卷繞頭長套加工工藝改進

張軻

摘要：卷繞頭作為化纖紡絲設備的關鍵核心裝置，結構復雜，技術含量高，對紡絲成型質量的影響至關重要。其中長套被認為是最為重要的零件，屬于大長徑比、精度高、薄壁套筒極難加工構件。實踐表明，絲餅卷繞成型中出現的品質問題多與其質量穩定性有關。實際生產中，長套動平衡一次合格率低，穩定性差，生產成本高且生產效率低下。本文通過對長套的加工工藝各工序作用從理論上定性分析，結合實際生產，找出關鍵影響因素，制定工藝改進方案驗證，解決了長套加工動平衡一次合格率低的問題，達到提高質量提升效率的目的。

Abstract： As the key core device of chemical fiber spinning equipment， the winder has a complex structure and high technical content， which has an important influence on the quality of spinning forming. Among them， the long sleeve is considered to be the most important part. It is a component with large aspect ratio， high precision， and thin-walled sleeve which is extremely difficult to machine. Practice has shown that the quality problems that occur in the winding and forming of silk cakes are mostly related to the quality stability. In actual production， the first pass rate of the long sleeve dynamic balance is low， the stability is poor， the production cost is high， and the production efficiency is low. In this paper， through the theoretical qualitative analysis of the role of each process in the processing of the long sleeve， combined with actual production， the key influencing factors are identified， and the process improvement plan is formulated to verify the long sleeve processing and achieve the purpose of improving efficiency.

關鍵詞：卷繞頭;長套;加工工藝;調質;動平衡

Key words： winding head;long sleeve;processing technology;quenching and tempering;dynamic balance

中圖分類號：TS104.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0112-03

1? 卷繞頭介紹

卷繞頭作為化纖紡絲成套設備的關鍵核心裝置，技術含量高，結構復雜，涉及機械、電控、氣動、計算機程序等多學科多專業理論。卷繞頭主要由導軌機架、橫動總成、夾頭總成、摩擦輥總成等部件組成，由電動機帶動相關回轉機構旋轉，機械、電氣、氣動及程序必須步調完美結合起來，方能實現高品質高效率的生頭、夾頭切換、絲餅卷繞成型等動作。因此，卷繞頭一直被認為是一種制造周期長、制造難度大、制造精度高的科技含量高的產品，其價格占化纖紡絲成套設備總投資的50～60%左右。2000年前，我國卷繞頭主要依賴進口，且價格高昂，嚴重制約著化纖產業的發展。經過5年左右的艱苦攻關，北京中麗制機工程技術有限公司突出重圍，成功開發出具有自主知識產權的高速卷繞頭，打破國外壟斷，推動了整個國內化纖設備尤其是卷繞頭技術的積淀與提升。目前卷繞頭制造供應商主要有德國Barmag、日本TMT和中國的北京中麗、上海金緯、鄭紡機等。其中德國Barmag和日本TMT一直以來引領卷繞頭的發展趨勢并控制著核心制造技術，盡管其在我國本土化程度越來越深，但是其關鍵件依然在國外制造，包括長套。北京中麗長期處于跟跑之勢，鄭紡機作為老牌國有企業近些年突破卷繞頭技術在主動摩擦輥卷繞頭上異軍突起，而上海金緯也在加速追趕。

卷繞頭按壓絲輥驅動方式分從被動壓絲輥式和主動壓絲輥式。被動壓絲輥卷繞頭的歷史較長，20世紀70年代到80年代，德國、日本、瑞士已相繼開發出半自動被動壓絲輥式高速卷繞頭。北京中麗于本世紀初開發出全自動被動壓絲輥式高速卷繞頭批量化投產交付。由于化纖技術的快速發展，化纖設備也在向著自動化程度高、適紡品種靈活、智能少人化等方向前進，卷繞頭的發展也持續向緊湊型、節能化、高轉速、多絲餅、精密卷繞等智能化方向發展，主動壓絲輥式卷繞頭是前進途中的一大突破，國內鄭紡機早先一步，在2010年之前已經開始推出。

2? 長套結構及分析

2.1 夾頭簡介

夾頭（圖1）是卷繞頭的一個關鍵部件，長套（圖1中卷繞長軸）是夾頭部件中的一個關鍵零件。長套與連體軸承通過加熱烘裝的方式與支撐軸結合起來，外面通過螺絲連接彈簧、漲塊、漲緊套等零件。夾頭工作時的線速度是3500～5500m/min，轉速超過10000r/min，而長套通過工藝孔（圖2中小孔）與連體軸承熱裝，連體軸承的另一端與支撐軸連接，最后支撐軸剛性固定到轉盤機架上，形成懸臂結構。工作時電動機驅動長套的轉動進而帶動夾頭部件轉動，通過漲塊的頂出將紙筒管夾緊后，并帶動紙筒管旋轉及將化學纖維卷繞到紙筒管上，在紡絲卷繞滿卷后通入壓縮空氣收回漲塊將紙筒管釋放開。由于紡絲時線速度恒定，所以夾頭轉速隨絲餅直徑增大而降低，長套轉速是連續變動的，長套通過與連體軸承熱裝的位置將隨著轉速的連續降低，承受的載荷重量從0增大到紡絲卷繞完成時150kg左右。

實踐驗證，夾頭紡絲時工作轉速會大于75%的臨界轉速產生較大幅度振動，影響絲餅成型。一般認為夾頭低速紡絲卷繞時為剛性轉子，高速紡絲卷繞時為撓性轉子。撓性轉子在高轉速下會產生動不平衡現象，進而產生振動噪聲，影響轉子的使用壽命和傳遞效率。

2.2 長套結構簡介

長套（圖2）是一種長徑比大（11∶1～17∶1）、薄壁套筒（壁薄3.5mm）極難加工零件，在高轉速、高載荷下工作。實踐表明，絲餅卷繞成型出現的品質問題多與其質量穩定性有關。長套加工長期面臨加工質量穩定性差、加工效率低等問題。從使用角度看，其使用轉速高，達到8000～12000r/min，對動平衡要求高。從加工工藝性看，其加工工序長、尺寸精度要求高、熱處理次數多、內孔加工深，使得動平衡一次合格率低且不穩定，10～40%左右，多數不超過30%。因此需要通過提升動平衡一次合格率，提高產品質量，提升效率，降低成本。

3? 長套工藝

3.1 材質選擇

長套材料選用40Cr軋制圓鋼。40Cr是一種最常用的合金調質鋼，含碳量在0.37～0.44%，含Cr0.80～1.10%，用于較重要的調質零件。40Cr調質處理時Cr能增加鋼的淬透性，提高鋼的強度和回火穩定性，具有優良的機械性能。40Cr未熱處理的硬度只能達到HRC10～20;40Cr熱處理硬度是HB250-280，淬火后硬度在HRC48-52范圍內，如回火后硬度會下降HRC10-20左右。40Cr調質處理后具有良好的綜合力學性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性，淬透性良好，水淬時可淬透到Ф28～60mm，油淬時可淬透到Ф15～40mm。切削性能好。

3.2 加工工藝路線

正火→粗車外圓→調質→深孔鉆預打兩端孔及小孔→一次粗車兩端孔→一次去應力→半精車外圓→二次粗車兩端孔及小孔→二次去應力→精車外圓→半精車兩端孔及小孔→粗磨外圓→鉗工打孔→精車兩端孔及小孔→精磨外圓留磨量→精磨里孔→鍍硬鉻（0.015～0.025mm）→動平衡→返修（兩端孔拉槽或2次精車兩端孔）。

3.3 主要工序作用分析

3.3.1 正火

長套正火可以使組織均勻化，改善切削性能，為后續機械加工做準備。

正火，又稱?；?，是將工件加熱至Ac3（Ac是指加熱時自由鐵素體全部轉變為奧氏體的終了溫度，一般是從727～912℃之間）或Acm（Acm是實際加熱中過共析鋼完全奧氏體化的臨界溫度線）以上30～50℃，保溫一段時間后，從爐中取出在空氣中或噴水、噴霧或吹風冷卻的金屬熱處理工藝，其目的是在于使晶粒細化和碳化物分布均勻化。正火與退火的不同點是正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，因而正火組織要比退火組織更細一些，其機械性能也有所提高。

3.3.2 調質

長套調質是提高其綜合機械性能，保證長期運轉時的強度和剛性。

調質處理是淬火后高溫回火的熱處理方法，目的是使工件具有良好的綜合機械性能。高溫回火是指在500～650℃之間進行回火。淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體（或貝氏體）轉變的熱處理工藝。調質件大都在比較大的動載荷作用下工作，它們承受著拉伸、壓縮、彎曲、扭轉或剪切的作用，有的表面還具有摩擦，要求有一定的耐磨性等等。

3.3.3 去應力

去應力方式很多種，長套采取去應力退火，主要是去除機械加工產生的應力，同時去除調質時殘留的組織應力，減少應力變形，保證零件最終精度。

去應力退火是將工件加熱到Ac1以下的適當溫度，保溫一定時間后逐漸緩慢冷卻的工藝方法。其目的是為了去除由于機械加工、變形加工、鑄造、鍛造、熱處理以及焊接后等產生的殘余應力。進行去應力退火時，金屬在一定溫度作用下通過內部局部塑性變形（當應力超過該溫度下材料的屈服強度時）或局部的弛豫過程（當應力小于該溫度下材料的屈服強度時）使殘余應力松弛而達到消除的目的。

3.3.4 粗精車外圓內孔等

粗車（二次粗車）是加工工藝的粗加工工序，主要是將工件表面多余的材料去除，一般對產品尺寸、粗糙度要求不高。工件毛坯有較大余量時，都要安排粗加工環節。長套粗車工序主要是保證后續加工質量的情況下快速去除切削余量。

精車是加工工藝中的精加工工序，需要保證產品的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等相關要求。精車要求切削深度和走刀量都要小，最終保證工件的幾何精度并實現較高的表面粗糙度要求。長套精車工序是要實現圖紙和工藝所要求鍍硬鉻前的幾何尺寸。

3.3.5 精磨

長套精磨主要是提高表面質量和實現更高要求的幾何精度。磨削加工是用磨料、磨具去除工件上多余材料的加工方法，屬于機械加工精加工范疇，一般常用于半精加工和精加工，加工精度可達IT5～IT6，表面粗糙度Ra為1.25～0.01μm。磨削時的切削速度高，磨削溫度高。由于長套工藝孔小孔深精度高，采用意大利進口磨床方能保證。

3.3.6 鍍硬鉻

長套通過表面鍍硬鉻提高耐磨性并實現防銹，鍍鉻層厚度為0.15～0.25mm。

鍍硬鉻是在母體材料上鍍一層鉻的薄膜，以提高耐磨性和在一定介質中的防腐蝕能力，也可用于磨損零件尺寸的修復。鍍鉻層厚度一般在0.02mm以上，硬度一般為800～900HV，高的可達1200HV。

3.3.7 動平衡

長套動平衡是檢驗機械加工后單件的動不平衡量，通過去重增重等方式實現長套的動平衡后在質量要求內，然后方可進行后續總成裝配等工序，最終保證夾頭的動平衡結果。工程中的各種回轉體，由于材質不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產生的誤差，甚至設計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉體在旋轉時，其上每個微小質點產生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過軸承作用到機械及其基礎上，引起振動，產生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機械壽命，嚴重時能造成破壞性事故。為此，必須對轉子進行平衡，使其達到允許的平衡精度等級，或使因此產生的機械振動幅度降在允許的范圍內。

4? 長套改進后工藝

材質不做變化，工藝路線為：粗車外圓→深孔鉆預打兩端孔及小孔→調質→一次粗車兩端孔→一次去應力→半精車外圓→二次粗車兩端孔及小孔→二次去應力→精車外圓→半精車兩端孔及小孔→粗磨外圓→鉗工打孔→精車小孔→精磨外圓留磨量→精磨里孔→鍍硬鉻（0.015～0.025mm）→動平衡→精車兩端孔→返修（兩端孔拉槽或2次精車兩端孔）。

4.1 取消正火工藝

長套正火工藝是自2000年前后開始制造長套時選用的，由于當時冶煉軋制技術水平限制，選用正火細化晶粒、均勻化組織進而改善切削性能是常態化措施，隨著冶煉軋制技術的提升，鋼材品質已經不可同日而語，完全能夠保證材料加工，原工藝正火后僅僅一道粗車外圓加工后就去進行調質處理，調質處理本身就改善了材料的切削性能，綜合40Cr鋼材本身切削性能也較好，故提出取消正火工序。

4.2 調整調質與深孔鉆預打兩端孔及小孔順序

前面講到長套的實際使用狀態，工藝孔要在高速旋轉下承載變化載荷，所以其耐磨性、強度、剛度必須要保證，因此工藝孔位置應實現調質組織狀態和硬度。雖然根據40Cr的淬透性和長套結構特點，整體調質時工藝孔位置理論上能被淬透，但淬透性是指由鋼的表面馬氏體組織到鋼的半馬氏體區（組織中馬氏體占50%、其余50%為珠光體類型組織）組織處的深度，整體調質時工藝孔處硬度遠低于表面硬度，達不到真正的調質硬度，不能很好滿足長套的穩定工作狀態。

4.3 調整精車兩端孔至電鍍后

由于長期認為電鍍對長套最后精度的影響忽略不計，長套電鍍后不進行檢驗直接進入動平衡環節。當動平衡不合格時，通過兩端孔拉槽或2次精車兩端孔返修達到要求再進行動平衡，根據長期實踐結果，2次精車兩端孔也就是電鍍后精車可以修復所有動平衡不合格的長套?；诖耍丫嚬ば蛘{至電鍍后，但精車余量要比之前更小，減少切削力。

5? 改進結果

以上改進經過批量試驗驗證，得出以下結果：

①動平衡后一次合格率由改進前的10～40%左右（某項目60根），提升到93.3%，其中不合格數據返修量也很小。②由于打孔后調質，料坯重量減輕，運輸吊裝方便，單次去應力退火時間減少1/3以上，效率提升，節省能源，降低成本。③對電鍍前后長套進行跟蹤檢驗發現，數據有變化且不等，跳動值變化在0.001～0.005mm之間。④由于長套之前返修前后不檢驗，修完就繼續動平衡，基本都合格。本次對2次精車兩端孔進行跟蹤檢驗發現，精車后有跳動值有0～0.02mm的變化，變化明顯的占比1/4較左右。⑤動平衡微去重時發現內孔壁比以前硬，即比先調質后打孔要硬。⑥精車外圓中間鼓肚問題明顯，留磨量大，影響磨削效率及產品質量。

6? 結論

①電鍍后精車會大幅度提升動平衡一次合格率。

②電鍍對產品精度有影響，高精產品要重視電鍍的影響。

③電鍍后精車會影響長套的幾何精度，可以確定返修同樣會影響長套的幾何精度。這個問題需做更深入研究進行改善。

④調質順序的改變影響產品內部硬度。

⑤正火工藝的取消并沒有影響長套的切削性能。

⑥精車外圓工序質量重視不夠，導致實際磨削量大且不均，影響生產效率，其對產品最終質量的影響需要進一步研究。

⑦在充分的理論分析下作出對工序進行調整是可行的，務必要結合技術的進步和產品的新要求做好工藝完善。

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