曲軸車床SS-10B主、副靠模軸磨損原因分析及修復(fù)方法

夏超國(guó)

(十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,湖北十堰442000)

SS-10B曲軸連桿頸車床分主副兩個(gè)靠模軸,下為主靠模軸,上為副靠模軸。加工過程中對(duì)曲軸六連桿頸進(jìn)行同時(shí)切削,由于該設(shè)備是曲軸粗加工工序,切削量大,主副靠模軸要承受很大切削力,另外該設(shè)備已使用十多年,除自然磨損原因外,還有設(shè)備潤(rùn)滑不良的原因,如油孔堵塞、泵閥磨損潤(rùn)滑壓力不足等,造成靠模軸嚴(yán)重磨損。為不影響生產(chǎn),提高產(chǎn)品加工質(zhì)量,2005年下半年決定對(duì)該設(shè)備進(jìn)行一次大修,結(jié)合以前修理經(jīng)驗(yàn)和軸磨損的具體情況,提出了利用新型填補(bǔ)材料(鎳鎢銻)和熔焊堆補(bǔ)工藝技術(shù)對(duì)主副靠模軸軸頸表面進(jìn)行全面修復(fù),恢復(fù)靠模軸精度,延長(zhǎng)其使用壽命。

1 設(shè)備狀況及情況分析

刀架體大致由刀架拖板、主靠模軸、副靠模軸、四塊支承墻板和六塊活動(dòng)墻板組成。機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主靠模軸運(yùn)轉(zhuǎn),主副靠模軸由一組齒輪帶動(dòng)同步旋轉(zhuǎn),刀架體移動(dòng)由一液壓油缸推動(dòng)實(shí)施快進(jìn)、工進(jìn)、快退工作循環(huán),完成工件切削加工過程?？磕］S和軸瓦磨損,配合間隙過大,在設(shè)備運(yùn)行過程中主要表現(xiàn)為:機(jī)床震動(dòng)大,加工過程中機(jī)床異響。加工零件質(zhì)量表現(xiàn)為軸頸外圓多邊形,橢圓度超差,軸向位置度超差。對(duì)主、副靠模軸、軸瓦磨損的情況進(jìn)行分析如下:

該連桿頸車床是由主、副靠模軸來實(shí)現(xiàn)曲軸連桿頸車削加工的,主、副靠模軸與軸瓦間隙的大小直接影響曲軸連桿頸的加工質(zhì)量。大修過程中通過對(duì)其主副靠模軸、軸瓦解體測(cè)量發(fā)現(xiàn)靠模軸所有軸頸存在不同程度磨損,溝槽明顯,主靠模軸二、四、五軸頸橢圓度超過0.15 mm。副靠模軸更為嚴(yán)重,磨損溝槽深度有的達(dá)到0.3 mm以上,五、六軸頸錐度達(dá)到0.1 mm之多。通過對(duì)軸瓦檢查發(fā)現(xiàn)拉傷磨損嚴(yán)重,軸與軸瓦之間數(shù)據(jù)比較,主靠模軸最大間隙達(dá)0.69 mm,副靠模軸最大間隙達(dá)0.47 mm。這次設(shè)備大修非常重要的一項(xiàng)就是對(duì)主副靠模軸進(jìn)行全面修復(fù),為了獲得修復(fù)的第一手資料,確保修理工藝的編制,下面對(duì)主、副靠模軸和軸瓦相關(guān)尺寸進(jìn)行測(cè)量。

1.1 主靠模軸及連桿頸軸瓦的測(cè)量

主靠模軸連桿頸是分體結(jié)構(gòu),連桿頸表面為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)而且分為兩片(如圖1)

圖1 主靠模軸示意圖

對(duì)主靠模軸及連桿頸軸瓦尺寸的測(cè)量結(jié)果如下(表1):

表1 主靠模軸及連桿頸軸瓦尺寸測(cè)量結(jié)果

主靠模軸四個(gè)支承軸頸和支承軸瓦的情況:軸頸橢圓最大為0.02 mm,表面有拉傷磨損痕跡,支承軸瓦受切削沖力的影響,軸瓦有一定磨損,最大橢圓為0.15 mm。

根據(jù)以上的測(cè)量結(jié)果和對(duì)主靠模軸及軸瓦外表面的觀察,其磨損嚴(yán)重,最大間隙為0.69 mm,最小配合間隙為0.15 mm,而裝配要求是在0.09 mm之內(nèi)。

1.2 副靠模軸及連桿頸軸瓦的測(cè)量

對(duì)副靠模軸及連桿頸軸瓦尺寸的測(cè)量結(jié)果如下(表2):

表2 副造模軸及連桿頸軸瓦尺寸測(cè)量結(jié)果

通過對(duì)副靠模軸及軸瓦測(cè)量結(jié)果看,主軸頸磨損較小,而連桿頸和軸瓦磨損較為嚴(yán)重,連桿頸表面磨損凹槽明顯。

結(jié)合主副靠模軸、軸瓦測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)物表面檢查情況分析,主要有以下幾個(gè)方面原因:

(1)主靠模軸每個(gè)連桿頸是由兩塊半圓鑲在靠模軸上,內(nèi)孔為正方形,四邊有調(diào)整墊板,墊板的作用是用來調(diào)整六個(gè)連桿頸相位尺寸。因連桿頸表面為不對(duì)稱分體結(jié)構(gòu)(如圖1),且軸頸表面與軸瓦表面接觸不均,在設(shè)備加工過程中主靠模軸由于受切削沖擊力的影響,造成承受局部壓力不均衡,軸頸表面磨損不均勻,橢圓度變大。

(2)副靠模軸由于處在機(jī)床的最上方,防護(hù)裝置變形,冷卻水、鐵屑很容易進(jìn)入到傳動(dòng)裝置表面,使副靠模軸運(yùn)行環(huán)境較差,潤(rùn)滑條件較為困難。另外從軸頸磨損溝槽和連桿軸瓦磨損情況判斷軸瓦寬度偏窄,兩個(gè)浮動(dòng)調(diào)整孔的存在使軸與瓦的接觸面積不到60%,切削中受沖擊力影響變形磨損較大。

(3)部分潤(rùn)滑油孔堵塞,軸瓦潤(rùn)滑分配器已損壞,無(wú)法調(diào)節(jié)流量大小,集中潤(rùn)滑氣動(dòng)潤(rùn)滑泵(ALS -25ML)兩個(gè)其中一個(gè)已經(jīng)磨損無(wú)法工作,潤(rùn)滑不足使軸、軸瓦處于不良潤(rùn)滑狀態(tài),加劇了靠模軸頸和軸瓦的磨損。

(4)從現(xiàn)場(chǎng)加工情況了解,刀具定期更換制度沒有很好執(zhí)行,刀具磨損造成切削力加大,主副靠模軸、軸瓦受切削沖擊力的影響增大,加劇軸和軸瓦的磨損。

2 修復(fù)工藝方案的確定

以前對(duì)軸、瓦磨損修復(fù)都是采用刮配軸瓦保證配合間隙,對(duì)軸頸磨損拉傷沒有更好的處理辦法。由于是進(jìn)口設(shè)備圖紙資料不完善,設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,主副靠模軸更新,目前國(guó)內(nèi)沒有廠家有能力加工這種軸,另外從經(jīng)濟(jì)性考慮,加工一件靠模軸非常昂貴,不可取。大修設(shè)備解體后,從軸頸、軸瓦磨損的情況看,再采用以前的只是配瓦修磨的辦法也不行,軸頸磨損橢圓超過0.1 mm,表面耐磨層硬度不夠,拉傷溝槽明顯,而靠模軸與軸瓦要求配合間隙在0.09 mm以內(nèi)。根據(jù)加工零件多邊形嚴(yán)重質(zhì)量問題的情況,恢復(fù)主副靠模軸精度勢(shì)在必行。自熔合金問世以來,材料表面修補(bǔ)和強(qiáng)化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。近年來包括感應(yīng)熔焊、激光束熔焊和等離子堆焊等熱噴焊技術(shù)發(fā)展迅速,也較為成熟,于是我們確定了利用新型填補(bǔ)材料鎳鎢銻(NiWTi)和熔焊堆補(bǔ)工藝技術(shù)對(duì)主副靠模軸頸表面進(jìn)行修復(fù)[1],然后再修配軸瓦配合精度的修理方案[2]。

2.1 主靠模軸的修復(fù)

主靠模軸的修復(fù)包括四個(gè)支承軸主軸頸和六個(gè)連桿頸的修補(bǔ),修磨后各項(xiàng)精度達(dá)到設(shè)備圖紙要求(測(cè)繪圖)。主要精度要求如下:所有軸頸圓度≤0.008 mm,錐度≤0.008 mm,精磨后軸頸中鼓量0.002-0.005 mm,跳動(dòng)≤0.008 mm,曲柄半徑為57.5±0.05,相位角為:120°±15′,表面粗糙度為R0.4。

圖2 主靠模軸結(jié)構(gòu)圖

對(duì)主靠模修理主要分三步進(jìn)行,(1)熔焊堆補(bǔ)加工前要先對(duì)靠模軸進(jìn)行修磨。目的:去掉表面磨損部分及疲勞層;通過修磨軸頸尺寸來控制熔焊層厚度。在第一次修磨靠模軸前先在軸兩端安裝輔具,如圖所示。分別找正對(duì)應(yīng)軸徑的中心線后,用坐標(biāo)鏜在輔具端面上鉆打四個(gè)中心孔,這樣可以保證后續(xù)加工精度。在精密磨床上對(duì)軸頸進(jìn)行磨削,經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量精度達(dá)到要求后,再進(jìn)行熔焊堆補(bǔ)加工。(2)對(duì)各軸徑面進(jìn)行等熔焊堆補(bǔ),進(jìn)行尺寸增厚。將準(zhǔn)備好的堆補(bǔ)材料NiWTi金屬粉末先涂在事先預(yù)磨好的軸徑表面,將軸邊旋轉(zhuǎn)邊一層一層堆焊。由于熔焊時(shí)局部溫度很高,能夠快速將填充材料和金屬層完全熔在一起,且接合強(qiáng)度很好,另外堆補(bǔ)時(shí)間短,熱擴(kuò)散少,對(duì)整根軸的發(fā)熱變形影響極小。(3)在大型精密外圓磨床上先后磨削主軸頸和連桿頸外圓,達(dá)到圖紙要求精度尺寸。修磨后主靠模軸主要精度測(cè)量尺寸(如表3):

表3 修磨后主靠模軸主要精度測(cè)量尺寸

2.2 輔助靠模軸的修復(fù)

輔助靠模軸可采用主靠模軸修復(fù)的方法修復(fù),以達(dá)到圖紙要求精度尺寸。

2.3 主、副靠模軸軸瓦的刮配

主、副靠模軸修復(fù)好以后,根據(jù)各軸徑尺寸制造四種芯棒,分別是主靠模主軸頸芯棒、連桿頸芯棒、輔助靠模主軸徑芯棒、連桿頸芯棒。芯棒的材料為鑄鐵。具體如圖所示:

圖3 研磨棒示意圖

為了保證軸瓦中心與墻板面垂直度在 0.05 mm之內(nèi),和修刮后軸瓦與軸頸同軸度符合要求,采用了先鏜后修刮的修復(fù)工藝。具體做法是:根據(jù)修磨后靠模軸軸頸尺寸和裝配間隙要求來確定鏜瓦尺寸。在鏜瓦時(shí)將墻板固定在鏜床上,用固定軸瓦的內(nèi)孔進(jìn)行找正,使其內(nèi)孔中心與墻板面垂直度保證在0.01 mm以內(nèi),然后將軸瓦固定在內(nèi)孔里進(jìn)行鏜削,保證尺寸要求。鏜削后的軸瓦進(jìn)行刮配,為保證垂直度要求,將鏜削后的軸瓦和墻板固定在一塊平板上,用研磨芯棒對(duì)軸瓦進(jìn)行研磨刮削,使其達(dá)到配合間隙要求。

3 保障措施

經(jīng)過靠模軸修復(fù)、軸瓦刮配調(diào)整安裝后,機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn),零件加工尺寸不穩(wěn)定及外圓多邊形現(xiàn)象得到消除,連續(xù)加工400件曲軸其檢測(cè)結(jié)果都基本符合工藝要求尺寸,達(dá)到了設(shè)備精度恢復(fù)的目的。在這次大修中為保障靠模軸、軸瓦使用壽命,做了如下改造措施:

3.1 對(duì)副靠模軸軸瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行改型

副靠模軸連桿軸瓦原結(jié)構(gòu)有設(shè)計(jì)上的不足(如下圖所示),油槽、調(diào)整孔占用有效面積太大,造成軸瓦與軸實(shí)際接觸面積過小。這次修理將輔助靠模軸的軸瓦加寬了4 mm,取消了調(diào)整孔(彈簧力調(diào)整采用拆瓦調(diào)整),改進(jìn)油槽的結(jié)構(gòu)增加軸瓦接觸面積,使軸瓦強(qiáng)度和承受沖擊能力得到較大提高。

圖4 軸瓦維修前后結(jié)構(gòu)圖

3.2 設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)改造

在這次修理中除疏通清洗潤(rùn)滑油路、更新集中潤(rùn)滑氣動(dòng)泵外,增加了一套集中潤(rùn)滑站,把墻板潤(rùn)滑和軸瓦潤(rùn)滑分開,在潤(rùn)滑時(shí)間上進(jìn)行了調(diào)整,以前每8分鐘潤(rùn)滑一次改為每5分鐘潤(rùn)滑10秒,效果良好。恢復(fù)潤(rùn)滑自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng),通過有效潤(rùn)滑監(jiān)控,保證各個(gè)部件在良好的潤(rùn)滑條件下工作。

3.3 刀架進(jìn)給油缸油封改進(jìn)

刀架進(jìn)給時(shí)爬行沖刀對(duì)靠模軸及軸瓦影響很大,在這次修理中對(duì)油缸內(nèi)壁、活塞桿進(jìn)行了修磨,根據(jù)修磨后尺寸更換AIG進(jìn)口聚醚聚氨脂材料的油封。這種油封具有低摩擦系數(shù),耐磨性好,防泄漏性強(qiáng),使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)[3]。

3.4 解決超越離合器發(fā)熱問題

超越離合器發(fā)熱,摩擦片磨損,嚴(yán)重影響機(jī)床傳動(dòng)。主要原因是離合器潤(rùn)滑油選型不對(duì)(以前使用32號(hào)抗磨液壓油加倍力添加劑),潤(rùn)滑性差。根據(jù)載荷、傳動(dòng)速度和工況環(huán)境,選擇采用汽車自動(dòng)排擋油(MOBIL ATF220)。通過改型,消除了離合器發(fā)熱現(xiàn)象,離合器工作正常。

4 機(jī)床運(yùn)行及加工效果

該設(shè)備大修理改造后,機(jī)床連續(xù)運(yùn)行加工半年多時(shí)間使用狀況良好,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)無(wú)異常噪音現(xiàn)象。加工零件尺寸穩(wěn)定,符合工藝尺寸要求,解決了該工序長(zhǎng)期存在的加工質(zhì)量問題:

表面多邊形現(xiàn)象得到消除。

(1)工件軸向尺寸控制在0.1 mm以內(nèi)。

(2)加工后曲軸變形量控制在0.25 mm工藝要求范圍以內(nèi)。

(3)工件連桿頸相位精度控制在±15以內(nèi),消除了精磨工序加工黑皮現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)該設(shè)備的修理,使我們對(duì)進(jìn)口設(shè)備結(jié)構(gòu)有了進(jìn)一步了解,在這次設(shè)備大修中制定了詳細(xì)的修理方案和修理工藝,也得到多方專家的反復(fù)論證,減少了許多彎路和浪費(fèi),為修復(fù)質(zhì)量提供了保證。靠模軸成功修復(fù)對(duì)我們今后新技術(shù)、新材料的運(yùn)用提供了有力依據(jù),也為今后設(shè)備維修提供了新思路和方法。

[1]邱葭菲,蔡建剛.熔焊過程控制與焊接工藝.[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2001:4.

[2]秦立高.機(jī)修手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.1993:9.

[3]顧維邦.金屬切削機(jī)床概論[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 1992:5.