一種軸的維修技術在沖壓設備領域的運用

文/陸鳳廣、王俊河、梁家春、盧曦·奇瑞汽車股份有限公司

一種軸的維修技術在沖壓設備領域的運用

文/陸鳳廣、王俊河、梁家春、盧曦·奇瑞汽車股份有限公司

本文分析了壓力機滑塊微調機構蝸桿軸的受力情況及主要存在的問題，并針對損壞提出修復方案，此維修方法在部分特殊軸軸端損壞的修復過程中可以產生顯著的經濟效益，軸端可以多次采用此方法進行修復，既避免了整軸更換，減少了特殊軸的備件貯備，同時也降低了備件庫存的資金占用。

目前，最新式的壓力機一般采用直流調整或變頻調速的主傳動形式，利用壓力機主電機的變速設定，實現滑塊的微調動作，并逐漸取代了傳統的微調機構，但在工廠中仍有大量的帶微調機構的傳統壓力機在服役，在實際使用過程中，微調機構的蝸桿軸損壞頻率高，更換成本高。

受力分析及常見的損壞形式

壓力機滑塊微調機構的結構

為降低滑塊次數，微調機構采用蝸輪蝸桿減速箱的減速方式，蝸桿軸的一側與電機通過彈性圈柱銷聯軸節進行聯接，蝸桿軸另一側的軸端安裝花鍵輪與微調制動器的制動摩擦盤相聯接。其充分利用了蝸輪蝸桿的優點：1）蝸輪蝸桿機構傳動平穩、可靠；2）蝸輪蝸桿機構傳動具有良好的自鎖特性；3）蝸輪蝸桿機構傳動力矩大；4）蝸輪蝸桿機構具有極大的傳動比。

同時利用制動器為主要傳動部件來實現壓力機平穩、慢速的運行。微調電機可以實現正反轉控制，操作人員可根據壓力機滑塊調整的需要，當微調運行條件滿足時按下正轉或反轉按鈕，這時微調制動器氣源電磁閥得電，將制動器打開，同時使制動器限位接通，控制電路接通，實現微調正反轉運行，微調傳動系統傳動原理圖如1圖所示。

蝸桿軸的受力分析

蝸桿軸的A端，安裝微調制動器，實現對微調動作的制動功能，A端采用雙列圓錐滾子軸承，承受主要軸向力。蝸桿軸B端，通過彈性柱銷套聯軸節與電機相聯，采用雙列圓柱滾子軸承，使軸可以在軸向自由伸縮。蝸桿軸主要是把電機輸出力傳遞給蝸輪，圖2為蝸桿軸受力分析，可分為兩種受力情況：1）每次開動微調動作時，安裝在A側的制動器通氣打開，動作結束時，制動器斷氣閉合，制動力矩通過A端的平鍵作用在A端；2）當壓力機每個行程動作結束時，行程動作的制動力矩，由蝸輪蝸桿機構傳遞到A端。

常見的損壞形式

圖1 微調傳動系統圖

圖2 蝸桿軸受力分析

由于壓力機結構的特殊性，壓力機每次工作行程制動或微調行程制動時，部分制動力矩都由微調制動器承受，所以在每天的工作中，由于蝸桿A端需要承受反復的交變沖擊，同時A端的軸徑較小，承載能力較差，在長期反復的沖擊載荷作用下，蝸桿軸制動端（A端）與花鍵配合的平鍵疲勞磨損，造成制動花鍵與蝸桿A端的配合出現松動，繼而發展為蝸桿軸制動端磨損、啃蝕、滾鍵、竄動，使蝸桿軸端出現磨損、鍵槽啃損失效等情況，嚴重的還會造成軸端從根部斷裂，造成滑車等事故，蝸桿軸端啃鍵失效如圖3所示。

常見的處理方式及存在的缺陷

在實踐過程中，針對蝸桿軸A端損壞常見的處理方法有：

⑴對于檢查出竄動較輕的情況，一般采用重新修配平鍵或制作臺階鍵的方式進行消除松動或竄動；針對松動的平鍵重新配鍵或制作臺階鍵，但是如果鍵槽出現崩裂的情況，此方式無法修復。

⑵對于出現鍵槽啃壞或崩裂的情況，在損壞的鍵槽處補焊、打磨，重新配鍵；不過此方式維修工時長，且對維修人員技能要求高，維修效果難以保證。

⑶軸端滾鍵、軸端磨損直徑減小時，對軸端補焊并上車床機械加工，恢復尺寸精度；針對此修復方式，雖然能通過機械加工的方式恢復尺寸精度，但在補焊的過程中，軸端存在內應力、潛在裂紋等缺陷。生產實踐過程中，修復后的軸端普遍出現在使用過程中軸頸突發斷裂的情況。

⑷損壞嚴重或斷裂的情況需要更換新蝸桿。針對整軸更換也存在較多的問題，在實踐操作中存在較多困難。

整軸更換存在的問題及困難

圖3 蝸桿軸端啃鍵失效

由于常見蝸桿形式有：阿基米德圓柱蝸桿、法向直廓圓柱蝸桿、漸開線式圓柱蝸桿、錐面包絡圓柱蝸桿、圓弧圓柱蝸桿等等。在實踐過程中難以準確確認蝸桿的具體參數，在備件的采購上存在較大困難，尤其對較老的產品，同時由于蝸桿軸加工工藝復雜，單根價格在2萬元以上，并且訂貨周期長，更換的成本較高，由于蝸輪與蝸桿一般都采用配套加工，單采購新蝸桿與舊的蝸輪配合時常出現無法配合的情況（主要是由于蝸輪與蝸桿有著多種加工螺旋線和公差帶），實踐中已多次發生蝸桿備件不配套而無法安裝的情況。

維修案例

維修人員發現2#壓力機，蝸桿軸制動端與花鍵配合的鍵出現了疲勞磨損、竄動的情況，并且軸端出現了嚴重的啃蝕，軸端的直徑已明顯磨損變小，無法修復，只能更換新的蝸桿。在組織安裝新蝸桿的過程中發現，新件與蝸輪無法配合使用，更換蝸桿的方案被迫放棄。為了能夠順利生產完項目訂單，采取臨時性措施，將蝸桿軸端與小花鍵焊為一體使用。

但是焊接會存在一定的焊接應力無法消除，降低軸的強度和抗疲勞能力，可能會發生軸端突然斷裂的情況，造成制動失效，繼而發生壓力機滑車的事故，所以該臨時措施不能長期使用。

為解決此問題，通常可以采用以下兩種解決方式：1）成套更換蝸桿和蝸輪。此方案雖然能解決蝸桿與蝸輪的配合性問題，但成本高，總費用在10萬元以上。2）將舊蝸桿送回備件加工廠家，對蝸桿進行原樣復制。此方案雖不用更換蝸輪，但將壞蝸桿拆走復制加工，會造成設備長時間停臺，同時成本較高（運費+定制費用等）。

新維修技術及方案

通過對蝸桿軸安裝尺寸進行分析，從結構強度上看，蝸桿軸制動端的設計尺寸明顯偏小，為整個軸中直徑最細的部分，而此部分需要承受較大的力矩，所以損壞難以避免。對蝸桿軸結構進行更改，將蝸桿軸的A端與其他部分進行分離，形成分體結構，再進行組裝。把蝸桿軸制動端連同第一臺階機械加工去除，采用與原蝸桿相同材質的合金材料重新加工軸的制動端及臺階，并將臺階加長。在原蝸桿切口截面上加工與新加臺階配合的沉孔，將新舊件進行配合安裝（適量的過盈公差配合），在配合面上打定位銷和防松螺紋孔。

該方案具有的優點：1)維修成本低，此方案的加工成本約為2000～5000元，而新蝸桿約為2萬元；2)加工的小軸與蝸桿為兩體結構，小軸再出現損壞可以單獨更換；3)有效解決新蝸桿與舊蝸輪的配合難題；4)維修時間短，設備只需停產兩天即可完成修復；5)無需再準備蝸桿備件，避免庫存資金的占用。

以JE39-1000壓力機蝸桿為例對維修方案的加工方式進行說明，如圖4所示。從加工工藝、材質、幾何尺寸、機械強度、疲勞壽命等多個方面和角度進行分析，均可滿足使用的要求，新技術維修方案的裝配簡圖如圖5所示。

⑴將原微調蝸桿斷裂一端處向里延伸至中部φ85mm臺階處全部切除，并在圓心處開φ67.5H7×75(mm×mm)深孔，內孔對直銑，以便固定重新加工的蝸桿聯接部分。

圖4 新技術維修方案的加工方式

圖5 新技術維修方案加工方式的裝配簡圖

⑵按原蝸桿尺寸及同樣材料（40CrMo）和工藝重新加工切除部分，并在兩部件之間聯接處加工φ67.5k6×70(mm×mm)聯接軸，可以與孔配合，保證過盈0～0.02mm。

⑶裝配時，將φ67.5k6×70(mm×mm)聯接軸裝到φ67.5H7×75(mm×mm)深孔內。

⑷在兩部件φ67.5mm處配鉆3個M10騎縫螺紋孔以及3個φ10mm騎縫銷孔，裝配螺釘及銷子，裝配過程中嚴禁使用焊接方式，裝配完成后各尺寸滿足壓機安裝尺寸。

結束語

運用此方法對蝸桿進行修復后，設備運行效果良好，達到更換新蝸桿效果，并且不存在新蝸桿與舊蝸輪配合公差超標的問題。在沖壓車間采用此修復方法對易損的軸端進行修復，一般都能得到良好的效果，特別針對特殊軸更具有良好的經濟價值，對進口的自動化設備輪與軸一體部件，在使用過程中出現軸端啃蝕、磨損、斷裂等情況，采用此方法可以節省大量的資金和時間。

⑴以奇瑞公司為例，以30臺設備計算，平均每個蝸桿軸端使用壽命為8年，到期更換蝸桿整軸費用約為60萬元，采用此種軸的修復方法，費用約為6～15萬。

⑵維修周期只需要1～2天，提高了維修效率。

⑶無需再貯備蝸桿備件，降低庫存資金的成本占用。

⑷解決蝸桿和蝸輪的配合問題，避免了成套更換，節約了維修費用。

陸鳳廣，設備動力部高級主任師，主要從事整車機械設備維修、保養工作，協助完成多條壓力機線安裝以及改造項目，獲得蕪湖市職工技術科技創新成果優秀獎，擁有2項專利。