大過盈精密錐度配合的冷裝工藝

吳志勇，徐景程，何雨華，李文武

(1.浙江美安普礦山機械股份有限公司，浙江 衢州324000；2.浙江長征職業技術學院，浙江 杭州310023）

1 前言

我公司近期開發的一款大型重載礦山機械設備中，涉及到一種利用精密錐度主軸（以下簡稱“主軸”）過盈配合后作為定位及固定端（見圖1）的冷裝工藝。機器在工作過程中，主軸要承受很大的沖擊載荷，所以要確保主軸定位正確，安裝牢固。在滿足各裝配零件加工精度的同時，研究過盈配合的裝配工藝顯得尤為重要。零件過盈配合安裝通常采用壓力裝配工藝和加熱包容件法裝配工藝。壓力裝配工藝一般應用于過盈量較小的場合；而對于加熱包容件法裝配工藝，應根據零件材質的熱敏感特性加以區別選擇。

本設備主軸安裝結構見圖1，安裝錐孔的下架體體積龐大且壁厚變化較大，承受高沖擊的主軸裝配過盈量也很大（徑向約0.44 mm）。經分析，采用上述兩種常見裝配工藝存在影響產品安全的局限性。因此，利用主軸零件的冷敏感特性，結合主軸安裝方式，探索出了一種冷裝工藝方法。

圖1 主軸與錐孔裝配剖面圖

2 冷裝工藝原理

冷裝工藝是指借助金屬零件受冷收縮的性質設計的一種低溫裝配工藝。對于原本具有過盈配合的連接件，把被包容零件置于冷卻介質當中，零件尺寸收縮變小，使得過盈連接形式轉變為間隙連接形式，以降低裝配難度。當裝配體溫度恢復到正常狀態時，被包容零件就會緊緊地與包容零件配合到一起，從而達到所需的裝配技術要求。

3 冷裝工藝理論計算與試驗數據

冷裝工藝理論計算

式中 T——冷凍溫度，℃

x——實際過盈量，mm

y——實際需要間隙，mm

α——線脹系數，1/℃

t——裝配環境溫度，℃

d——主軸軸徑，mm

K——補償系數

對于鋼，α=10.5×10-6/℃；K=1.1～1.4，一般熱天取大值，冷天取小值。

根據公式（1），按表1給定數據，計算主軸冷凍溫度T。

借鑒以上主軸冷凍溫度理論計算結果，參考公司以往產品零部件冷凍安裝實驗數據，對比分析本主軸安裝過盈量要求在0.41～0.47 mm范圍內，其主軸需在專用低溫冷凍箱內冷凍2 h左右，并且冷凍箱內溫度保持在-110℃左右（見圖2）。

表1 主軸冷凍溫度計算表

4 冷裝工藝過程

4.1 備料

包括零件領料，裝配作業支架，調整工裝，輔助固定工裝，準備專用冷凍箱、液氮儲罐（按需求量充足配備），備齊專用測量卡板、高度尺、塞尺等。

4.2 檢查工序

檢查各裝配零件加工表面有無磕碰，如有磕碰，用油光銼和金相砂紙修復；去除配合面雜質和污漬，并確認零件表面干燥。

圖2 冷凍試驗裝置

4.3 預裝工序

檢查主軸和錐孔接觸情況，要求預安裝錐面接觸率≥75%為合格，否則返工。調整主軸軸向尺寸的工裝，安裝在下架體底部待用（見圖3）。

圖3 調整工裝安裝圖

4.4 冷裝介質選擇

冷裝介質采用液態氮，因為液態氮便于采購，價格也比較低廉，可以大大降低安裝成本。此外，氮氣屬于不活潑氣體，揮發后也沒有危險性。液態氮的需求量根據裝配零件尺寸大小、冷凍溫度及冷凍時間等因素來確定。

4.5 專用冷凍箱

為了達到冷凍效果，本著節約冷凍介質的目的，根據主軸尺寸大小對冷凍箱進行設計和制作。專用冷凍箱的高度首先要能把主軸全部放到里面，但其直徑方向的尺寸不能太大，一般為主軸直徑的1.5～2倍，方便主軸固定及吊取操作即可。

4.6 主軸冷裝工藝步驟

（1）用吊裝工具將潔凈的主軸豎直吊入冷凍箱并確保穩固，往冷凍箱里持續注入液氮（見圖2），直至浸沒主軸2/3-4/5 高度為止。注入完成后，靜置2小時左右確保降溫達標，即可進行冷裝操作。在冷凍過程中，不得拆除吊裝工具，因為冷凍結束后吊裝工具可能無法安裝。

（2）將冷凍后的主軸垂直吊入錐孔，由質檢員用高度尺沿圓周四處均勻測量745.40±0.26 尺寸（見圖4），如尺寸大于上限（745.66），則迅速吊出，重新進行冷凍；如小于下限（745.14），則通過底部工裝（見圖3）調整高度尺寸達到要求。在主軸上端面加裝輔助固定工裝，以便控制主軸與錐孔的過盈量。

（3）質檢員每半小時監測一下裝配體的情況，包括下架體和主軸的溫差、輔助固定工裝螺母的松緊程度。如太緊，要及時通知裝配人員適當松一些，待兩工件溫度一致（溫差≤3°C）即可。

（4）質檢員用高度尺沿圓周四處均勻測量746.52±0.50 尺寸（見圖5），并做記錄。檢驗合格后本次冷裝結束，轉入下道工序。

圖4 冷凍高度測量尺寸圖

圖5 常溫高度測量尺寸圖

5 操作方法及注意事項

（1）操作員要做好必要的勞動防護措施，佩戴防護鏡和防護手套，并通知無關人員撤離至安全距離之外，避免發生凍傷；

（2）剛加入冷卻劑時，會出現劇烈的沸騰現象，一定要控制好冷卻劑注入速度和注入量，避免濺出傷人；

（3）為了保障冷裝質量，在冷卻之前要考慮好冷卻之后的快速吊裝環節；

（4）盡量不要長時間面對冷凍箱呼吸，以免吸入氮氣凍傷呼吸道。

6 結束語

操作實踐表明，該冷裝工藝簡單方便，保證了裝配質量，操作難度不大。由于冷裝工藝在大過盈精密錐度配合中具有獨到優勢，今后在系列產品類似結構零件安裝中也可應用。采用冷裝工藝之前，應結合實際情況全面分析，以起到良好的冷裝效果。