超長大過盈組合厚壁圓筒裝配方法研究及應用

于泓 周杰 黃界

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

隨著現代科學技術的發展，工業設備也在向著超大型和重型化發展。近年來，作為重要的鋁材擠壓設備，擠壓機的擠壓能力也在不斷增大，而作為擠壓機中主要擠壓工具的擠壓筒，其直徑和噸位也在不斷增大。對于擠壓筒這種通過超長過盈聯接組合而成的厚壁圓筒式大型軸類件，隨著其重量、過盈聯接配合面的直徑、配合長度以及過盈量的增加，小型軸類件的過盈裝配方法不再適用。本文在查閱相關文獻及技術資料的基礎上，以擠壓筒為例，對超長大過盈組合厚壁圓筒的裝配方法進行了研究，并進行了應用驗證，為今后類似大型軸類件的裝配提供參考。

1 結構及組成

擠壓筒為外套、內襯等組合而成的厚壁圓筒，如圖1所示。其中外套外徑2900 mm，內徑1450 mm/1420 mm，高度2375 mm，重約85 t，壁厚最大為740 mm；內襯外徑1450 mm/1420 mm，內徑1000 mm，重約16 t；外套、內襯間配合直徑為1450 mm/1420 mm，配合總長2375 mm，過盈量2.17 mm，屬超長大過盈配合。

圖1 擠壓筒

從結構來看，外套、內襯間軸向通過止口定位；對于圓周方向，外套、內襯間無定位結構，但由于外套、內襯上的測溫孔需在外套/內襯裝配完成后一起加工以保證孔的同軸度，內襯外圓上有裝配前加工完成的用于通冷空氣的3頭螺旋槽，為避免后續加工時測溫孔與3頭螺旋槽貫穿，造成鐵屑進入螺旋槽而無法清理，外套、內襯裝配前必須按要求在外套/內襯上端面成180°刻對位線，裝配時嚴格按對位線進行圓周對位。

2 裝配方法

過盈聯接的裝配方法，一般有壓裝、冷裝、熱裝等。壓裝一般使用工具或壓力機壓入的方式進行裝配，主要用于配合面要求較低或配合長度短、過盈量小的過盈聯接件裝配；冷裝一般使用干冰、液氧、液氮等進行冷卻，受限于冷卻介質自身特性及所用冷卻設備，主要用于配合面精度要求較高、過盈量小的小型零件冷卻裝配；熱裝因其加熱方法多，所能達到的加熱溫度高，可用于各類過盈聯接件的裝配。綜合各裝配方法的適用范圍、所用設備或工具，對于擠壓筒這種超長配合、大過盈、配合面質量要求高的厚壁圓筒的裝配選用熱裝方法進行。

3 裝配要點及技術方案

3.1 加熱方法及加熱設備的選擇

(1)裝配要點

對于加熱方法，常用的有介質加熱、火焰加熱、感應加熱、電阻加熱等，不同的加熱方法其工藝特點也不相同。介質加熱通常使用沸水槽、油槽進行加熱，熱脹均勻，但受介質本身特性以及加熱設備的限制，介質加熱適用于過盈量不大的小型工件；火焰加熱主要對工件內孔進行加熱，熱傳導快但熱脹不均勻，且長時間加熱容易在工件加熱表面形成氧化皮，影響裝配質量；感應加熱主要使用感應加熱器進行加熱，加熱速度快，熱脹不均勻，且受限于加熱設備，一般用于小型工件的加熱；電阻加熱可加熱溫度高，熱脹均勻，表面潔凈，加熱工件范圍主要取決于電阻爐大小。

就熱裝而言，首先需要選擇合適的加熱方法和加熱設備，以滿足加熱溫度、加熱均勻性、工件表面質量等方面的要求。

(2)技術方案

綜合上述各加熱方法的特點，熱裝時選用了臺車電阻爐對擠壓筒外套進行加熱。

3.2 裝配間隙及加熱溫度的確定

(1)裝配要點

加熱溫度按式(1)計算：

(1)

式中，tn為包容件加熱溫度(℃)；δ1為最大過盈量(mm)；δ2為熱裝時所需的最小裝配間隙(mm)；α為材料的線膨脹系數(℃-1)；df為結合直徑(mm)；t為環境溫度(℃)。

對于擠壓筒來說，在外套加熱完成出爐到內襯完成裝配，中間涉及：1)外套的轉運就位；2)外套內孔熱脹量的測量；3)基于外套本身及支撐方箱的高度，在外套就位后需要在外套周圍搭建腳手架用于近距離指揮內襯的裝配；4)內襯吊裝到位。由于整個裝配過程用時較長，而長時間裝配會出現外套脹量減少、內襯導熱脹大，造成裝配中途因外套與內襯間隙過小或無間隙而卡死，因此需要有足夠的裝配間隙，而過大的裝配間隙會使得加熱溫度過高，接近或超過工件的回火溫度，影響工件的力學性能，因此在計算工件的加熱溫度時，需要對加熱溫度及熱裝間隙進行綜合評估，以滿足裝配要求。

(2)技術方案

熱裝時所需的最小間隙經驗數據為配合直徑的1/1000～1.5/1000 mm[1]；根據外套熱處理工藝規范，其回火溫度為520～540℃。因此綜合考慮擠壓筒外套/內襯間配合直徑、配合長度，必要的裝配時長引起的外套內孔收縮以及內襯導熱脹大，以及外套的回火溫度，將熱裝時裝配間隙確定為2.5 mm，加熱溫度確定為330℃。

3.3 加熱和保溫時間的確定

(1)裝配要點

在工件的加熱過程中，加熱時間、保溫時間過長，會造成能源浪費、成本增加；加熱時間過短，升溫速度過快，可能會造成工件產生較大熱應力，導致工件產生裂紋；保溫時間過短，會造成工件熱膨脹不到位，裝配間隙不滿足要求，導致裝配時出現卡死的情況。

對于工件的加熱和保溫時間，經驗數據為每厚10 mm需要10 min的加熱時間，每厚40 mm需要10 min的保溫時間[1]，對于擠壓筒外套來說加熱時間為740 min，保溫時間為185 min。

按文獻[2]中加熱保溫時間τ=KαD，τ為加熱或保溫時間；K為裝爐系數，K取1(加熱、保溫)；α為加熱或保溫系數，加熱時取1.0～1.1 min/mm，保溫時取0.5～0.6 min/mm(燃氣爐、合金鋼)；D為工件等效截面(mm)，保守計算擠壓筒外套的加熱時間為814 min，保溫時間444 min。

從以往經驗數據來看，對于工件的加熱時間，文獻[1]中加熱時間經驗數據對不同規格的零件基本滿足要求；對于工件的保溫時間，文獻[1]中保溫時間經驗數據對于小型薄壁件基本滿足要求，但對于壁厚大長度長的圓筒類零件，即便按照文獻[2]保守計算，其保溫時間也過短，因此需要確定合理的加熱、保溫時間，以保證工件內孔熱脹量，實現成功裝配。

(2)技術方案

對于外套的加熱時間，根據文獻[1]經驗數據確定為720 min。為避免升溫速度過快導致工件出現問題，升溫速度按≤30℃/h控制。

對于大型軸類件保溫時間的計算，目前相關文獻及技術資料基本只有熱處理的保溫時間的經驗計算公式，但熱裝與熱處理不同，熱裝只需要工件各部分溫度均達到要求加熱溫度即可，而熱處理需要在工件各部分溫度達到要求加熱溫度后再增加一定的保溫時間，保證工件內部應力充分釋放或者內部晶相組織變化均衡，因此熱處理的保溫時間不適用于熱裝，需要采用一套新的公式來計算外套的保溫時間。為推導大型軸類件的熱裝保溫時間經驗公式，提出了以下假設：

以圖2所示圓筒為例，假設保溫時工件內部的均溫過程為一種特殊粒子布滿工件的過程，工件的保溫時間按按式(2)計算：

D—外徑；d—內徑；B—壁厚；H—高度。

(2)

式中，τ是工件保溫時間(min)；β是粒子在工件內的分布密度，與工件材質相關(mm-3)；γ是粒子在工件表面的分布密度，與加熱爐相關(mm-3)；V是工件體積(mm3)；S是工件表面積(mm2)；v是粒子在工件內的平均傳播速度(mm/min)。

將圓筒體積、表面積公式代入式(2)，可得：

(3)

式中，B是圓筒壁厚(mm)；H是圓筒高度(mm)。

根據文獻[1]保溫時間計算方式，為方便計算，對式(3)進行了簡化，簡化后如下：

(4)

從實際經驗來看：對壁厚B<100 mm的圓筒，按式(4)計算保溫時間時v可取1 mm/min；對壁厚B≥100 mm且H>B的圓筒，v在隨著壁厚、高度的增加而變小。表1為一些不同直徑、壁厚、高度圓筒(材質：合金鋼)的實際保溫時間，因未采用專門的熱電偶來監控，保溫時間的誤差大約為±200 min。

表1 不同直徑、壁厚、高度圓筒的保溫時間

根據表1，綜合考慮壁厚、高度，在按式(4)計算壁厚B≥100 mm且H>B的圓筒的保溫時間時，將B、v修正為B1、v1，修正后的關系式為：

(5)

(6)

則壁厚B≥100mm且H>B的圓筒(材質：合金鋼)保溫時間的計算公式為：

(7)

式中，k是與壁厚B、高度H有關的綜合系數(min/mm2)，按表1數據綜合系數k值暫定為0.015 min/mm2。

對擠壓筒外套，其壁厚B最大為740 mm，高度H為2375 mm，按式(7)計算其保溫時間為3513 min。為確保擠壓筒外套被加熱到要求溫度，加熱時在外套徑向氣孔中布置熱電偶，用來監控加熱溫度。

3.4 熱脹量的測量

(1)裝配要點

由于加熱和保溫時間是根據理論計算結合經驗數據得出的結果，在加熱和保溫時間、加熱溫度達到要求后，擠壓筒外套內孔脹量能否達到計算值，是裝配成功的關鍵。內孔尺寸通常用內徑千分尺進行測量，但由于加熱后的外套溫度高達330℃，使用內徑千分尺測量容易造成測量器具的損傷，且測量的操作危險性高，因此需要制作專用的可以快速測量內孔脹量的工裝。

(2)技術方案

為了實現擠壓筒外套內徑的測量，設計了專用的熱脹量測量工裝—T型測量棒，測量工裝一端為可調節測量頭，如圖3所示。

圖3 熱脹量測量工裝

測量工裝在熱裝前需用外徑千分尺進行校對，校對尺寸即為外套加熱脹大后內孔的計算值，按式(8)計算：

d2=d1+δ1+δ3

(8)

式中，d2為擠壓筒外套內徑校對值(mm)；d1為擠壓筒內襯外徑實際尺寸(mm)；δ1為最大過盈量(mm)；δ3為熱裝時的所需的裝配間隙(mm)。

3.5 快速裝入

(1)裝配要點

在擠壓筒外套與內襯裝配時，如果裝配時間過長，會出現外套脹量減少、內襯導熱脹大等問題，造成外套與內襯間間隙過小或無間隙裝配，導致裝配中途卡死，使得零件報廢。從裝配過程來看，為縮短裝配時間，保證內襯能夠快速裝入外套，就是要采取措施縮短必要裝配時長外的輔助準備時間。

(2)技術方案

對整個裝配過程進行分析，必要裝配工序外的主要輔助準備工作有：1)T型測量棒尺寸校對；2)由于外套和內襯的裝配采用立裝的方式進行，裝配時需要調整外套、內襯孔軸的垂直，避免因外套、內襯裝配時不同軸導致卡死。

為縮短輔助準備時間，采取措施為：1)外套在進入加熱爐前完成端面水平度、內孔垂直度的調整，避免外套加熱后因為本身溫度高而調整困難、耗時長；2)T型測量棒尺寸校對、內襯的垂直度調整在外套出爐前完成，以便外套出爐后可以直接進行測量、裝配工作。

3.6 裝配場地

(1)裝配要點

對于大型零件的裝配，裝配場地是否滿足要求是裝配能否進行的關鍵。對于擠壓筒的熱裝，為實現加熱后的快速裝入，裝配必須在加熱爐旁進行，因此在選擇加熱爐時需要對裝配場地面積、場地承重能力、空間高度、行車起吊能力等進行綜合考慮。

(2)技術方案

在選擇裝配場地時，對場地的各項條件進行綜合驗證。對場地面積，綜合計算工件本身的尺寸以及所用支墊方箱、輔助腳手架尺寸等；對于場地承重，將工件本身重量及所用方箱等輔具一同計算，對于不滿足條件的，考慮增加輔助裝配平臺以增大受力面積，滿足承重要求；對于空間高度，主要確認行車的起吊高度；對于行車起吊能力，行車起吊重量要滿足裝配后的總重要求。

3.7 裝配后冷卻方式

(1)裝配要點

熱裝后零件通常采用空冷的方式進行冷卻，但對于厚壁零件，如果采用空冷進行冷卻，冷卻速度過快，會使得零件產生較大的熱應力，造成零件力學性能的降低，嚴重者可能使零件在裝配后產生裂紋。因此必須采取措施減緩零件的冷卻速度[3]。

(2)技術方案

結合現有條件，在外套/內襯裝配完成后，將外套/內襯裝配體返回加熱爐，隨爐進行冷卻，爐內溫度低于80℃時將外套/內襯裝配體取出，進行空冷。

4 裝配方案

經過上述對擠壓筒裝配過程中裝配要點的分析和論證，確定了擠壓筒的裝配方案。熱裝如圖4所示。

1—外套；2—內襯；3—可調墊鐵；4—等高方箱；5—裝配平臺；6—地面。

(1)在加熱爐旁放置裝配平臺、等高方箱及可調墊鐵，用經緯儀、框式水平儀找正各可調墊鐵上表面的水平度及等高誤差不大于0.1 mm；吊放外套于可調墊鐵，調整找正，用框式水平儀檢查外套端面水平度，用經緯儀檢查外套外圓垂直度，誤差不大于0.1 mm/m。復查外套、內襯端面對位刻線應清晰、正確；分別實測外套、內襯止口與下端面軸向間距，以便后續檢查裝配是否到位。

(2)將外套吊放于臺車爐臺車托架上，支墊平穩，通過臺車將外套運送至加熱爐內。在外套徑向氣孔中布置熱電偶，熱電偶與電子監控器連接，便于加熱時隨時觀察外套的溫升情況。按要求加熱。

(3)在外套加熱完成出爐前，用一臺行車起吊擠壓筒內襯，利用手動葫蘆配合進行找正，垂直度不大于0.1 mm/m，以確保內襯軸線與外套端面垂直，避免裝配中途因不垂直導致卡死；T型測量棒校驗校對尺寸d2。

(4)在外套加熱完成后，出爐。用另一臺行車起吊擠壓筒外套至于可調墊鐵上就位，用T型測量棒測量其內孔脹量，滿足要求后快速將擠壓筒內襯吊裝就位。為避免裝配過程中內襯端面落在外套止口上卡住導致內襯無法裝配到位，內襯下落時檢查與外套間間隙均勻，及時調整；在內襯軸向接近裝配到位時，多人配合調整內襯圓周位置，保證外套、內襯端面對位刻線對齊。

(5)擠壓筒內襯裝配到位，檢查無誤后回爐緩冷，待爐內溫度低于80℃時將外套/內襯裝配體取出，進行空冷。

5 效果

加熱時，經熱電偶監控，在擠壓筒外套溫度達到要求時，保溫時間為3600 min；裝配時，內襯順利裝入外套；擠壓筒裝配完成恢復常溫后，對裝配質量進行了檢查，結果如下：1)外套、內襯上端面刻線對齊；2)外套、內襯下端面間距證明兩者止口端面緊貼，軸向裝配到位；3)外套、內襯無裂紋。

裝配過程及結果表明，按上述裝配方案進行擠壓筒裝配，滿足裝配質量要求。

6 結束語

相比于小型軸類件的過盈裝配，對于擠壓筒這種大型軸類件的過盈裝配，主要有以下幾點不同：

(1)小型軸類件的過盈裝配方法多樣，可選擇壓裝、冷裝、熱裝，而大型軸類件尺寸大、配合長度長、過盈量大，壓裝、冷裝均滿足不了要求，只能采用熱裝方法進行；在加熱方式的選擇上，小型軸類件可選擇方式多，對于大型軸類件，由于加熱溫度高、加熱時間長，為保證加熱均勻性及表面質量，最好選用大型電阻爐進行加熱。

(2)小型軸類件重量輕、過盈量不大、配合長度短，裝配過程一般用時較短，裝配間隙可按文獻[1]中經驗數據確定；大型軸類件因其超長過盈的特點，裝配過程所需時間較長，確定裝配間隙時在經驗數據的基礎上還需考慮工件內孔收縮的問題。

(3)小型軸類件加熱時多為敞開環境加熱，溫度與熱脹量測定方便；大型軸類件的加熱一般在加熱爐中進行，需借助熱電偶進行溫度測定。

(4)由于大型軸類件尺寸大、重量重，裝配過程中調整困難，調整時間長。為避免裝配時間過長造成工件內孔收縮，導致裝配中途因間隙小或無間隙卡死，需要將各裝配件提前找正，多行車、多工位協同作業，以縮短裝配時間。

(5)相比小型軸類件，大型軸類件因其過盈量大、厚壁的特點，裝配后冷卻速度過快會產生較大熱應力，造成工件力學性能降低，工件使用壽命縮短，嚴重者可能導致工件出現裂紋，因此裝配后必須緩冷。

擠壓筒裝配方案的成功實施，證明了超長大過盈組合厚壁圓筒裝配工藝科學、合理，可操作性強，可為類似大型軸類零件的熱裝提供借鑒。由于實際案例少，本文對大型軸類件熱裝保溫時間計算的探討希望能為大家提供參考，在大型軸類件熱裝保溫時間的計算上能起到拋磚引玉的效果，以后能有更多這方面的研究。