攪拌摩擦焊主軸銹蝕問題與處理方案探索

熊文炳，彭雁峰

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001）

1 設備介紹

攪拌摩擦焊設備型號FSW-5DLM-010，由韓國賽福斯特廠家生產，2011 年投入使用，使用至今對主軸部件進行過一次大修改造。該設備主要應用于鋁及鋁合金材料的型材或者平板焊接，焊接鋁及鋁合金材料的焊接厚度范圍可以達到2.5～8 mm，公司應用此設備焊接鋁合金車體的側墻工件，設備X 軸最大行程10 m，Y 軸最大行程2.5 m，側墻工件的最大焊縫長度約8000 mm，最大寬度2200 mm。攪拌摩擦焊設備主要由床身、立柱、橫梁、工作臺、橫滑板、垂滑板、主軸頭（包含主軸與主軸套筒）、電控系統、操作臺等部分組成。

2 主軸銹蝕現象

設備在焊接過程中，主軸因長時間連續保持較高的轉速旋轉，溫度上升較快，同時由于工件與攪拌頭劇烈摩擦產生非常多的熱量，該部分熱量除了分散到周圍環境中，主要會通過專用刀柄傳遞到主軸，造成軸承溫度升高，為保證主軸長時間使用且故障率低，需要對主軸系統進行循環冷卻。主軸循環冷卻系統因長期未使用，且未清空冷卻系統內殘留的蒸餾水，造成冷卻回路中的金屬部分出現銹蝕現象，尤其是主軸套筒的冷卻水道與Z 軸滑枕銹蝕現象最為嚴重，導致主軸套筒與Z 軸滑枕粘結在一起，現場無法將主軸連同主軸套筒拆卸下對主軸、主軸軸承、主軸套筒、齒輪等部分進行檢修。

3 主軸結構分析

主軸部件主要包括主軸及主軸電機、主軸旋轉調整裝置、激光跟蹤系統、渦輪裝置、攝像裝置等，主軸傳動系統通過采用主軸電機驅動同步帶，同步帶再帶動皮帶輪實現傳動（圖1）。主軸與攪拌頭聯接，是參與鋁合金側墻工件焊接的直接部件，并且承擔攪拌頭焊接時產生的力和扭矩。

圖1 主軸部件

主軸設置于主軸套筒的安裝通孔內，主軸套筒固定在Z 軸滑枕上，機械主軸直徑為110 mm，在主軸電機的驅動下最高轉速可達到3000 r/min，并且可以在100～3000 r/min 轉速范圍內實現無級變速，額定功率為15 kW，軸頭形式為BT50。攪拌摩擦焊主軸前軸承與后軸承分別為5 套B7022 型FAG 角接觸球軸承、2 套B7018 型FAG 角接觸球軸承，軸承內填潤滑脂。主軸套筒外側呈螺旋形與冷卻水管連接（圖2）。

圖2 主軸內部結構

4 主軸拆卸

為將主軸拆卸下來，維修人員嘗試了清洗劑浸泡法（使用WD40 除銹劑對整個管道進行浸泡）、拉拔法、螺桿頂出法以及千斤頂頂出法等多種方法均未能成功，若無其他有效方法，便只能進行報廢性拆除，不僅大大增加維修成本，且配件加工周期較長，影響現場的生產進度，造成不必要的產品委外加工費用。

4.1 方案確定

根據主軸結構圖紙與現場實物對比分析，發現主軸上下兩端與Z 軸滑枕接觸面都配置有O 形密封圈，主軸冷卻水道為上進下出，再加上其特有的螺旋式結構，考慮在將主軸、主軸套筒與Z 軸滑枕進行密封之后可以形成良好的壓力區域，嘗試通過油壓法進行拆卸。主軸與主軸套筒采用40Cr 鋼材鍛造而成，在經過一定的熱處理工藝后，材料的屈服強度可以達到785 MPa以上，并且冷卻水道特有的螺旋式結構使得油壓可以均勻分布整個管路中，不會造成應力的過度集中，從理論上可以進行實施。油壓法實質上使將橫向與縱向聯結組合在了一起，在橫向上是通過壓力油來使孔徑擴大以及使軸徑縮小（主軸套筒與Z 軸滑枕在配合處發生彈性變形），然后再通過施加軸向壓力來推動軸端或者主軸套筒。在此情況下增加了橫向配合面的間隙，用適當的工具將油壓入連接面之間，并形成較高的壓力[1]。此時壓力油使主軸與Z 軸滑枕之間形成油膜，在軸向力的作用下主軸會沿軸向進行移動，兩個相配合連接的部件發生分離，主軸相對Z軸滑枕發生相對移動只需克服較小的阻力即可，最終可將主軸拆卸下來。

4.2 專用加壓工具制作

根據主軸冷卻水道接口的螺紋尺寸，配置轉接頭2 個、304不銹鋼球閥1 個、分體式液壓千斤頂（10 t）1 件、壓力表（量程1.6 MPa）1 只，將這些工具組裝成可以單向加壓保壓的專用工具，并且可根據壓力表直觀地顯示壓力值，以此控制系統壓力大小，防止壓力過高對主軸造成不必要的損傷。

4.3 拆卸實施

先拆除主軸上端的防護罩，再拆除端面的6 顆緊固螺栓，隨后拆除頂部與主軸電機相連接的傳送皮帶，此時主軸已完全松開。主軸下方需放置好液壓升降小車（最大載荷500 kg）做好支撐，同時在升降小車與主軸中間墊好聚氨酯緩沖塊，避免因主軸下墜至地面造成主軸端面損傷。將專用工具接入主軸冷卻水道的下接口后，開啟球閥，開始對冷卻水道注油，此時必須注意一邊注油，另一邊同時往千斤頂油箱里加油保證系統內油液充足，直到上接口開始往外冒油后，將上接口用液壓堵頭堵死，此時開始再注油，系統壓力已然建立起來。在往冷卻水道內不斷充入油液并升高壓力后，主軸開始逐漸下落，升降車也與其同步下降，直至主軸完全拆卸下來；當主軸逐漸下落時，視情況保持壓力或者緩慢減小壓力，絕對不允許主軸急劇下墜，防止拉傷配合面。拆卸下來的主軸可見銹蝕情況非常嚴重（圖3）。

圖3 完成拆解的主軸

5 經濟技術分析

通過油壓法不僅可以保證機械主軸的順利拆除，同時保證了拆除質量，還具有非常可觀的經濟效益。若將Z 軸滑枕連同主軸同時進行更換，整體采購費用高達30 萬元，而使用油壓法進行拆卸整個過程除去利用公司已有的液壓千斤頂工具，采購壓力表35 元/個、接頭6 元/個、堵頭3 元/個、球閥15 元/個等配件合計約65 元，相對于主軸整體采購費用可以忽略不計。由此可以看出，通過油壓法對主軸進行拆卸可以創造出將近30 萬元的經濟效益。

6 結束語

通過對銹蝕的主軸與主軸套筒結構進行分析，在嘗試多種拆卸方法沒有成功的前提下，最終采用油壓法將主軸成功拆卸下來。由于配合面之間加入有高壓油，相較于機械拆除法更加不易擦傷配合面，此方法的成功實施，最大程度地保留了原機械主軸，極大地節省了維修費用，提升了維修效率，也為后續同類型主軸結構在發生銹蝕情況下的拆解提供了經驗參考。