組合式曲軸制造工藝

張紅梅

太重集團軋鋼設(shè)備分公司 山西太原 030024

1 序言

大型冷軋管機作為一種周期式工作的軋機，由電動機帶動曲軸，曲軸通過連桿帶動軋機機座前后往返直線移動，軋機機座內(nèi)的上下軋輥裝置隨機座一起前后移動，軋輥軸端齒輪與左右固定于機架上的齒條嚙合，使上下輥環(huán)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)了鋼管軋制工藝的生產(chǎn)連續(xù)化。如果軋機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)備將難以運轉(zhuǎn)。組合式曲軸是720冷軋管機的關(guān)鍵零件，精度高、加工難度大，一般由專業(yè)機床進行加工，但加工費用高、生產(chǎn)周期長，對生產(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，對其進行工藝優(yōu)化，選用普通機床生產(chǎn)制備，將大大提高生產(chǎn)率，可實現(xiàn)節(jié)能降耗、綠色制造的目標。因此，制定合理的生產(chǎn)工藝消除加工誤差，實現(xiàn)高精度零部件的智能制造，將其組裝為大型復雜設(shè)備，具有重要意義。在此情況下，技術(shù)人員立足現(xiàn)有機床條件進行工藝研究，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）×1025mm（寬）×1565mm（高），拐軸距離（610±0.05）mm。軸與曲柄為過盈配合，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，超聲波探傷要求達到Ⅱ級。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

現(xiàn)有機床加工曲軸過程中，曲軸回轉(zhuǎn)直徑接近臥式車床卡盤最大回轉(zhuǎn)直徑，曲拐軸與主軸偏心距離大，達到（610±0.05）mm，旋轉(zhuǎn)處于不平衡狀態(tài)，需要進行配重。由于裝夾安全性差，車床轉(zhuǎn)速低，刀桿伸出長，不便對刀，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)孔為過盈配合，過盈量0.7mm，裝配間隙0.7mm，實際需要曲柄內(nèi)孔熱脹1.4mm，要對曲柄內(nèi)孔進行紅套熱裝。由于曲柄壁厚不均勻，熱脹冷縮會使其發(fā)生變形，影響加工精度，因此加工裝配過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到圖樣要求，為保證裝配精度，需對曲柄孔局部加熱，而不能將曲軸整體加熱，因此必須選用合適的加熱方式。由于曲軸制造過程中需要經(jīng)過多道裝配和鏜孔工序，反復加熱和起吊容易產(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)備加工過程中出現(xiàn)加工誤差流的傳遞和疊加問題，可利用泰勒公式級數(shù)展開及長期的加工經(jīng)驗，通過各工序產(chǎn)生的尺寸誤差建立誤差間的參數(shù)方程，建立制造過程產(chǎn)生加工誤差流的因素回歸模型，對其進行優(yōu)化以消除誤差。通過線性插補的計算方法，可得出誤差理論值與誤差預(yù)算值之間的偏離趨勢，對其進行優(yōu)化擬合，以此消除對機械加工過程產(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，在臥式車床上將所有拐軸、主軸全部加工至達到圖樣要求；在普通鏜床上將部分曲柄內(nèi)孔加工至達到圖樣要求，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)孔加工至達到圖樣要求。由于曲柄孔若采用燃氣加熱，容易造成加熱表面積炭和嚴重氧化，同時污染車間環(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，容易達到對稱加熱。曲柄孔加熱時外面用石棉板覆蓋，防止熱量散失。熱裝后，用石棉板進行保溫，緩慢冷卻，防止產(chǎn)生應(yīng)力及變形。為了防止冷卻過程中收縮產(chǎn)生變形，制作專用工裝，在軸端增加壓蓋，保證曲柄與軸臺階定位貼緊，可在曲柄適當位置用重物壓住，防止裝配過程變形。

5 裝配方案

制定曲軸的具體加工工藝路線如下：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。

為實現(xiàn)加工工藝路線，工藝方案實施前需準備及制作裝配平臺、專用胎具、測量及裝配工具。將裝配基準平臺平面加工精銑，平臺底部墊斜鐵，調(diào)整平臺高度，用水平儀找平平臺達到要求精度。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。作為熱裝難點的曲柄孔，使用局部加熱的專用履帶電加熱板（見圖2）和支撐工具。制備過程需準備千斤頂、百分表及框式水平儀等檢測工具，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 專用履帶電加熱板

曲軸裝配詳細工藝路線如圖3所示。①組合一的裝配。曲柄墊等高墊塊，找正、墊平、平放曲柄于平臺上，加熱4#曲柄主軸內(nèi)孔，測量桿檢測其尺寸至合格，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#曲柄基準面墊基準塊側(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，測量桿檢測合格后，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)面基準面找正，分別鏜4#、6#曲柄拐軸內(nèi)孔至達到圖樣精度要求。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，在其緩慢冷卻過程中，用壓蓋和螺栓壓緊4#、6#主軸端面。②進行組合二、組合三的裝配。3#、7#拐軸豎立在平臺上，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4#、6#內(nèi)孔均勻加熱，外部覆蓋石棉保溫。測量桿檢測合格后，將拐軸和軸承整體水平裝到對應(yīng)的曲柄上，用千斤頂調(diào)整3#和7#拐軸水平，防止冷卻的過程中因拐軸自重致使拐軸下?lián)?。同樣，為防止曲軸在冷卻過程中軸向竄動和徑向扭轉(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，防止曲柄冷卻過程中，相對拐軸軸向移動和徑向轉(zhuǎn)動。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)孔至達到圖樣精度要求。④進行組合六、組合七的總裝配。分別加熱2#和8#曲柄的主軸內(nèi)孔，檢測合格后，將1#軸和9#軸水平裝配至達到圖樣要求，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銑床，檢測各尺寸精度，直至整套設(shè)備符合圖樣要求。

圖3 曲軸裝配詳細工藝路線

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加熱的理論溫度；Δ1為過盈量；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，配合的軸與孔的公稱直徑；t為室溫。由過盈量Δ1=0.7mm、熱裝最小間隙Δ2=0.68mm，可計算出拐軸與曲柄配合熱裝時的加熱溫度為328℃。

組合件合套裝配時，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，熱裝時要求中心線必須對齊。加熱過程中，在軸承外面用石棉與履帶鏈隔開，防止軸承升至較高的溫度。仔細核對配合件根部圓角、端面倒角，相關(guān)尺寸精度和位置精度不相互干涉，之后進行熱裝，復查配合尺寸，不允許有任何失誤。裝配過程中，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，使曲柄與軸臺階面自動貼合壓緊。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

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；將復雜的曲軸車削加工轉(zhuǎn)化為簡單的鏜床加工；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，容易達到對稱加熱，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于曲軸專用機床，為組合曲軸加工解決了一個關(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產(chǎn)品的市場競爭力。