一種起重機模塊化車輪組冷裝工藝研究

蔡昌 張杰義 李靜宇 劉洋

（河南衛(wèi)華重型機械股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453400）

0.序言

在機械制作領(lǐng)域中，零部件的過盈配合通常采用壓裝法、溫差法等，針對H7/u6級配合大過盈量的無鍵車輪組，各裝配方法有以下幾種特點：

（1）壓裝法需要較高的壓裝力，設(shè)備投資較大，且對零部件的表面質(zhì)量（優(yōu)于Ra1.6）和壓裝件同軸對正要求較高，壓裝時車輪、車輪軸結(jié)合面之間存在強力摩擦，只能通過壓力機曲線來間接評估裝配質(zhì)量，壓裝過程中需確認的控制點較多、廢品率較高。（2）熱裝法主要采用加熱爐對車輪進行整體加熱，使車輪膨脹以滿足裝配間隙要求，裝配中無接觸摩擦，冷卻后通過盈接觸強度保證驅(qū)動扭矩，但該車輪屬變截面結(jié)構(gòu)，厚度較大造成熱傳導(dǎo)時間較長，熱應(yīng)力變形回彈量不均勻造成工件精度損失，且裝配過程暴露在空氣中，易產(chǎn)生氧化顆粒影響配合質(zhì)量，同時由于工件重量較大，溫度較高，流轉(zhuǎn)過程操作不便。（3）冷裝法主要是將車輪軸放入冷卻介質(zhì)中,按裝配間隙和工件直徑控制冷裝溫度和保溫時長，裝配后工件在常溫狀態(tài)下升溫膨脹，依靠過盈接觸強度保證驅(qū)動扭矩，車輪軸相對重量輕、截面變化小，冷裝過程性中具有無接觸摩擦、無表面氧化、裝配接觸強度高和易于工件流轉(zhuǎn)等特點，便于實現(xiàn)自動化裝配，但冷卻介質(zhì)具有揮發(fā)性[1]。

綜合上述因素分析，從綠色、節(jié)能、裝配質(zhì)量控制及裝配產(chǎn)線建設(shè)方面分析，冷裝工藝具有較強的可行性，但需通過檢測車輪、車輪軸配合尺寸，在保證裝配間隙下節(jié)約冷凍時間，提高裝配效率，減少冷卻介質(zhì)損耗均攤。

1.冷裝工藝分析

冷裝法是常規(guī)冷處理的一種延伸，在-150℃低溫下可大幅度降低金屬材料中的殘余奧氏體，使基體組織上析出均勻、細微且彌散的碳化物，在軸的外徑微量減小的同時可顯著提升材料的力學(xué)性能和使用壽命，低溫冷縮狀態(tài)下按圖裝配，隨著車輪軸溫度升至室溫，其回彈至原始加工尺寸，從而達到過盈裝配目的。大過盈冷裝通常采用液氮作為冷裝介質(zhì)，冷卻溫度低且化學(xué)性能穩(wěn)定，使用過程中將液氮投放至冷裝桶或冷裝箱中，由于液氮不能回收，損耗成本較高，因此必須通過流程化裝配提高作業(yè)效率。裝配前檢查車輪軸外徑無應(yīng)力集中尖角，外徑粗糙度優(yōu)于Ra3.2，車輪內(nèi)孔、車輪軸外圓經(jīng)強力清吹后（避免表面結(jié)冰）拍照測量配合尺寸并編號記錄，車輪軸進入回轉(zhuǎn)通過式液氮冷裝箱（工件擺放間隙值大于30mm），按記錄尺寸設(shè)定保溫時長，到時后采用桁架機械臂吊出工件復(fù)檢外徑尺寸，并與車輪對號定位裝配[2]。

2.冷裝工藝試驗

2.1 試驗對象確定

根據(jù)機械設(shè)計手冊中過盈連接件裝配經(jīng)驗公式表明，影響工件冷裝溫度的主要因素是工件直徑和線膨脹系數(shù)，為有效評估各類車輪組的冷裝可行性，我們選擇直徑φ200～φ630mm車輪組為試驗對象[3]，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 過盈量計算表

2.2 冷裝溫度計算

按照經(jīng)驗公式，工件冷裝溫度與外徑收縮量成正比，與材料系數(shù)、配合直徑成反比，故車輪軸冷裝溫度經(jīng)驗公式設(shè)定為：

式中：T—冷裝溫度，℃；Δmax—最大過盈量，mm；α—低溫線膨脹系數(shù)，℃-1；d—配合直徑，mm。

（1）線膨脹系數(shù)測定。由于該車輪軸的材料為40Cr,冷裝前處于調(diào)質(zhì)狀態(tài)，由線性膨脹系數(shù)公式，得線材料膨脹系數(shù)與溫度成反比，采用φ60×180mm樣件在不同溫度下冷凍1h測得該材料線膨脹系數(shù)與溫度曲線，見圖1。

圖1 線膨脹系數(shù)測定曲線圖

由圖1可知，不同溫度下同類材料的線膨脹系數(shù)不同，相對差值較大，在-180℃時該材料對應(yīng)線膨脹系數(shù)為8.9×10-6℃-1，通過統(tǒng)計工件出箱溫度和外徑收縮量，該理論計算公式的溫度修正值約為35℃。

（2）冷裝溫度計算。為保證冷裝溫度的可靠性，我們選取最大過盈量作為計算原始參數(shù)，冷裝溫度計算情況見表2。

表2 冷裝溫度修正計算表

在常壓下液氮溫度為-196℃，考慮傳導(dǎo)損失，冷裝箱環(huán)境極限低溫設(shè)置在-180℃，上表計算數(shù)據(jù)可知，直徑φ200～φ250的車輪在當前常溫低壓狀態(tài)下不滿足最大過盈裝配要求，因此控制φ200～φ250輪組車輪軸及車輪內(nèi)孔的公差值，減少實際過盈量。

3.結(jié)論

本文以起重機模塊化車輪組冷裝工藝及產(chǎn)線建設(shè)為切入點，梳理分析各直徑輪組在冷裝工藝下的加工尺寸控制要求、完善低溫冷凍理論計算公式。冷裝工藝有效推動車輪組由有鍵連接向無鍵連接優(yōu)化，相對傳統(tǒng)壓裝，采用冷裝工藝的大過盈無鍵結(jié)構(gòu)車輪組的裝配合格率提升20%，批量化集中作業(yè)效率提升40%，有效提升裝配質(zhì)量、實現(xiàn)裝配組合揀選控制和數(shù)據(jù)的可追溯要求。