談棒材倍尺飛剪曲軸改造實踐范文

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摘要：介紹將柳鋼棒材生產(chǎn)線倍尺飛剪曲軸結(jié)構(gòu)形式由整體式改為分體式的實踐及其效果。

關(guān)鍵詞：棒材生產(chǎn)線；倍尺飛剪；曲軸；分體式

1問題的提出

棒材倍尺飛剪位于18號機列與冷床之間，主要負責連軋線材產(chǎn)品倍尺分段剪切，該設(shè)備制作、使用精度要求較高，是生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，一旦故障，需整線停機進行搶修。柳鋼一二三棒材生產(chǎn)線倍尺飛剪多次發(fā)生整體式曲軸斷裂故障，斷裂處主要發(fā)生在曲柄處和曲柄與軸連接處（見圖1a），每次故障即使是采用最節(jié)約時間整體更換方法處理，也要停機8h左右。而整體式曲軸又有制作周期長、費用高等特點，從生產(chǎn)穩(wěn)定性、備件采購、成本消耗等方面考慮都有改造的必要。為此，棒線型材廠組織實施改造，本文進行總結(jié)。

2分析與改進

2.1原因分析隨著棒材生產(chǎn)產(chǎn)品性能不斷升級，倍尺飛剪負荷已達極限，在飛剪相對薄弱的部位易出現(xiàn)故障。根據(jù)飛剪的結(jié)構(gòu)和使用情況，曲軸是受力最大的部位，同時也是發(fā)生問題最頻繁的部位，為減少投資節(jié)約成本，對原設(shè)備曲軸結(jié)構(gòu)形式進行改造，使其制作簡易、周期縮短、減少故障滿足生產(chǎn)需求。

2.2優(yōu)化方案原整體式的曲軸，其制作難點有：（1）制作一根整體式曲軸需要用到長1100mm×250mm×460mm的鍛件，這種大型的鍛件采購困難、價格昂貴；（2）由于曲軸是偏心的，加工困難，加工周期長。將整體式曲軸改造為分體式裝配形式的曲軸（見圖1b），坯料材料易采購且價格便宜，節(jié)約了備件的采購周期及成本；分體式曲軸是通過曲柄和軸兩個部件裝配而成，只需要對兩個部件分別加工，不存在偏心問題，加工簡便，縮短了加工周期。因此，曲軸的制作周期由原來至少3個月降低至1個月。

2.3設(shè)計與實施2.3.1設(shè)計分體式曲軸采用42CrMo圓鋼和鍛件制作，由曲柄和軸裝配而成。將軸與曲柄配合部分尺寸改為Φ160mm，其它部位按照原設(shè)計尺寸制作。曲柄需要與軸裝配，按原尺寸孔壁太薄，裝配會導(dǎo)致孔壁脹裂，因此需要加寬曲柄；按原尺寸，曲柄與軸裝配接觸面太少，承載能力不足，需要加厚曲柄，增加曲柄與軸的結(jié)合面。曲柄寬度由原設(shè)計的230mm增加至290mm，厚度由原設(shè)計的85mm增加至105mm。原設(shè)計曲柄刀頭采用稀油潤滑，軸和曲柄中布有油孔，這些稀油孔降低了曲軸的強度，改造成分體式后，稀油潤滑改為干油潤滑，取消了軸和曲柄中的油孔，增加了曲軸的強度，曲柄上易斷裂區(qū)域得到解決。曲柄加大以后，曲軸的轉(zhuǎn)動慣量變大，飛剪的剪切力相應(yīng)增加，提高了飛剪的承載能力。由于倍尺飛剪裝配要求精度高，所以采用雙鍵定位，鍵與鍵槽的配合要求過盈配合，過盈量：0.03～0.05mm；軸與曲柄孔亦采用過盈配合。過盈量：0.12～0.15mm。2.3.2校核軋制規(guī)格大小不同，剪切形式不同，分為曲柄剪和回轉(zhuǎn)剪，需對兩種剪切方式進行校核。（1）使用曲柄剪的受力分析。使用曲柄剪剪切最大的軋件直徑為Φ42mm，使用曲柄剪時，刀片近似垂直于軋件，曲軸在剪切時沒有受到軸向力，所以曲軸受到的力即為剪切Φ42mm軋件時的力，剪切Φ42mm軋件所需要的力按式（1）計算：F=K1•K2•（1+σ5）•σb•S（1）［1，2］，其中S為斷面面積，mm2；σb為屈服強度，MPa；σ5為伸長率，%；K1為影響剪切力的系數(shù)；K2為抗剪與抗拉強度的比例系數(shù)；T為剪切溫度，℃。經(jīng)計算，剪切Φ42mm軋件所需要的力F曲為110673N。根據(jù)曲柄剪的受力分析，曲軸的受力方向垂直于軋件，且主要集中在軸與曲柄結(jié)合處的位置，該處軸徑為Φ160mm，抗剪能力F抗=13082000N，遠遠大于軋件的抗剪切力，因此曲軸能夠滿足剪切Φ42mm軋件的要求。（42CrMo的屈服強度為930MPa［3］）（2）使用回轉(zhuǎn)剪的受力分析。使用回轉(zhuǎn)剪剪切軋件的最大直徑為Φ28mm，使用回轉(zhuǎn)剪時，曲軸的受力主要來自軋件的剪切抗力，剪切抗力主要來源于剪刃切入軋件時受到的阻力，受力分析如圖3。由式1計算，剪切Φ28mm軋件時的剪切力F回為30955N，刀片刃口到曲柄孔中心的距離為L=0.456m，所以曲軸所受力矩T為14115N•m。為保證分體式曲軸能承受力矩T，需要曲柄和軸配合的最小過盈量為：δemin=Pfmindf(Ca/Ea+Ci/Ei)（2），傳遞載荷所需最小結(jié)合壓力為：Pfmin=[Fx2+(2T/df)2]1/2/(π•df•Lf•f)（3），其中di、da被包容件內(nèi)徑和包容件外徑；Ea、μa為包容件材料的彈性模量和泊松比；Ei、μi為被包容件材料的彈性模量和泊松比；Fx、Tx為聯(lián)接承受的軸向力和力矩；Lf、df———結(jié)合長度和結(jié)合直徑；f為摩擦系數(shù)。裝配形式曲軸曲柄和軸的材質(zhì)都為42CrMo，根據(jù)式2、3計算，曲柄和軸配合的最小過盈量為：Pfmin=29MPa，δemin=0.09mm。過盈配合，還應(yīng)保證包容件與被包容件不發(fā)生塑性變形。包容件與被包容件不發(fā)生塑性變形的最大結(jié)合壓力見式4、5：Pfamax=σb（1-qa2）/（3+qa2）1/2（4），Pfimax=σb（1-qi2）/2（5）。因被包容件為實心軸，所以只考慮包容件曲柄是否會發(fā)生變形。因此，可以得到包容件不發(fā)生塑性變形的最大有效過盈量見式4：δe－max=Pfmaxdf(Ca/Ea+Ci/Ei)（6）。根據(jù)式4、6可以得到δemax=0.61mm［4］。通過校驗，曲柄和軸配合的過盈量為0.12～0.15mm時，曲柄不會發(fā)生塑性變形，曲軸可以承載剪切最大規(guī)格Φ28mm的軋件。2.3.3裝配軸和曲柄的裝配考慮2個方案：方案1：熱裝，加熱曲柄，通過熱脹達到間隙配合；方案2：冷卻軸，通過冷縮達到間隙配合。第一次裝配時采用方案1加熱曲柄裝配，由于曲柄外形尺寸不規(guī)則，裝配完成后，曲柄散熱不均勻，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，所以方案1不可行。方案2冷卻軸，軸是規(guī)則的，所以不存在散熱不均勻的現(xiàn)象，所以方案2更優(yōu)，選擇方案2。（1）冷凍溫度的確定：T=T0－（σ+b）/（a•d）（7），式中：T0為室溫，28℃；σ為最大過盈量，取曲柄與軸的最大過盈量0.15mm；b為冷凍時需要的間隙，一般取配合直徑的0.05%～0.10%；d為被包容件外徑，160mm；a為零件線膨脹系數(shù)，42CrMo線膨脹系數(shù)為11.2×10-6℃-1。經(jīng)計算，T=-173℃。因此選用液氮作為冷卻劑，液氮溫度為-196℃。（2）冷卻時間的確定：h=k•δ+(6～8)min（8），式中：k為同材料有關(guān)的綜合系數(shù)；δ為被冷凍件的特征尺寸，即零件的最大斷面半徑或壁厚尺寸，mm。經(jīng)計算，h=104min，即軸需要在液氮中冷卻104分鐘后才能進行裝配。

3結(jié)語

分體式曲軸已經(jīng)完成設(shè)計制作，目前已投入使用，解決了整體式曲軸備件緊缺導(dǎo)致可能停產(chǎn)的問題。改造以后，曲軸的制作周期縮短，解決了備件緊缺的難題；曲軸制作設(shè)備要求降低，采購曲軸的成本隨之降低；曲軸承載能力的提高，使用壽命也得到了提高，解決曲軸備件的難題，提高了作業(yè)率。

參考文獻

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作者：龔展斌 張志鵬 單位：棒線型材廠