淺談懸臂軸的加工工藝

張斯緯 徐同強 李政治 薛垂允 王士軍 畢雪

本文介紹了高速旋轉的懸臂軸類零件的設計、加工方案，特別是碳纖維設備的工作環境對懸臂軸的特殊要求，有針對性的制定加工工藝路線。涉及關鍵詞：高速旋轉；懸臂軸；動平衡；焊接變型；錐孔軸承。

1引言

近幾年隨著我國科技經濟的發展，纖維類的產品需求和品質需求逐年遞增，這對我國的碳纖維生產企業是絕對的春天，同樣對碳纖維設備制造業帶來了機遇和挑戰。關于碳纖維設備的設計、工藝制定、零件加工、組裝，其中要克服很多機械原理上的問題，現就對懸臂軸類零件設計加工難點做一點分析。

碳纖維的生產分為聚合生產線、原絲紡絲生產線、碳化生產線，其中原絲生產線的設備基本上采用懸臂式結構，這主要是基于操作安全方便，隨著市場對碳纖維需求的激增、碳纖維品質提高，以及生產成本的控制，對設備的要求越來越高。設備轉速必須加快，輥體加粗，設備傳動精度必須提高，最終對零件加工的難度要求加大了，比如懸臂軸（牽伸輥）。

2碳纖維設備上懸臂軸的特征

2.1零件的幾項數據

輥面長度1800毫米，直徑370毫米，壁厚20毫米，軸頭長度945毫米，軸頭和輥體的輥殼配合長度300毫米，總重970公斤，這種工件重量大，轉速550r/s，所以要求軸頭和輥殼配合部分必須熱裝不能焊接。如下圖：

2.2零件的平衡要求

零件必須做動平衡（不平衡力矩小于1300g.mm），并且必須加重，加重時不能采取焊接方式。

2.3零件工作環境

另外，由于零件工作環境是三分之一的直徑浸泡在液體內，所以輥體端面必須是封閉的，液體不能進入輥體內部，封閉的方法要排除所有的膠類粘堵，所以只能焊接。

2.4零件的跳動影響原因

為實現懸臂輥體的易安裝、易拆卸，所以軸承選擇錐孔軸承，輥體的軸肩斷面必須和軸承臺階外圓垂直，否則裝配后對輥體外圓跳動影響很大。

3懸臂軸問題的解決方案

以上的要求使懸臂軸加工工藝難度倍增，針對以上四個問題，可采取如下方案。

3.1針對2.1問題制定加工工藝

針對2.1問題來說，輥體的重量要輕一點對整體設備運行都是有利的，根據轉動慣量的定義，輥體運行的慣量同輥體的重量有關，所以必須降低重量，還要兼顧輥體的剛性，因此對輥體內徑采取鏜階梯孔，如圖一中件2，從右向左內徑鏜孔逐步減小的階梯來減少重量，同時保證輥體的剛性，避免高速旋轉時產生柔性變型。鏜孔使用的設備是深孔鏜床（普利森T2235），鏜5刀，每一刀的切削量為5毫米，加工后孔徑分別為Φ314，Φ324，Φ334，Φ344，Φ354，最右端的孔壁厚為8毫米，Φ314作為件1和件2的熱裝尺寸。鏜孔轉速為50 r/s，走到速度為22毫米/分鐘，刀盤采用雙刀片，加滾壓結構。

3.2針對2.2問題制定加工工藝

針對2.2問題來說，高速旋轉的懸臂軸類件，動平衡要求必須要好，防止不平衡造成設備振動，這樣對碳纖維的原絲牽伸效果嚴重影響，由于必須加重，并且加重不能采取焊接方式，因為去重要在輥體兩端面處打孔，左邊打孔會造成如圖一件1和件2熱裝處松動，件2右邊的端面壁厚只有8毫米，沒有去重的空間，所以去重不可行，那么只有加重，采取焊接加重時，由于件2材質是304不銹鋼，動平衡必須是在成品后做，焊接容易造成輥體變型，因此在件1和件2熱裝前做工藝法蘭如圖件3和件4，件3焊接在件1 的端面上，件4 熱裝在件2最右端的內孔里，件3和件4 端面事先加工一周均布絲孔，作為安裝配重塊位置，這樣無論不平衡量在哪個點，都能找到安裝配重塊的絲孔，并且輥體右端的配重塊要加在件4的左側，最終配重塊全部在件2輥殼內部。如圖二。

3.3針對2.3問題制定加工工藝

針對2.3問題來說，由于零件工作環境是三分之一的直徑浸泡在液體內，所以輥體端面必須是封閉的，液體不能進入輥體內部，封閉的方法要排除所有的膠類粘堵，所以只能焊接，由于輥件輥面要求全跳動小于0.08毫米，外圓尺寸要求正負0.025毫米，密封必須在輥件成品后實施（輥體所有尺寸加工完畢后，要做動平衡，平衡后才能密封），否則輥件無法磨削加工，并且件1的材料是304不銹鋼，如果采取件2右端面封堵焊接，產生的變型量遠遠超過輥件的技術要求，必須想辦法消除焊接變型量，因此在熱裝件4之前，先把件5和件4焊接在一起（密封焊接），在輥件成品后把件6焊接在件5 上（密封焊接），因為件5和件6的材料是2毫米的不銹鋼板，件5的長度起到延長的作用，采用冷焊機焊接，這樣產生的熱量小，變形量也小，焊接產生的熱量及變型通過件5過渡，把熱量和變型得以緩沖，不會使件4的變型大影響到件2（在實驗中驗證過，如果取消件5，件6和件4相互焊接，件2 的外圓，從右端往左會延伸500毫米長度產生變型在0.5—0.2毫米），焊接后，這樣件2內部形成一個密閉腔，輥件在工作時液體不會進入。

3.4針對2.4問題制定加工工藝

針對2.4問題來說，懸臂輥體的安裝、維修拆卸都很麻煩，所以軸承選擇錐孔軸承，并且懸臂輥件由于重量及懸臂結構極易產生裝配后輥面跳動，輥體的軸肩端面必須和軸承臺階外圓垂直，否則裝配時錐孔軸承錐套同軸肩不能很好貼合，那么軸承裝配不正，對輥體外圓跳動影響很大，所以在輥件磨削成品后，必須上車床四爪找正，保證輥面跳動在技術要求內，再車平軸肩端面，保證軸肩端面和軸承臺階外圓垂直，這樣錐套和軸同心，軸承安裝才能和軸同心，這樣才能確保懸臂輥件旋轉跳動合格。

4總結

以上是針對懸臂類輥件設計加工的幾點探討總結，特別是高速纖維類生產大型設備輥件注意點。