，準備專用冷凍箱、液氮儲罐（按需求量充足配備），備齊專用測量卡板、高度尺、塞尺等。

4.2 檢查工序

檢查各裝配零件加工表面有無磕碰，如有磕碰，用油光銼和金相砂紙修復；去除配合面雜質(zhì)和污漬，并確認零件表面干燥。

圖2 冷凍試驗裝置

4.3 預裝工序

檢查主軸和錐孔接觸情況，要求預安裝錐面接觸率≥75%為合格，否則返工。調(diào)整主軸軸向尺寸的工裝，安裝在下架體底部待用（見圖3）。

圖3 調(diào)整工裝安裝圖

4.4 冷裝介質(zhì)選擇

冷裝介質(zhì)采用液態(tài)氮，因為液態(tài)氮便于采購，價格也比較低廉，可以大大降低安裝成本。此外，氮氣屬于不活潑氣體，揮發(fā)后也沒有危險性。液態(tài)氮的需求量根據(jù)裝配零件尺寸大小、冷凍溫度及冷凍時間等因素來確定。

4.5 專用冷凍箱

為了達到冷凍效果，本著節(jié)約冷凍介質(zhì)的目的，根據(jù)主軸尺寸大小對冷凍箱進行設計和制作。專用冷凍箱的高度首先要能把主軸全部放到里面，但其直徑方向的尺寸不能太大，一般為主軸直徑的1.5～2倍，方便主軸固定及吊取操作即可。

4.6 主軸冷裝工藝步驟

（1）用吊裝工具將潔凈的主軸豎直吊入冷凍箱并確保穩(wěn)固，往冷凍箱里持續(xù)注入液氮（見圖2），直至浸沒主軸2/3-4/5 高度為止。注入完成后，靜置2小時左右確保降溫達標，即可進行冷裝操作。在冷凍過程中，不得拆除吊裝工具，因為冷凍結(jié)束后吊裝工具可能無法安裝。

（2）將冷凍后的主軸垂直吊入錐孔，由質(zhì)檢員用高度尺沿圓周四處均勻測量745.40±0.26 尺寸（見圖4），如尺寸大于上限（745.66），則迅速吊出，重新進行冷凍；如小于下限（745.14），則通過底部工裝（見圖3）調(diào)整高度尺寸達到要求。在主軸上端面加裝輔助固定工裝，以便控制主軸與錐孔的過盈量。

（3）質(zhì)檢員每半小時監(jiān)測一下裝配體的情況，包括下架體和主軸的溫差、輔助固定工裝螺母的松緊程度。如太緊，要及時通知裝配人員適當松一些，待兩工件溫度一致（溫差≤3°C）即可。

（4）質(zhì)檢員用高度尺沿圓周四處均勻測量746.52±0.50 尺寸（見圖5），并做記錄。檢驗合格后本次冷裝結(jié)束，轉(zhuǎn)入下道工序。

圖4 冷凍高度測量尺寸圖

圖5 常溫高度測量尺寸圖

5 操作方法及注意事項

（1）操作員要做好必要的勞動防護措施，佩戴防護鏡和防護手套，并通知無關人員撤離至安全距離之外，避免發(fā)生凍傷；

（2）剛加入冷卻劑時，會出現(xiàn)劇烈的沸騰現(xiàn)象，一定要控制好冷卻劑注入速度和注入量，避免濺出傷人；

（3）為了保障冷裝質(zhì)量，在冷卻之前要考慮好冷卻之后的快速吊裝環(huán)節(jié)；

（4）盡量不要長時間面對冷凍箱呼吸，以免吸入氮氣凍傷呼吸道。

6 結(jié)束語

操作實踐表明，該冷裝工藝簡單方便，保證了裝配質(zhì)量，操作難度不大。由于冷裝工藝在大過盈精密錐度配合中具有獨到優(yōu)勢，今后在系列產(chǎn)品類似結(jié)構(gòu)零件安裝中也可應用。采用冷裝工藝之前，應結(jié)合實際情況全面分析，以起到良好的冷裝效果。