浮選機大型上部軸由鑄鍛件改焊接件的工藝研究

吳 洋

（北礦機電科技有限責任公司，北京 100070）

0 引言

我國礦產資源由于多年高強度消耗和粗放型開發(fā)利用，易處理、高品位資源逐步枯竭，貧、細、雜難處理資源開采量大大增加，新建選礦項目的日處理能力頻創(chuàng)新高，對大型浮選設備的市場需求越來越多[1]。浮選機主要核心部件為主軸部件，其中主軸成為整個部件的核心零件。在工作過程中，浮選機的軸的綜合力學性能對浮選機運行的穩(wěn)定性和可靠性有較大影響。大型充氣機械攪拌式浮選機的軸由上部軸和下部軸組成，鑒于上部軸的結構特點，大多采用鑄造加適當的熱處理并配合機加工成形。

大型浮選機上部軸的鑄造傳統工藝存在以下缺點：加工周期長[2]、生產效率較為低下以及質量優(yōu)劣隨機性大，在當今大力倡導環(huán)保的大環(huán)境下，受環(huán)境影響因素大，生產進度不好掌控，已經遠遠不能滿足當今生產發(fā)展和市場需求，因此急需一種新型的加工方法。

1 新型工藝的材料性能對比

新型工藝主要將上部軸改為裝配焊接形式，其由法蘭和鋼管組成，如圖1所示。法蘭材質為ZG27-500，鋼管材質為45#。45#鋼為中碳調制鋼[3]，綜合力學性能好，淬透性低，水淬時易產生裂紋。小型件宜采用調質處理，大型件宜采用正火處理。主要用于制造強度高的運動件，如渦輪機葉輪、壓縮機活塞、軸、齒輪、齒條、蝸桿等。焊接件注意焊前預熱，焊后應進行去應力退火。ZG35（ZG270-500）中碳鑄鋼有一定的韌性及塑性，強度和硬度較高，可加工性良好，焊接性尚可，鑄造性能比低碳鋼更好，且應用廣泛，可用于制造飛輪、車輛車鉤、水壓機工作缸、機架、蒸汽錘氣缸、軸承座、連桿、箱體以及曲拐。

由表1和表2的分析可知，上述材料經外觀檢測和物理檢測后，原材料表面光潔平滑，且力學性能符合要求，厚度等參數也滿足標準《碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》（GB/T 3274—2007）。

表1 材料的化學成分

表2 材料的力學性能

2 工藝制作方法研究

2.1 裝配形式的選擇

上部軸需要起到給下部葉輪傳遞較大扭矩的作用，新工藝中法蘭和鋼管之間配合選擇過盈配合較佳。形成過盈配合有不同的方法，如圖2所示。

圖2 組成過盈配合的工藝方法圖解

縱向方法是在常溫下，并在壓力機或者專用機構的作用下，將軸壓入孔內的方法。橫向方法[4]是把要配合的孔加熱到一定溫度，使孔徑脹大（或把要配合的軸冷卻，使軸徑收縮），然后用極小的力或幾乎不用力就可以把軸裝入。而當孔冷卻到常溫時，孔徑收縮產生壓力（或當軸恢復到常溫時，軸徑膨脹產生壓力），使孔、軸抱緊而形成過盈配合。鑒于目前的加工工藝，可選擇較為簡單的橫向過盈配合方法——熱脹法，即法蘭和鋼管之間采用熱裝法。

2.2 過盈連接的計算

采用過盈配合時，零件變形主要為彈性變形和彈-塑性變形兩種。過盈連接假設如下：1） 零件的應變在彈性范圍內。2）被連接件是兩個等長厚壁圓筒，兩者之間配合間的壓強均勻分布。3） 裝配件和被裝配件處于平面應力狀態(tài)，即軸向應力為零。4） 材料的彈性模量為常數。5） 計算強度理論按變形能理論。

由上述內容可知，塑性變形超過了一定范圍，形成的形式是不允許的。在一定工作條件下，零件不同形式變形下的過盈配合的工作可靠性是不同的，而零件變形的形式又主要取決于過盈量的數值[5]。因此，應通過計算正確地確定過盈量，并從工作的可靠性和經濟性的原則出發(fā)，合理選擇相應的配合公差。

主軸部件如圖3所示，上部軸與軸承體組件，下部軸和葉輪組件連接，上部軸受的力包括整個主軸部件的自重力、攪拌時形成的礦漿液體柱體的自重力以及電機傳遞力等。

圖3 主軸部件示意圖

由材料力學中的拉默公式可推導過盈配合計算的基礎式，如式（1）所示。

式中：Y為過盈量（mm）；p為配合面間的壓力（N/mm2）；D為配合面公稱直徑（mm）；d1為軸內徑（mm）；d2為孔外徑（mm）；μH、μS為孔和軸材料的泊松比；EH、ES為孔和軸材料的彈性模量（N/m2）。

同時傳遞軸向力和扭矩時，傳遞載荷所需要的最小比壓Pmin及零件不產生塑性變形所容許的最大比壓Pmax分別如式（2）所示。

式中：p為傳遞的軸向力（N）；M為傳遞扭矩（N/m2）；f為配合的摩擦系數；L為配合的聯結長度（mm）。

Pmax與材料有關，由于法蘭和鋼管同屬于蘇醒材料，對塑性材料如式（3）所示。

式中：σT為材料屈服極限MPa；din為內徑（mm）；dex為外徑（mm）。

將Pmin和Pmax分別代入式（1），可得式（4）和式（5）。

得出兩者之間過盈配合公差在0.158mm～0.372mm，再查手冊得出最終配合H7/v6。

在此公差配合下，法蘭的最大應力如式（6）所示。

鋼管的最大應力如式（7）所示。

由校核計算可以得出，上部軸新型工藝-裝配焊接方法可以很好地保證上部軸的功能性，且強度符合設計要求。

3 制作工藝方法

由以上分析得出最終工藝方法為法蘭和鋼管采用漲縮法連接，銷軸和鋼管過渡配合裝配。如式（8）所示。

式中：[δmax]為最大過盈量（mm）；Δ為裝配的最小間隙（mm）；t為裝配環(huán)境的溫度（℃）；aα為材料的線脹系數；df為法蘭與鋼管的配合直徑（mm）。

將相關數據帶入式（8）中，得出法蘭的加熱溫度為238℃。

由上述計算分析可得上部軸的新型加工工藝。

3.1 法蘭的工藝

如圖4所示，首先粗車法蘭右端面，并粗車D2外圓單邊留量5mm，長20mm。其次車D1外圓單邊留量5mm，并車法蘭總長L為L+2mm。再次車D3外圓，單邊留量5mm，深110mm。車左側內孔D4到尺寸。最后倒5×45°，倒焊接坡口角R10、13，檢驗合格后進入下部熱裝工序。

圖4 法蘭加工圖

3.2 鋼管的工藝

如圖5所示，先車鋼管的左、右端面，使總長為L（0，+1），如圖6所示，車上部軸左側各臺階外圓單邊留量5mm。鋼管做熱處理，硬度達到HB240-290。其次車?210mm（+0.08，+0.126）至臺階處，深176mm。最后倒角10×13，并倒焊接坡口角R10、13，檢驗嚴格后，進入下部熱裝工序。

圖5 鋼管加工圖

3.3 上部軸工藝

將法蘭加熱至裝配溫度238℃，然后將加工好的鋼管裝入法蘭中，在此處鉆鉸3個銷子孔，徑向120°，軸向25mm。將加工好的銷子裝配上，檢驗合格，轉入焊接工序。

再次進行熱處理，使硬度為HB240-290，然后再次檢驗軸是否有加工量，如果沒有，對軸進行校直。接下來車右端面2mm，內孔倒頂尖工藝孔，再次車法蘭外圓D1和D2到圖紙公差尺寸，深20mm，再切空刀槽D3、寬9.74。倒角2×45°、R1調頭車總長L到圖紙尺寸，內孔倒頂尖工藝孔，再車D4外圓到尺寸，保證38的尺寸，繼續(xù)車D5外圓到圖紙尺寸，留磨量0.5mm，并保證193尺寸。D5軸徑197外的地方無公差，可直接車到尺寸。車D6外圓到尺寸，繼續(xù)車D7到圖紙尺寸，并留磨量0.5mm，再車Tr外圓，并切退刀槽12寬，直徑D8。將D8左邊的軸車成錐度1：25，同時保證D9的圖紙尺寸，完成后再加工M外圓，長81mm，再切成R2.33、寬4.62，然后加工成M螺紋（注意是左旋）。再依次倒角2×45°、2.5×45°和20×7.13°，再上磨床將D5和D7處磨到最終尺寸。再次劃線并加工L1和L2處鍵槽。最后用表找正右側外圓和端面，跑坐標加工D10處的12個均分孔，并孔口倒角2×45°，檢驗合格后可進入主軸裝配環(huán)節(jié)。

4 結論

通過上述分析，得出以下結論：1） 大型浮選機上部軸由鑄造工藝改成裝配焊接工藝是可行的，該文選擇了法蘭和鋼管的之間的配合為過盈配合，并給出相關參考公差數值，符合設計要求。2） 和比傳統鑄造工藝4.62相比，此次焊接新工藝具有安全系數高、生產可控性好，而且質量可控、性能優(yōu)良、降能增效、節(jié)約成本以及可提高公司產品競爭力等優(yōu)點。