張紅梅

太重集團(tuán)軋鋼設(shè)備分公司 山西太原 030024

1 序言

大型冷軋管機(jī)作為一種周期式工作的軋機(jī)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲軸，曲軸通過(guò)連桿帶動(dòng)軋機(jī)機(jī)座前后往返直線(xiàn)移動(dòng)，軋機(jī)機(jī)座內(nèi)的上下軋輥裝置隨機(jī)座一起前后移動(dòng)，軋輥軸端齒輪與左右固定于機(jī)架上的齒條嚙合，使上下輥環(huán)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了鋼管軋制工藝的生產(chǎn)連續(xù)化。如果軋機(jī)各零部件之間裝配產(chǎn)生了累積誤差，精度超出安裝范圍，那么設(shè)備將難以運(yùn)轉(zhuǎn)。組合式曲軸是720冷軋管機(jī)的關(guān)鍵零件，精度高、加工難度大，一般由專(zhuān)業(yè)機(jī)床進(jìn)行加工，但加工費(fèi)用高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)人員的操作技術(shù)水平要求高。為打破生產(chǎn)瓶頸，在加工制造時(shí)，對(duì)其進(jìn)行工藝優(yōu)化，選用普通機(jī)床生產(chǎn)制備，將大大提高生產(chǎn)率，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、綠色制造的目標(biāo)。因此，制定合理的生產(chǎn)工藝消除加工誤差，實(shí)現(xiàn)高精度零部件的智能制造，將其組裝為大型復(fù)雜設(shè)備，具有重要意義。在此情況下，技術(shù)人員立足現(xiàn)有機(jī)床條件進(jìn)行工藝研究，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，制造出合格的產(chǎn)品。

2 曲軸結(jié)構(gòu)

曲軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由5件軸與4件曲柄組合而成的裝配體，外形尺寸為4945mm（長(zhǎng)）×1025mm（寬）×1565mm（高），拐軸距離（610±0.05）mm。軸與曲柄為過(guò)盈配合，配合尺寸為軸孔包含配重質(zhì)量約49t。軸和曲柄的材質(zhì)分別為35CrMo和35CrMoA，熱處理調(diào)質(zhì)硬度為241～269HBW，超聲波探傷要求達(dá)到Ⅱ級(jí)。曲軸加工精度要求高，主軸從左至右外圓尺寸及其相應(yīng)的表面粗糙度值分別為Ra＝3.2μm；Ra＝1.6μm；Ra＝3.2μm。主軸與拐軸平行度＜0.1mm，主軸同軸度＜φ0.1mm。

圖1 曲軸結(jié)構(gòu)

3 加工難點(diǎn)

現(xiàn)有機(jī)床加工曲軸過(guò)程中，曲軸回轉(zhuǎn)直徑接近臥式車(chē)床卡盤(pán)最大回轉(zhuǎn)直徑，曲拐軸與主軸偏心距離大，達(dá)到（610±0.05）mm，旋轉(zhuǎn)處于不平衡狀態(tài)，需要進(jìn)行配重。由于裝夾安全性差，車(chē)床轉(zhuǎn)速低，刀桿伸出長(zhǎng)，不便對(duì)刀，所以難以保證圖樣尺寸、表面粗糙度及位置精度要求。軸外圓與曲柄內(nèi)孔為過(guò)盈配合，過(guò)盈量0.7mm，裝配間隙0.7mm，實(shí)際需要曲柄內(nèi)孔熱脹1.4mm，要對(duì)曲柄內(nèi)孔進(jìn)行紅套熱裝。由于曲柄壁厚不均勻，熱脹冷縮會(huì)使其發(fā)生變形，影響加工精度，因此加工裝配過(guò)程控制曲柄的熱變形顯得尤為重要。熱裝前軸的尺寸全部加工至達(dá)到圖樣要求，為保證裝配精度，需對(duì)曲柄孔局部加熱，而不能將曲軸整體加熱，因此必須選用合適的加熱方式。由于曲軸制造過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)多道裝配和鏜孔工序，反復(fù)加熱和起吊容易產(chǎn)生變形和累積誤差，影響曲軸精度，所以控制曲柄的裝配精度同樣重要。

4 工藝制定

設(shè)備加工過(guò)程中出現(xiàn)加工誤差流的傳遞和疊加問(wèn)題，可利用泰勒公式級(jí)數(shù)展開(kāi)及長(zhǎng)期的加工經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)各工序產(chǎn)生的尺寸誤差建立誤差間的參數(shù)方程，建立制造過(guò)程產(chǎn)生加工誤差流的因素回歸模型，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化以消除誤差。通過(guò)線(xiàn)性插補(bǔ)的計(jì)算方法，可得出誤差理論值與誤差預(yù)算值之間的偏離趨勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化擬合，以此消除對(duì)機(jī)械加工過(guò)程產(chǎn)生的誤差。本工藝采取分段加工組合裝配的方式，即曲軸熱裝前，在臥式車(chē)床上將所有拐軸、主軸全部加工至達(dá)到圖樣要求；在普通鏜床上將部分曲柄內(nèi)孔加工至達(dá)到圖樣要求，另外部分曲柄內(nèi)孔直徑留余量；多次紅套裝配，將另外部分曲柄內(nèi)孔加工至達(dá)到圖樣要求。由于曲柄孔若采用燃?xì)饧訜幔菀自斐杉訜岜砻娣e炭和嚴(yán)重氧化，同時(shí)污染車(chē)間環(huán)境，因此選擇電阻式履帶電熱板加熱法，該法操作方便，便于溫度控制，并且加熱板可以在曲柄上靈活放置，容易達(dá)到對(duì)稱(chēng)加熱。曲柄孔加熱時(shí)外面用石棉板覆蓋，防止熱量散失。熱裝后，用石棉板進(jìn)行保溫，緩慢冷卻，防止產(chǎn)生應(yīng)力及變形。為了防止冷卻過(guò)程中收縮產(chǎn)生變形，制作專(zhuān)用工裝，在軸端增加壓蓋，保證曲柄與軸臺(tái)階定位貼緊，可在曲柄適當(dāng)位置用重物壓住，防止裝配過(guò)程變形。

5 裝配方案

制定曲軸的具體加工工藝路線(xiàn)如下：鑄鍛毛坯→粗加工→探傷→熱處理→探傷→半精加工→精加工→裝配→精加工（組合）→總裝配→檢測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)加工工藝路線(xiàn)，工藝方案實(shí)施前需準(zhǔn)備及制作裝配平臺(tái)、專(zhuān)用胎具、測(cè)量及裝配工具。將裝配基準(zhǔn)平臺(tái)平面加工精銑，平臺(tái)底部墊斜鐵，調(diào)整平臺(tái)高度，用水平儀找平平臺(tái)達(dá)到要求精度。為了防止軸熱裝入曲柄后冷卻收縮，必須制作工藝壓蓋，待軸和曲柄熱裝后用壓蓋將其壓緊。為防止熱裝過(guò)程曲柄水平方向發(fā)生位移造成偏差，需要使用方箱等重物壓緊以防止曲柄位移。作為熱裝難點(diǎn)的曲柄孔，使用局部加熱的專(zhuān)用履帶電加熱板（見(jiàn)圖2）和支撐工具。制備過(guò)程需準(zhǔn)備千斤頂、百分表及框式水平儀等檢測(cè)工具，這些儀器配合使用，以調(diào)平主軸和拐軸；此外需要拉桿、壓板、起吊環(huán)和螺栓等工具，用于起吊、壓緊曲柄。

圖2 專(zhuān)用履帶電加熱板

曲軸裝配詳細(xì)工藝路線(xiàn)如圖3所示。①組合一的裝配。曲柄墊等高墊塊，找正、墊平、平放曲柄于平臺(tái)上，加熱4#曲柄主軸內(nèi)孔，測(cè)量桿檢測(cè)其尺寸至合格，將5#主軸豎裝到孔內(nèi)；依主軸自重，使軸肩與曲柄端面貼緊，冷卻至室溫，再將4#曲柄基準(zhǔn)面墊基準(zhǔn)塊側(cè)立，找正，前后焊接擋塊定位，端面壓蓋螺栓拉緊。之后，加熱6#曲柄主軸內(nèi)孔，測(cè)量桿檢測(cè)合格后，將其水平裝入5#主軸上，再將端面壓蓋螺栓拉緊，壓板壓緊，冷卻至室溫。將組合一整體上鏜床，按5#軸外圓及曲柄側(cè)面基準(zhǔn)面找正，分別鏜4#、6#曲柄拐軸內(nèi)孔至達(dá)到圖樣精度要求。需要注意的是，4#曲柄側(cè)立找正后，其前后左右各方向要用焊接擋塊固定。為防止曲柄在熱裝后位置有竄動(dòng)，在其緩慢冷卻過(guò)程中，用壓蓋和螺栓壓緊4#、6#主軸端面。②進(jìn)行組合二、組合三的裝配。3#、7#拐軸豎立在平臺(tái)上，將軸承加熱，裝到拐軸上，依軸承自重，端面與軸肩貼近，緩慢冷卻至室溫。使用加熱工裝對(duì)4#、6#內(nèi)孔均勻加熱，外部覆蓋石棉保溫。測(cè)量桿檢測(cè)合格后，將拐軸和軸承整體水平裝到對(duì)應(yīng)的曲柄上，用千斤頂調(diào)整3#和7#拐軸水平，防止冷卻的過(guò)程中因拐軸自重致使拐軸下?lián)稀Ｍ瑯?，為防止曲軸在冷卻過(guò)程中軸向竄動(dòng)和徑向扭轉(zhuǎn)，用壓蓋和螺栓壓緊4#、6#拐軸內(nèi)側(cè)端面。③進(jìn)行組合四、組合五的裝配。分別將組合一、組合二、組合三及2#、8#曲柄裝配在一起。加熱2#、8#曲柄拐軸內(nèi)孔，檢測(cè)內(nèi)孔尺寸合格后，將2#、8#曲柄裝入，用端面壓蓋螺栓把緊。用方箱壓緊2#和8#曲柄，防止曲柄冷卻過(guò)程中，相對(duì)拐軸軸向移動(dòng)和徑向轉(zhuǎn)動(dòng)。待緩慢冷卻至室溫，將組合一、組合二、組合三、組合四和組合五整體上鏜床，分別鏜曲柄2#、8#主軸內(nèi)孔至達(dá)到圖樣精度要求。④進(jìn)行組合六、組合七的總裝配。分別加熱2#和8#曲柄的主軸內(nèi)孔，檢測(cè)合格后，將1#軸和9#軸水平裝配至達(dá)到圖樣要求，內(nèi)側(cè)端面壓蓋、螺栓拉緊，外端用千斤頂調(diào)平主軸，待冷卻后整體起吊至龍門(mén)銑床，檢測(cè)各尺寸精度，直至整套設(shè)備符合圖樣要求。

圖3 曲軸裝配詳細(xì)工藝路線(xiàn)

為了給曲軸確定合理的熱裝溫度，根據(jù)公式tn＝（Δ1＋Δ2）/（αdf）＋t，其中tn為拐軸與曲柄配合熱裝時(shí)加熱的理論溫度；Δ1為過(guò)盈量；Δ2為熱裝最小間隙；α為熱膨脹系數(shù)；df為拐軸與曲柄裝配時(shí)，配合的軸與孔的公稱(chēng)直徑；t為室溫。由過(guò)盈量Δ1=0.7mm、熱裝最小間隙Δ2=0.68mm，可計(jì)算出拐軸與曲柄配合熱裝時(shí)的加熱溫度為328℃。

組合件合套裝配時(shí)，依據(jù)曲軸零件之間的相互位置，在組合件端面上劃十字中心線(xiàn)，熱裝時(shí)要求中心線(xiàn)必須對(duì)齊。加熱過(guò)程中，在軸承外面用石棉與履帶鏈隔開(kāi)，防止軸承升至較高的溫度。仔細(xì)核對(duì)配合件根部圓角、端面倒角，相關(guān)尺寸精度和位置精度不相互干涉，之后進(jìn)行熱裝，復(fù)查配合尺寸，不允許有任何失誤。裝配過(guò)程中，組合一的主軸與曲柄裝配采用曲軸立式放置，便于起吊裝配；零件依靠自重，使曲柄與軸臺(tái)階面自動(dòng)貼合壓緊。其余各組合部分采用曲柄豎直，依次從中間向兩邊水平裝配，并使用方箱、螺桿和壓板緊固，擋塊固定，以減小累積誤差。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用組合裝配分段加工方式，將大型零件加工轉(zhuǎn)換為小型零件加工；將復(fù)雜的曲軸車(chē)削加工轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的鏜床加工；曲柄內(nèi)孔留工藝余量，裝配后加工，修正了裝配累積誤差，使得曲軸整體精度得到保證；基準(zhǔn)統(tǒng)一，保證了裝配精度；用履帶電熱板加熱，便于溫度控制，并且加熱板可以在曲柄上靈活放置，容易達(dá)到對(duì)稱(chēng)加熱，較好地控制加熱引起的零件變形。

大型組合式曲軸的工藝研究，使組合式曲軸加工不再依賴(lài)于曲軸專(zhuān)用機(jī)床，為組合曲軸加工解決了一個(gè)關(guān)鍵難題，不僅降低了制造成本，縮短了制造周期，而且提高了大型冷軋管機(jī)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。