一种起重机模块化车轮组冷装工艺研究

蔡昌 张杰义 李静宇 刘洋

（河南卫华重型机械股份有限公司，河南新乡 453400）

0.序言

在机械制作领域中，零部件的过盈配合通常采用压装法、温差法等，针对H7/u6级配合大过盈量的无键车轮组，各装配方法有以下几种特点：

（1）压装法需要较高的压装力，设备投资较大，且对零部件的表面质量（优于Ra1.6）和压装件同轴对正要求较高，压装时车轮、车轮轴结合面之间存在强力摩擦，只能通过压力机曲线来间接评估装配质量，压装过程中需确认的控制点较多、废品率较高。（2）热装法主要采用加热炉对车轮进行整体加热，使车轮膨胀以满足装配间隙要求，装配中无接触摩擦，冷却后通过盈接触强度保证驱动扭矩，但该车轮属变截面结构，厚度较大造成热传导时间较长，热应力变形回弹量不均匀造成工件精度损失，且装配过程暴露在空气中，易产生氧化颗粒影响配合质量，同时由于工件重量较大，温度较高，流转过程操作不便。（3）冷装法主要是将车轮轴放入冷却介质中,按装配间隙和工件直径控制冷装温度和保温时长，装配后工件在常温状态下升温膨胀，依靠过盈接触强度保证驱动扭矩，车轮轴相对重量轻、截面变化小，冷装过程性中具有无接触摩擦、无表面氧化、装配接触强度高和易于工件流转等特点，便于实现自动化装配，但冷却介质具有挥发性[1]。

综合上述因素分析，从绿色、节能、装配质量控制及装配产线建设方面分析，冷装工艺具有较强的可行性，但需通过检测车轮、车轮轴配合尺寸，在保证装配间隙下节约冷冻时间，提高装配效率，减少冷却介质损耗均摊。

1.冷装工艺分析

冷装法是常规冷处理的一种延伸，在-150℃低温下可大幅度降低金属材料中的残余奥氏体，使基体组织上析出均匀、细微且弥散的碳化物，在轴的外径微量减小的同时可显著提升材料的力学性能和使用寿命，低温冷缩状态下按图装配，随着车轮轴温度升至室温，其回弹至原始加工尺寸，从而达到过盈装配目的。大过盈冷装通常采用液氮作为冷装介质，冷却温度低且化学性能稳定，使用过程中将液氮投放至冷装桶或冷装箱中，由于液氮不能回收，损耗成本较高，因此必须通过流程化装配提高作业效率。装配前检查车轮轴外径无应力集中尖角，外径粗糙度优于Ra3.2，车轮内孔、车轮轴外圆经强力清吹后（避免表面结冰）拍照测量配合尺寸并编号记录，车轮轴进入回转通过式液氮冷装箱（工件摆放间隙值大于30mm），按记录尺寸设定保温时长，到时后采用桁架机械臂吊出工件复检外径尺寸，并与车轮对号定位装配[2]。

2.冷装工艺试验

2.1 试验对象确定

根据机械设计手册中过盈连接件装配经验公式表明，影响工件冷装温度的主要因素是工件直径和线膨胀系数，为有效评估各类车轮组的冷装可行性，我们选择直径φ200～φ630mm车轮组为试验对象[3]，相关参数见表1。

表1 过盈量计算表

2.2 冷装温度计算

按照经验公式，工件冷装温度与外径收缩量成正比，与材料系数、配合直径成反比，故车轮轴冷装温度经验公式设定为：

式中：T—冷装温度，℃；Δmax—最大过盈量，mm；α—低温线膨胀系数，℃-1；d—配合直径，mm。

（1）线膨胀系数测定。由于该车轮轴的材料为40Cr,冷装前处于调质状态，由线性膨胀系数公式，得线材料膨胀系数与温度成反比，采用φ60×180mm样件在不同温度下冷冻1h测得该材料线膨胀系数与温度曲线，见图1。

图1 线膨胀系数测定曲线图

由图1可知，不同温度下同类材料的线膨胀系数不同，相对差值较大，在-180℃时该材料对应线膨胀系数为8.9×10-6℃-1，通过统计工件出箱温度和外径收缩量，该理论计算公式的温度修正值约为35℃。

（2）冷装温度计算。为保证冷装温度的可靠性，我们选取最大过盈量作为计算原始参数，冷装温度计算情况见表2。

表2 冷装温度修正计算表

在常压下液氮温度为-196℃，考虑传导损失，冷装箱环境极限低温设置在-180℃，上表计算数据可知，直径φ200～φ250的车轮在当前常温低压状态下不满足最大过盈装配要求，因此控制φ200～φ250轮组车轮轴及车轮内孔的公差值，减少实际过盈量。

3.结论

本文以起重机模块化车轮组冷装工艺及产线建设为切入点，梳理分析各直径轮组在冷装工艺下的加工尺寸控制要求、完善低温冷冻理论计算公式。冷装工艺有效推动车轮组由有键连接向无键连接优化，相对传统压装，采用冷装工艺的大过盈无键结构车轮组的装配合格率提升20%，批量化集中作业效率提升40%，有效提升装配质量、实现装配组合拣选控制和数据的可追溯要求。