超長大過盈組合厚壁圓筒裝配方法研究及應(yīng)用

于泓 周杰 黃界

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)設(shè)備也在向著超大型和重型化發(fā)展。近年來，作為重要的鋁材擠壓設(shè)備，擠壓機(jī)的擠壓能力也在不斷增大，而作為擠壓機(jī)中主要擠壓工具的擠壓筒，其直徑和噸位也在不斷增大。對于擠壓筒這種通過超長過盈聯(lián)接組合而成的厚壁圓筒式大型軸類件，隨著其重量、過盈聯(lián)接配合面的直徑、配合長度以及過盈量的增加，小型軸類件的過盈裝配方法不再適用。本文在查閱相關(guān)文獻(xiàn)及技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，以擠壓筒為例，對超長大過盈組合厚壁圓筒的裝配方法進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，為今后類似大型軸類件的裝配提供參考。

1 結(jié)構(gòu)及組成

擠壓筒為外套、內(nèi)襯等組合而成的厚壁圓筒，如圖1所示。其中外套外徑2900 mm，內(nèi)徑1450 mm/1420 mm，高度2375 mm，重約85 t，壁厚最大為740 mm；內(nèi)襯外徑1450 mm/1420 mm，內(nèi)徑1000 mm，重約16 t；外套、內(nèi)襯間配合直徑為1450 mm/1420 mm，配合總長2375 mm，過盈量2.17 mm，屬超長大過盈配合。

圖1 擠壓筒

從結(jié)構(gòu)來看，外套、內(nèi)襯間軸向通過止口定位；對于圓周方向，外套、內(nèi)襯間無定位結(jié)構(gòu)，但由于外套、內(nèi)襯上的測溫孔需在外套/內(nèi)襯裝配完成后一起加工以保證孔的同軸度，內(nèi)襯外圓上有裝配前加工完成的用于通冷空氣的3頭螺旋槽，為避免后續(xù)加工時測溫孔與3頭螺旋槽貫穿，造成鐵屑進(jìn)入螺旋槽而無法清理，外套、內(nèi)襯裝配前必須按要求在外套/內(nèi)襯上端面成180°刻對位線，裝配時嚴(yán)格按對位線進(jìn)行圓周對位。

2 裝配方法

過盈聯(lián)接的裝配方法，一般有壓裝、冷裝、熱裝等。壓裝一般使用工具或壓力機(jī)壓入的方式進(jìn)行裝配，主要用于配合面要求較低或配合長度短、過盈量小的過盈聯(lián)接件裝配；冷裝一般使用干冰、液氧、液氮等進(jìn)行冷卻，受限于冷卻介質(zhì)自身特性及所用冷卻設(shè)備，主要用于配合面精度要求較高、過盈量小的小型零件冷卻裝配；熱裝因其加熱方法多，所能達(dá)到的加熱溫度高，可用于各類過盈聯(lián)接件的裝配。綜合各裝配方法的適用范圍、所用設(shè)備或工具，對于擠壓筒這種超長配合、大過盈、配合面質(zhì)量要求高的厚壁圓筒的裝配選用熱裝方法進(jìn)行。

3 裝配要點(diǎn)及技術(shù)方案

3.1 加熱方法及加熱設(shè)備的選擇

(1)裝配要點(diǎn)

對于加熱方法，常用的有介質(zhì)加熱、火焰加熱、感應(yīng)加熱、電阻加熱等，不同的加熱方法其工藝特點(diǎn)也不相同。介質(zhì)加熱通常使用沸水槽、油槽進(jìn)行加熱，熱脹均勻，但受介質(zhì)本身特性以及加熱設(shè)備的限制，介質(zhì)加熱適用于過盈量不大的小型工件；火焰加熱主要對工件內(nèi)孔進(jìn)行加熱，熱傳導(dǎo)快但熱脹不均勻，且長時間加熱容易在工件加熱表面形成氧化皮，影響裝配質(zhì)量；感應(yīng)加熱主要使用感應(yīng)加熱器進(jìn)行加熱，加熱速度快，熱脹不均勻，且受限于加熱設(shè)備，一般用于小型工件的加熱；電阻加熱可加熱溫度高，熱脹均勻，表面潔凈，加熱工件范圍主要取決于電阻爐大小。

就熱裝而言，首先需要選擇合適的加熱方法和加熱設(shè)備，以滿足加熱溫度、加熱均勻性、工件表面質(zhì)量等方面的要求。

(2)技術(shù)方案

綜合上述各加熱方法的特點(diǎn)，熱裝時選用了臺車電阻爐對擠壓筒外套進(jìn)行加熱。

3.2 裝配間隙及加熱溫度的確定

(1)裝配要點(diǎn)

加熱溫度按式(1)計算：

(1)

式中，tn為包容件加熱溫度(℃)；δ1為最大過盈量(mm)；δ2為熱裝時所需的最小裝配間隙(mm)；α為材料的線膨脹系數(shù)(℃-1)；df為結(jié)合直徑(mm)；t為環(huán)境溫度(℃)。

對于擠壓筒來說，在外套加熱完成出爐到內(nèi)襯完成裝配，中間涉及：1)外套的轉(zhuǎn)運(yùn)就位；2)外套內(nèi)孔熱脹量的測量；3)基于外套本身及支撐方箱的高度，在外套就位后需要在外套周圍搭建腳手架用于近距離指揮內(nèi)襯的裝配；4)內(nèi)襯吊裝到位。由于整個裝配過程用時較長，而長時間裝配會出現(xiàn)外套脹量減少、內(nèi)襯導(dǎo)熱脹大，造成裝配中途因外套與內(nèi)襯間隙過小或無間隙而卡死，因此需要有足夠的裝配間隙，而過大的裝配間隙會使得加熱溫度過高，接近或超過工件的回火溫度，影響工件的力學(xué)性能，因此在計算工件的加熱溫度時，需要對加熱溫度及熱裝間隙進(jìn)行綜合評估，以滿足裝配要求。

(2)技術(shù)方案

熱裝時所需的最小間隙經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為配合直徑的1/1000～1.5/1000 mm[1]；根據(jù)外套熱處理工藝規(guī)范，其回火溫度為520～540℃。因此綜合考慮擠壓筒外套/內(nèi)襯間配合直徑、配合長度，必要的裝配時長引起的外套內(nèi)孔收縮以及內(nèi)襯導(dǎo)熱脹大，以及外套的回火溫度，將熱裝時裝配間隙確定為2.5 mm，加熱溫度確定為330℃。

3.3 加熱和保溫時間的確定

(1)裝配要點(diǎn)

在工件的加熱過程中，加熱時間、保溫時間過長，會造成能源浪費(fèi)、成本增加；加熱時間過短，升溫速度過快，可能會造成工件產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，導(dǎo)致工件產(chǎn)生裂紋；保溫時間過短，會造成工件熱膨脹不到位，裝配間隙不滿足要求，導(dǎo)致裝配時出現(xiàn)卡死的情況。

對于工件的加熱和保溫時間，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為每厚10 mm需要10 min的加熱時間，每厚40 mm需要10 min的保溫時間[1]，對于擠壓筒外套來說加熱時間為740 min，保溫時間為185 min。

按文獻(xiàn)[2]中加熱保溫時間τ=KαD，τ為加熱或保溫時間；K為裝爐系數(shù)，K取1(加熱、保溫)；α為加熱或保溫系數(shù)，加熱時取1.0～1.1 min/mm，保溫時取0.5～0.6 min/mm(燃?xì)鉅t、合金鋼)；D為工件等效截面(mm)，保守計算擠壓筒外套的加熱時間為814 min，保溫時間444 min。

從以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，對于工件的加熱時間，文獻(xiàn)[1]中加熱時間經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對不同規(guī)格的零件基本滿足要求；對于工件的保溫時間，文獻(xiàn)[1]中保溫時間經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對于小型薄壁件基本滿足要求，但對于壁厚大長度長的圓筒類零件，即便按照文獻(xiàn)[2]保守計算，其保溫時間也過短，因此需要確定合理的加熱、保溫時間，以保證工件內(nèi)孔熱脹量，實(shí)現(xiàn)成功裝配。

(2)技術(shù)方案

對于外套的加熱時間，根據(jù)文獻(xiàn)[1]經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定為720 min。為避免升溫速度過快導(dǎo)致工件出現(xiàn)問題，升溫速度按≤30℃/h控制。

對于大型軸類件保溫時間的計算，目前相關(guān)文獻(xiàn)及技術(shù)資料基本只有熱處理的保溫時間的經(jīng)驗(yàn)計算公式，但熱裝與熱處理不同，熱裝只需要工件各部分溫度均達(dá)到要求加熱溫度即可，而熱處理需要在工件各部分溫度達(dá)到要求加熱溫度后再增加一定的保溫時間，保證工件內(nèi)部應(yīng)力充分釋放或者內(nèi)部晶相組織變化均衡，因此熱處理的保溫時間不適用于熱裝，需要采用一套新的公式來計算外套的保溫時間。為推導(dǎo)大型軸類件的熱裝保溫時間經(jīng)驗(yàn)公式，提出了以下假設(shè)：

以圖2所示圓筒為例，假設(shè)保溫時工件內(nèi)部的均溫過程為一種特殊粒子布滿工件的過程，工件的保溫時間按按式(2)計算：

D—外徑；d—內(nèi)徑；B—壁厚；H—高度。

(2)

式中，τ是工件保溫時間(min)；β是粒子在工件內(nèi)的分布密度，與工件材質(zhì)相關(guān)(mm-3)；γ是粒子在工件表面的分布密度，與加熱爐相關(guān)(mm-3)；V是工件體積(mm3)；S是工件表面積(mm2)；v是粒子在工件內(nèi)的平均傳播速度(mm/min)。

將圓筒體積、表面積公式代入式(2)，可得：

(3)

式中，B是圓筒壁厚(mm)；H是圓筒高度(mm)。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]保溫時間計算方式，為方便計算，對式(3)進(jìn)行了簡化，簡化后如下：

(4)

從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看：對壁厚B<100 mm的圓筒，按式(4)計算保溫時間時v可取1 mm/min；對壁厚B≥100 mm且H>B的圓筒，v在隨著壁厚、高度的增加而變小。表1為一些不同直徑、壁厚、高度圓筒(材質(zhì)：合金鋼)的實(shí)際保溫時間，因未采用專門的熱電偶來監(jiān)控，保溫時間的誤差大約為±200 min。

表1 不同直徑、壁厚、高度圓筒的保溫時間

根據(jù)表1，綜合考慮壁厚、高度，在按式(4)計算壁厚B≥100 mm且H>B的圓筒的保溫時間時，將B、v修正為B1、v1，修正后的關(guān)系式為：

(5)

(6)

則壁厚B≥100mm且H>B的圓筒(材質(zhì)：合金鋼)保溫時間的計算公式為：

(7)

式中，k是與壁厚B、高度H有關(guān)的綜合系數(shù)(min/mm2)，按表1數(shù)據(jù)綜合系數(shù)k值暫定為0.015 min/mm2。

對擠壓筒外套，其壁厚B最大為740 mm，高度H為2375 mm，按式(7)計算其保溫時間為3513 min。為確保擠壓筒外套被加熱到要求溫度，加熱時在外套徑向氣孔中布置熱電偶，用來監(jiān)控加熱溫度。

3.4 熱脹量的測量

(1)裝配要點(diǎn)

由于加熱和保溫時間是根據(jù)理論計算結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的結(jié)果，在加熱和保溫時間、加熱溫度達(dá)到要求后，擠壓筒外套內(nèi)孔脹量能否達(dá)到計算值，是裝配成功的關(guān)鍵。內(nèi)孔尺寸通常用內(nèi)徑千分尺進(jìn)行測量，但由于加熱后的外套溫度高達(dá)330℃，使用內(nèi)徑千分尺測量容易造成測量器具的損傷，且測量的操作危險性高，因此需要制作專用的可以快速測量內(nèi)孔脹量的工裝。

(2)技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)擠壓筒外套內(nèi)徑的測量，設(shè)計了專用的熱脹量測量工裝—T型測量棒，測量工裝一端為可調(diào)節(jié)測量頭，如圖3所示。

圖3 熱脹量測量工裝

測量工裝在熱裝前需用外徑千分尺進(jìn)行校對，校對尺寸即為外套加熱脹大后內(nèi)孔的計算值，按式(8)計算：

d2=d1+δ1+δ3

(8)

式中，d2為擠壓筒外套內(nèi)徑校對值(mm)；d1為擠壓筒內(nèi)襯外徑實(shí)際尺寸(mm)；δ1為最大過盈量(mm)；δ3為熱裝時的所需的裝配間隙(mm)。

3.5 快速裝入

(1)裝配要點(diǎn)

在擠壓筒外套與內(nèi)襯裝配時，如果裝配時間過長，會出現(xiàn)外套脹量減少、內(nèi)襯導(dǎo)熱脹大等問題，造成外套與內(nèi)襯間間隙過小或無間隙裝配，導(dǎo)致裝配中途卡死，使得零件報廢。從裝配過程來看，為縮短裝配時間，保證內(nèi)襯能夠快速裝入外套，就是要采取措施縮短必要裝配時長外的輔助準(zhǔn)備時間。

(2)技術(shù)方案

對整個裝配過程進(jìn)行分析，必要裝配工序外的主要輔助準(zhǔn)備工作有：1)T型測量棒尺寸校對；2)由于外套和內(nèi)襯的裝配采用立裝的方式進(jìn)行，裝配時需要調(diào)整外套、內(nèi)襯孔軸的垂直，避免因外套、內(nèi)襯裝配時不同軸導(dǎo)致卡死。

為縮短輔助準(zhǔn)備時間，采取措施為：1)外套在進(jìn)入加熱爐前完成端面水平度、內(nèi)孔垂直度的調(diào)整，避免外套加熱后因?yàn)楸旧頊囟雀叨{(diào)整困難、耗時長；2)T型測量棒尺寸校對、內(nèi)襯的垂直度調(diào)整在外套出爐前完成，以便外套出爐后可以直接進(jìn)行測量、裝配工作。

3.6 裝配場地

(1)裝配要點(diǎn)

對于大型零件的裝配，裝配場地是否滿足要求是裝配能否進(jìn)行的關(guān)鍵。對于擠壓筒的熱裝，為實(shí)現(xiàn)加熱后的快速裝入，裝配必須在加熱爐旁進(jìn)行，因此在選擇加熱爐時需要對裝配場地面積、場地承重能力、空間高度、行車起吊能力等進(jìn)行綜合考慮。

(2)技術(shù)方案

在選擇裝配場地時，對場地的各項(xiàng)條件進(jìn)行綜合驗(yàn)證。對場地面積，綜合計算工件本身的尺寸以及所用支墊方箱、輔助腳手架尺寸等；對于場地承重，將工件本身重量及所用方箱等輔具一同計算，對于不滿足條件的，考慮增加輔助裝配平臺以增大受力面積，滿足承重要求；對于空間高度，主要確認(rèn)行車的起吊高度；對于行車起吊能力，行車起吊重量要滿足裝配后的總重要求。

3.7 裝配后冷卻方式

(1)裝配要點(diǎn)

熱裝后零件通常采用空冷的方式進(jìn)行冷卻，但對于厚壁零件，如果采用空冷進(jìn)行冷卻，冷卻速度過快，會使得零件產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，造成零件力學(xué)性能的降低，嚴(yán)重者可能使零件在裝配后產(chǎn)生裂紋。因此必須采取措施減緩零件的冷卻速度[3]。

(2)技術(shù)方案

結(jié)合現(xiàn)有條件，在外套/內(nèi)襯裝配完成后，將外套/內(nèi)襯裝配體返回加熱爐，隨爐進(jìn)行冷卻，爐內(nèi)溫度低于80℃時將外套/內(nèi)襯裝配體取出，進(jìn)行空冷。

4 裝配方案

經(jīng)過上述對擠壓筒裝配過程中裝配要點(diǎn)的分析和論證，確定了擠壓筒的裝配方案。熱裝如圖4所示。

1—外套；2—內(nèi)襯；3—可調(diào)墊鐵；4—等高方箱；5—裝配平臺；6—地面。

(1)在加熱爐旁放置裝配平臺、等高方箱及可調(diào)墊鐵，用經(jīng)緯儀、框式水平儀找正各可調(diào)墊鐵上表面的水平度及等高誤差不大于0.1 mm；吊放外套于可調(diào)墊鐵，調(diào)整找正，用框式水平儀檢查外套端面水平度，用經(jīng)緯儀檢查外套外圓垂直度，誤差不大于0.1 mm/m。復(fù)查外套、內(nèi)襯端面對位刻線應(yīng)清晰、正確；分別實(shí)測外套、內(nèi)襯止口與下端面軸向間距，以便后續(xù)檢查裝配是否到位。

(2)將外套吊放于臺車爐臺車托架上，支墊平穩(wěn)，通過臺車將外套運(yùn)送至加熱爐內(nèi)。在外套徑向氣孔中布置熱電偶，熱電偶與電子監(jiān)控器連接，便于加熱時隨時觀察外套的溫升情況。按要求加熱。

(3)在外套加熱完成出爐前，用一臺行車起吊擠壓筒內(nèi)襯，利用手動葫蘆配合進(jìn)行找正，垂直度不大于0.1 mm/m，以確保內(nèi)襯軸線與外套端面垂直，避免裝配中途因不垂直導(dǎo)致卡死；T型測量棒校驗(yàn)校對尺寸d2。

(4)在外套加熱完成后，出爐。用另一臺行車起吊擠壓筒外套至于可調(diào)墊鐵上就位，用T型測量棒測量其內(nèi)孔脹量，滿足要求后快速將擠壓筒內(nèi)襯吊裝就位。為避免裝配過程中內(nèi)襯端面落在外套止口上卡住導(dǎo)致內(nèi)襯無法裝配到位，內(nèi)襯下落時檢查與外套間間隙均勻，及時調(diào)整；在內(nèi)襯軸向接近裝配到位時，多人配合調(diào)整內(nèi)襯圓周位置，保證外套、內(nèi)襯端面對位刻線對齊。

(5)擠壓筒內(nèi)襯裝配到位，檢查無誤后回爐緩冷，待爐內(nèi)溫度低于80℃時將外套/內(nèi)襯裝配體取出，進(jìn)行空冷。

5 效果

加熱時，經(jīng)熱電偶監(jiān)控，在擠壓筒外套溫度達(dá)到要求時，保溫時間為3600 min；裝配時，內(nèi)襯順利裝入外套；擠壓筒裝配完成恢復(fù)常溫后，對裝配質(zhì)量進(jìn)行了檢查，結(jié)果如下：1)外套、內(nèi)襯上端面刻線對齊；2)外套、內(nèi)襯下端面間距證明兩者止口端面緊貼，軸向裝配到位；3)外套、內(nèi)襯無裂紋。

裝配過程及結(jié)果表明，按上述裝配方案進(jìn)行擠壓筒裝配，滿足裝配質(zhì)量要求。

6 結(jié)束語

相比于小型軸類件的過盈裝配，對于擠壓筒這種大型軸類件的過盈裝配，主要有以下幾點(diǎn)不同：

(1)小型軸類件的過盈裝配方法多樣，可選擇壓裝、冷裝、熱裝，而大型軸類件尺寸大、配合長度長、過盈量大，壓裝、冷裝均滿足不了要求，只能采用熱裝方法進(jìn)行；在加熱方式的選擇上，小型軸類件可選擇方式多，對于大型軸類件，由于加熱溫度高、加熱時間長，為保證加熱均勻性及表面質(zhì)量，最好選用大型電阻爐進(jìn)行加熱。

(2)小型軸類件重量輕、過盈量不大、配合長度短，裝配過程一般用時較短，裝配間隙可按文獻(xiàn)[1]中經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定；大型軸類件因其超長過盈的特點(diǎn)，裝配過程所需時間較長，確定裝配間隙時在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上還需考慮工件內(nèi)孔收縮的問題。

(3)小型軸類件加熱時多為敞開環(huán)境加熱，溫度與熱脹量測定方便；大型軸類件的加熱一般在加熱爐中進(jìn)行，需借助熱電偶進(jìn)行溫度測定。

(4)由于大型軸類件尺寸大、重量重，裝配過程中調(diào)整困難，調(diào)整時間長。為避免裝配時間過長造成工件內(nèi)孔收縮，導(dǎo)致裝配中途因間隙小或無間隙卡死，需要將各裝配件提前找正，多行車、多工位協(xié)同作業(yè)，以縮短裝配時間。

(5)相比小型軸類件，大型軸類件因其過盈量大、厚壁的特點(diǎn)，裝配后冷卻速度過快會產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，造成工件力學(xué)性能降低，工件使用壽命縮短，嚴(yán)重者可能導(dǎo)致工件出現(xiàn)裂紋，因此裝配后必須緩冷。

擠壓筒裝配方案的成功實(shí)施，證明了超長大過盈組合厚壁圓筒裝配工藝科學(xué)、合理，可操作性強(qiáng)，可為類似大型軸類零件的熱裝提供借鑒。由于實(shí)際案例少，本文對大型軸類件熱裝保溫時間計算的探討希望能為大家提供參考，在大型軸類件熱裝保溫時間的計算上能起到拋磚引玉的效果，以后能有更多這方面的研究。