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探析大型零件大过盈液氮冷装工艺

作者:2016-07-13 16:10文章来源:未知

  引言

  机械零件装配过程中孔与轴的过盈配合,通常采用压入法或温差法。对装配要求不高、过盈量小的小型零件常使用压入法,即采用锤击或机器施压的办法。这种方法的缺陷是无法实现过盈量大、固持力要求高的装配,容易引起配合表面的擦伤和啃蚀,造成装配体实际过盈量和配合精度太低、固持力太小使过盈配合失效。对大型零件大过盈量的配合只能采用温差法。

  大型零件大过盈量配合,是指所装配的零件两者或其中一个尺寸比较大,所配合的表面被包容面尺寸大于包容面尺寸,配合公差带通常为H7u6或U7h6,配合精度高,过盈量大,属不可拆卸的固定联接。通常带孔零件的尺寸小,材料热膨胀率大、韧性大可采用热装工艺;带轴零件尺寸小材料冷收缩率大、韧性好,可采用冷装工艺。本文主要研究的MP800主机机架是带孔的零件,尺寸非常大,重量大,材料为铸铁,脆性大,不宜承受冲击和拉力,加热不均匀冷却后容易造成变形和裂纹;机架是在加工过程中完成主轴的装配,再以所装主轴为新基准完成其余尺寸链的加工;主轴尺寸相对比较小,重量小,韧性好,材料为铬钢。孔与轴的配合精度高,过盈量大,装配后山于材料的弹性变形或膨胀,配合表面之间产生较大的径向压力,工作时依靠配合表面间的摩擦力来克服转矩和轴向力。属大型零件大过盈量不可拆卸性固定联接,这种配合适合采用冷装工艺。

  液氮冷装工艺是当包容件因尺寸、重量或材质等原因不易或不宜加热时,可采用液态氮为冷却剂将被包容件冷却到一定温度,使其外径微量减小,并与包容件之间产生一定间隙后,再装配到设定位置上。山于冷装法只对尺寸相对较小的轴冷冻使其尺寸减小,不对孔加热或冷冻,装配前孔不产生应力;装配后,山于轴的膨胀,孔受到的是径向压应力且应力均匀,不易产生裂纹。工作时靠这种径向压力产生的摩擦力来传递转矩及载荷,这种最大摩擦力或转矩通常被称为“固持力”。零件的材料、过盈量、结构形式、表面粗糙度、装配工艺和工作条件等都能对固持力产生很大的影响,因此装配过程中的条件与参

  数的控制对固持力能否满足使用要求是非常重要的。 MP800主机架的加工与以往不同的是在加工过程中完成主轴装配,而且还要以所装主轴为新的基准完成其余尺寸链的加工。MP800主机架很多尺寸精度要求在0.1 mm左右,局部尺寸公差甚至高达0.05 mm。因此,为保证主轴的装配精度满足顾客要求的过盈量,保证加工质量,就需要对主轴的装配方法及过程进行严格的控制。

  1过程分析

  温差法是采用加热孔或冷却轴的办法,通过热膨胀冷收缩形成间隙配合,等温度恢复到常温后,间隙配合又转化为过盈配合,达到所规定的过盈量,满足技术要求。但是,对于大型零件大过盈量的装配,搬运困难;加热设备投资大;加热温度高极易造成材料组织性能的改变;施工人员无法靠近工件内部控制装配的关键过程。冷装法只要将高吨位零件根据装配工艺要求定位夹紧,冷却体积小的零件,搬运和过程监控都很方便,而且效率高施工容易。冷装法适用范围广,不会造成材料性能的转变,对大多数低碳钢件、合金钢、有色金属均可用,特别适合将尺寸相对较小的轴类零件与大型孔类零件大过盈量的配合,定位精度高。

  液氮冷却法属于材料的深冷处理又称超低温处理,是指在-150℃以下对材料进行处理的一种方法,它是常规冷处理的一种延伸。深冷处理可以大幅度降低金属材料中的残余奥氏体,使金属结构的基体组织上析出均匀、细微且弥散的碳化物;显著提高金属材料的力学性能和使用寿命,稳定形状和尺寸,改善均匀性,减小应力和变形;操作简便,不破坏工件,无污染,成本低,具有可观的经济效益和市场前景。

  2过程实施

  对主轴冷冻,首先针对主轴设计一个盛装液态氮和主轴的保温罐,罐体采用绝缘材料,需要有良好的隔热性能并且极耐低温。山于主轴只需要将圆锥体部分冷缩即可,因此罐内容积要保证将圆锥部位完全没入液态氮中,同时做好密封保湿措施。液氮无毒无色且成分稳定不易燃,但是其超低温度却十分危险,因此在冷冻前需要准备好低温手套、防护面罩、防护眼镜、长筒靴、安全帽等劳保用品,防比液氮意外溅出灼伤皮肤,同时还应当注意周围环境通风良好,避免氮气聚集导致的局部地区氧气不足,造成窒息的危险。

  由于主轴体积比较大,需要准备足量的液氮。如果一次装配不彻底将造成大量的液氮浪费。为保证将主轴冷冻至理想尺寸,这次装配准备了850 kg相当于8 ~9个165 L的罐子85%的使用率。将所需的设备、工具、量具准备就绪,例如吊车、千分尺、抹布等,保证在过程控制中所需物品能够立即投入使用。主轴进保温桶前,用清洗剂将表面清洗干净;室温下测量主轴与锥面的直径并记录;保温桶中放置一个能稳定支撑主轴的垫块将主轴撑起。只有主轴头部的圆锥体是装配面,所以只需要将圆锥部位完全冷冻即可,这样既节省液氮又便于过程观察。主轴放入保温桶内后,将液氮阀门打开,从主轴中心孔将导流管插至锥面的70%以下,开始时注意输出的速度不宜过快,保证液氮缓缓流入对主轴预冷,防比温差过大形成热应力集中造成主轴表面断裂;同时打开另一个液氮管,把导流管伸至锥面30%左右,让锥面均匀降温,然后盖上制作好的密封盖,将裸露在外的部分用其它棉布包裹起来尽量防l }:热传递,将每罐液氮控制在1h左右放完,持续放完6灌后,及时装上吊环,校对好外径千分尺,吊出主轴,用千分尺进行快速准确的测量。如果径向尺寸已经山原来尺寸缩小至0.74~0.86 mm,则主轴就可以落在主机架锥孔底面固定的薄垫片上,要迅速将主轴放入锥孔内,此时主轴表面温度应在-130℃左右。铬钢在此温度下的冲击强度极低,因此千万不能发生剧烈磕碰,要迅速且小心地将轴放入孔中,最后检查主轴是否落在挡块上,如果没有达到要求,要即刻吊出继续冷冻。山于温度极低,主轴全表面覆盖一层厚厚的空气凝华成的白霜,所以此过程要做好安全防范措施,戴好防护用品避免冻伤。

  在主轴完全恢复至常温后,再次测量图1 (b)中的主轴端面到锥孔端面的距离,并记录,检查轴与孔的周边结合是否良好,最后校验验收。

  3结语

  本次装配的结果是直接影响随后的加工过程能否满足设计精度的关键步骤,最后以主轴为基准进行精密加工过程中也验证了此次装配效果十分理想,完全达到了其作为基准进行精密加工的要求,且很好地保证了顾客要求的过盈量。在以后这种大型零件大过盈量且配合精度要求较高的装配,液氮冷装将成为保证过盈量、保证质量要求的重要手段。冷缩装配也必将随着机械行业设计要求及更高的使用标准得到更为广泛的应用。

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