探析大型零件大過盈液氮冷裝工藝論文
引言
機(jī)械零件裝配過程中孔與軸的過盈配合，通常采用壓入法或溫差法。對(duì)裝配要求不高、過盈量小的小型零件常使用壓入法，即采用錘擊或機(jī)器施壓的辦法。這種方法的缺陷是無法實(shí)現(xiàn)過盈量大、固持力要求高的裝配，容易引起配合表面的擦傷和啃蝕，造成裝配體實(shí)際過盈量和配合精度太低、固持力太小使過盈配合失效。對(duì)大型零件大過盈量的配合只能采用溫差法。
大型零件大過盈量配合，是指所裝配的零件兩者或其中一個(gè)尺寸比較大，所配合的表面被包容面尺寸大于包容面尺寸，配合公差帶通常為H7u6或U7h6,配合精度高，過盈量大，屬不可拆卸的固定聯(lián)接。通常帶孔零件的尺寸小，材料熱膨脹率大、韌性大可采用熱裝工藝;帶軸零件尺寸小材料冷收縮率大、韌性好，可采用冷裝工藝。本文主要研究的MP800主機(jī)機(jī)架是帶孔的零件，尺寸非常大，重量大，材料為鑄鐵，脆性大，不宜承受沖擊和拉力，加熱不均勻冷卻后容易造成變形和裂紋;機(jī)架是在加工過程中完成主軸的裝配，再以所裝主軸為新基準(zhǔn)完成其余尺寸鏈的加工;主軸尺寸相對(duì)比較小，重量小，韌性好，材料為鉻鋼�？着c軸的配合精度高，過盈量大，裝配后山于材料的彈性變形或膨脹，配合表面之間產(chǎn)生較大的徑向壓力，工作時(shí)依靠配合表面間的摩擦力來克服轉(zhuǎn)矩和軸向力。屬大型零件大過盈量不可拆卸性固定聯(lián)接，這種配合適合采用冷裝工藝。
液氮冷裝工藝是當(dāng)包容件因尺寸、重量或材質(zhì)等原因不易或不宜加熱時(shí)，可采用液態(tài)氮為冷卻劑將被包容件冷卻到一定溫度，使其外徑微量減小，并與包容件之間產(chǎn)生一定間隙后，再裝配到設(shè)定位置上。山于冷裝法只對(duì)尺寸相對(duì)較小的軸冷凍使其尺寸減小，不對(duì)孔加熱或冷凍，裝配前孔不產(chǎn)生應(yīng)力;裝配后，山于軸的膨脹，孔受到的是徑向壓應(yīng)力且應(yīng)力均勻，不易產(chǎn)生裂紋。工作時(shí)靠這種徑向壓力產(chǎn)生的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩及載荷，這種最大摩擦力或轉(zhuǎn)矩通常被稱為“固持力”。零件的材料、過盈量、結(jié)構(gòu)形式、表面粗糙度、裝配工藝和工作條件等都能對(duì)固持力產(chǎn)生很大的影響，因此裝配過程中的條件與參
數(shù)的控制對(duì)固持力能否滿足使用要求是非常重要的。 MP800主機(jī)架的加工與以往不同的是在加工過程中完成主軸裝配，而且還要以所裝主軸為新的基準(zhǔn)完成其余尺寸鏈的加工。MP800主機(jī)架很多尺寸精度要求在0.1 mm左右，局部尺寸公差甚至高達(dá)0.05 mm。因此，為保證主軸的裝配精度滿足顧客要求的過盈量，保證加工質(zhì)量，就需要對(duì)主軸的裝配方法及過程進(jìn)行嚴(yán)格的控制。
1過程分析
溫差法是采用加熱孔或冷卻軸的辦法，通過熱膨脹冷收縮形成間隙配合，等溫度恢復(fù)到常溫后，間隙配合又轉(zhuǎn)化為過盈配合，達(dá)到所規(guī)定的過盈量，滿足技術(shù)要求。但是，對(duì)于大型零件大過盈量的裝配，搬運(yùn)困難;加熱設(shè)備投資大;加熱溫度高極易造成材料組織性能的改變;施工人員無法靠近工件內(nèi)部控制裝配的關(guān)鍵過程。冷裝法只要將高噸位零件根據(jù)裝配工藝要求定位夾緊，冷卻體積小的零件，搬運(yùn)和過程監(jiān)控都很方便，而且效率高施工容易。冷裝法適用范圍廣，不會(huì)造成材料性能的轉(zhuǎn)變，對(duì)大多數(shù)低碳鋼件、合金鋼、有色金屬均可用，特別適合將尺寸相對(duì)較小的'軸類零件與大型孔類零件大過盈量的配合，定位精度高。
液氮冷卻法屬于材料的深冷處理又稱超低溫處理，是指在-150℃以下對(duì)材料進(jìn)行處理的一種方法，它是常規(guī)冷處理的一種延伸。深冷處理可以大幅度降低金屬材料中的殘余奧氏體，使金屬結(jié)構(gòu)的基體組織上析出均勻、細(xì)微且彌散的碳化物;顯著提高金屬材料的力學(xué)性能和使用壽命，穩(wěn)定形狀和尺寸，改善均勻性，減小應(yīng)力和變形;操作簡便，不破壞工件，無污染，成本低，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和市場前景。
2過程實(shí)施
對(duì)主軸冷凍，首先針對(duì)主軸設(shè)計(jì)一個(gè)盛裝液態(tài)氮和主軸的保溫罐，罐體采用絕緣材料，需要有良好的隔熱性能并且極耐低溫。山于主軸只需要將圓錐體部分冷縮即可，因此罐內(nèi)容積要保證將圓錐部位完全沒入液態(tài)氮中，同時(shí)做好密封保濕措施。液氮無毒無色且成分穩(wěn)定不易燃，但是其超低溫度卻十分危險(xiǎn)，因此在冷凍前需要準(zhǔn)備好低溫手套、防護(hù)面罩、防護(hù)眼鏡、長筒靴、安全帽等勞保用品，防比液氮意外濺出灼傷皮膚，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意周圍環(huán)境通風(fēng)良好，避免氮?dú)饩奂瘜?dǎo)致的局部地區(qū)氧氣不足，造成窒息的危險(xiǎn)。
由于主軸體積比較大，需要準(zhǔn)備足量的液氮。如果一次裝配不徹底將造成大量的液氮浪費(fèi)。為保證將主軸冷凍至理想尺寸，這次裝配準(zhǔn)備了850 kg相當(dāng)于8 ~9個(gè)165 L的罐子85%的使用率。將所需的設(shè)備、工具、量具準(zhǔn)備就緒，例如吊車、千分尺、抹布等，保證在過程控制中所需物品能夠立即投入使用。主軸進(jìn)保溫桶前，用清洗劑將表面清洗干凈;室溫下測量主軸與錐面的直徑并記錄;保溫桶中放置一個(gè)能穩(wěn)定支撐主軸的墊塊將主軸撐起。只有主軸頭部的圓錐體是裝配面，所以只需要將圓錐部位完全冷凍即可，這樣既節(jié)省液氮又便于過程觀察。主軸放入保溫桶內(nèi)后，將液氮閥門打開，從主軸中心孔將導(dǎo)流管插至錐面的70%以下，開始時(shí)注意輸出的速度不宜過快，保證液氮緩緩流入對(duì)主軸預(yù)冷，防比溫差過大形成熱應(yīng)力集中造成主軸表面斷裂;同時(shí)打開另一個(gè)液氮管，把導(dǎo)流管伸至錐面30%左右，讓錐面均勻降溫，然后蓋上制作好的密封蓋，將裸露在外的部分用其它棉布包裹起來盡量防l }:熱傳遞，將每罐液氮控制在1h左右放完，持續(xù)放完6灌后，及時(shí)裝上吊環(huán)，校對(duì)好外徑千分尺，吊出主軸，用千分尺進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測量。如果徑向尺寸已經(jīng)山原來尺寸縮小至0.74~0.86 mm，則主軸就可以落在主機(jī)架錐孔底面固定的薄墊片上，要迅速將主軸放入錐孔內(nèi)，此時(shí)主軸表面溫度應(yīng)在-130℃左右。鉻鋼在此溫度下的沖擊強(qiáng)度極低，因此千萬不能發(fā)生劇烈磕碰，要迅速且小心地將軸放入孔中，最后檢查主軸是否落在擋塊上，如果沒有達(dá)到要求，要即刻吊出繼續(xù)冷凍。山于溫度極低，主軸全表面覆蓋一層厚厚的空氣凝華成的白霜，所以此過程要做好安全防范措施，戴好防護(hù)用品避免凍傷。
在主軸完全恢復(fù)至常溫后，再次測量圖1 (b)中的主軸端面到錐孔端面的距離，并記錄，檢查軸與孔的周邊結(jié)合是否良好，最后校驗(yàn)驗(yàn)收。
3結(jié)語
本次裝配的結(jié)果是直接影響隨后的加工過程能否滿足設(shè)計(jì)精度的關(guān)鍵步驟，最后以主軸為基準(zhǔn)進(jìn)行精密加工過程中也驗(yàn)證了此次裝配效果十分理想，完全達(dá)到了其作為基準(zhǔn)進(jìn)行精密加工的要求，且很好地保證了顧客要求的過盈量。在以后這種大型零件大過盈量且配合精度要求較高的裝配，液氮冷裝將成為保證過盈量、保證質(zhì)量要求的重要手段。冷縮裝配也必將隨著機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)要求及更高的使用標(biāo)準(zhǔn)得到更為廣泛的應(yīng)用。
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