预应力钢丝缠绕挤压芯筒制造工艺研究

胡余平 曾中成 刘世彬 李春伟 李玖刚

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川 德阳 618000)

挤压筒是挤压机的关键部件之一，通常采用H13、5CrNiMo、300M等热作模具钢，按其结构分为单层整体式挤压筒、多层自预紧挤压筒、钢丝缠绕预应力挤压筒三类。目前，大多采用多层衬套过盈热装组合式结构，且以三层最为常见，其制造技术成熟度高[1]。

预应力钢丝缠绕挤压筒技术是近年才研究开发的新型结构，相对于多层衬套过盈热装组合自预紧挤压筒，钢丝缠绕结构具有疲劳寿命高，承载能力强；结构尺寸紧凑，尺寸小，制造成本低；80℃下高温蠕变小，壁厚对内压不敏感等优点[2]。因此，在大吨位重型挤压机关键零部件挤压芯筒设计应用方面，预应力钢丝缠绕技术挤压筒具有明显的优势，应用前景广泛。

本文针对钢丝缠绕预应力挤压筒这一新型结构[3]，系统分析了挤压筒的制造工艺流程、组合加工方法、关键工艺技术，该技术在32 MN静液挤压机芯筒制造项目中得到成功应用。

1 结构简介

以公司制造的32 MN静液挤压筒为例，挤压筒由芯筒、端盖、挡板、挡圈、导套、钢丝、保护套、剖分键等零件组成(见图1)，零件最大长度1765 mm，最大截面∅2150 mm，最小孔径∅150.5 mm，重约16 t。

图1 钢丝缠绕预应力挤压筒结构示意图Figure 1 Structural diagram of steel wire wound prestressed extrusion container

坯料盛装在挤压筒孔内，坯料在挤压工具的作用下与挤压筒产生相对运动，挤压筒在400～500℃高温、250～1300 MPa高压工况下频繁工作[4-5]，内孔的加工质量对模具的使用寿命、挤压制品的品质有较大的影响。因此，这对挤压筒内孔的加工表面质量、形位精度、尺寸精度提出了非常高的要求。

2 工艺方案

2.1 工艺分析

芯筒外圆缠绕预应力钢丝，相当于在筒体上施加一个预加载荷，必将导致已加工的内孔、端面及密封槽产生变形，孔径缩小，端面倾斜，其变形情况见图2。

图2 缠绕钢丝后的芯筒变形示意图Figure 2 Schematic diagram of deformation of container after winding steel wire

因此，对于预应力组合芯筒类产品，若将芯筒内孔加工符图纸要求后再进行钢丝缠绕，必将导致芯筒孔径缩小、尺寸不均匀等重大质量缺陷而无法使用，需要创新工艺技术方法，解决芯筒缠绕钢丝后内孔产生的变形。

从零件装配结构、使用功能角度分析，结合设备制造能力及加工需求，采用预留加工余量装配组合后再进行最终精加工的设计策略，以解决芯筒缠绕钢丝后内孔的变形问题，保证产品的最终使用功能要求。

2.2 技术路线

工艺技术路线的拟定是制定工艺过程的总体布局，其主要任务是确定各零件的工艺流程、关键工序节点、各个部位的加工顺序以及整个工艺过程中的工序数目等，合理的工艺路线应具有加工方法易于实现、检测方便，易于保证加工质量、生产高效和制造成本经济等特点。

综合分析挤压芯筒的结构特征、加工方法及装卡方式等，将芯筒、挡板、保护套、挡圈、端盖、钢丝、键、剖分键等零件(见图3)组合为一个整体后，采用深孔机床磨削芯筒内孔。

图3 组合加工方案Figure 3 Combined machining scheme

根据挤压筒芯筒工艺设计思路，综合零件装配及制造工艺需求，设计了总体制造工艺流程(见图4)，具体加工要求如下：

图4 挤压芯筒制造工艺流程Figure 4 Manufacturing process flow of extrusion container

(1)芯筒两端止口与∅150.5 mm内孔按同一尺寸加工留余量，长度左端面留装配后加工余量，其余部位加工符图纸要求。

(2)端盖∅160H8孔及小端端面留余量，孔内密封环槽暂不加工，其余部位加工符图纸要求。

(3)组合加工所需零件挡板、保护套、挡圈、剖分键、键等零件符图纸要求。

(4)按工艺要求加工完芯筒后，按图4装配芯筒、挡板、挡圈、端盖、键、剖分键等零件，轴向固定防止钢丝窜动。

(5)采用扁铜钢丝(1 mm×4 mm)按图5所示张力要求在芯筒外圆缠绕钢丝，合格后按图3装配保护套。

图5 缠绕钢丝张力变化示意图Figure 5 Schematic diagram of tension change of wound steel wire

(6)深孔机床磨削芯筒∅150.5 mm内孔，数控落地镗床镗削加工∅160H8止口、端面及密封槽。

3 芯筒加工

3.1 结构特征

芯筒材料为300M低合金超高强度锻钢件，总长1535 mm，外径∅280 mm，法兰∅320 mm×50 mm，最小内径∅150.5 mm，长径比达10.2，内孔表面粗糙度达到镜面Ra0.4 μm，外圆表面粗糙度Ra1.6 μm，见图6。

图6 芯筒结构示意图Figure 6 Structural diagram of container

3.2 主要技术要求

(1)内孔∅150.5 mm、两端∅160H8止口均为缠绕钢丝后尺寸；

(2)内孔表面粗糙度Ra0.4 μm，外圆表面粗糙度Ra1.6 μm；

(3)端面∅250H9×7.5+0.2×4.5-0.05密封槽为缠绕钢丝后的尺寸。

3.3 关键工序余量设置

芯筒外圆缠绕高强度(其抗拉强度达2140 MPa)预应力钢丝后，在超高预压应力作用下内孔发生弹塑性变形，孔径缩小，长度自由伸缩，端面倾斜，表现为中间小两端大的“喇叭”状。

施加缠绕预应力后精加工内孔，去除内孔表面材料打破了原有应力平衡，应力重新分布必然导致已加工的内孔尺寸精度及形位精度发生变化，这对加工精度的保持产生不利影响，加工余量越大，其影响也越大。因此，在满足加工需求的情况下，加工余量越小越好，这就需要计算缠绕钢丝后芯筒内孔的收缩量，确定最佳的孔加工余量。

在精加工芯筒内孔前，需获得芯筒内孔的精确变形量。为便于分析，将芯筒缠绕外圆分为五个截面，见图7。

图7 分段计算芯筒内孔变形收缩量Figure 7 Deformation and shrinkage of inner hole of the container calculated in sections

应用有限元分析法模拟芯筒受力状况，钢丝缠绕层简化成多层圆筒，最内层与筒体、各钢丝层间均设置合适过盈量来模拟筒体应力分布，如图8所示。经过计算分析，各截面应力分布和弹性收缩尺寸如表1所示。

图8 预应力芯筒应力分布及收缩量Figure 8 Stress distribution and shrinkage of prestressed container

参数截面I截面II截面III截面IV截面V收缩量∕mm0.580.650.720.660.56

由表1可知，缠绕钢丝后，芯筒内孔最小收缩量为0.56 mm，在余量设计时需按正常的工艺余量减去0.56 mm。

查阅工艺余量手册，结合生产现场实际，芯筒内孔分粗磨、半精磨、精磨三个阶段逐次加工，直径留余量1 mm。

根据计算结果，预紧后孔的最小收缩量为0.56 mm，为确保芯筒缠绕预紧后的加工余量要求，确定芯筒缠绕钢丝前内孔直径留余量0.45 mm。

3.4 加工方案

芯筒的加工分为三个阶段：粗加工阶段、组装前加工和组装后加工。

(1)粗加工阶段

粗加工阶段是指调质前的加工。按毛坯最大尺寸见光各外圆、端面及总长两面，尺寸大于粗加工取样图尺寸，光达Ra3.2 μm。超声检测(UT)合格后采用深孔机床加工中心通孔，卧式车床加工外圆、法兰及端面符粗加工取样图(见图9)，加工合格后转热处理车间调质。

图9 芯筒粗加工取样图Figure 9 Sampling diagram of rough machining of container

由于材料具有硬度高、抗拉强度高等性能，加工非常困难，主要表现在切削力大、切削温度高、加工硬化倾向严重、刀具磨损快、断屑困难、切削变形大等方面，需要合理选择刀具和切削参数。

粗车时选用抗冲击性能、断屑性能较好的涂层硬质合金刀具，切削深度ap=1～2 mm，进给量f=0.15～0.4 mm/r，切削速度vc=2.5～3 m/s。

深孔加工时选用硬质合金刀具，每齿切削深度ap=0.15～0.4 mm，切削液流量Q=450～600 L/min。

(2)组装前加工

材料性能及超声检测(UT)合格后，进行组装前的加工。加工的部位、工艺顺序及余量分配，对后续加工的工艺方法、产品质量、加工效率有很大的影响。

综合考虑零件的结构、材料性能、工艺方法、设备资源等因素，设计思路如下：

1)采用深孔机床加工中心∅150.5 mm孔，直径留余量0.45 mm(缠绕钢丝后内径收缩0.56 mm)。

2)以内孔为基准，采用数控卧车加工总长左侧端面，留余量1 mm，密封环槽暂不加工；加工外圆、法兰、环槽及其余端面符图纸要求。

3)数控龙门铣加工法兰外圆上的槽符图纸要求。

3.5 组合加工

组合加工是指按图3组装缠绕钢丝后，形成一个整体组件精加工芯筒内孔。

(1)加工方法分析

按工艺要求加工完芯筒、端盖、挡板、挡圈、剖分键等零件，按图3装配后缠绕钢丝，最后装配连接套，组成一个装配组件后精加工芯筒内孔。

组装为一个组件后，总长1645 mm，最大外径∅850 mm，重7.3 t，所加工的孔径为∅150.5 mm，表面粗糙度达镜面Ra0.4 μm，长径比达10.9，属于深孔高精度加工。

针对该类孔的加工，其主要加工方法有三种：

方法一：车削加工

采用数控卧车两次装卡掉头加工内孔，珩磨头珩磨或滚压装置滚压内孔降低表面粗糙度达Ra0.4 μm。

该方法存在的主要问题在于组合件之间存在一定的间隙，加工过程中易产生相对位移；刀杆悬伸过长，刚性差，加工过程中易产生震颤、波纹，表面粗糙度差，成中间小两端大的“腰鼓状”；掉头加工找正困难，且加工过程中刀具磨损严重，易产生接刀台；珩磨仅能降低孔的表面粗糙度，不能改善其形位精度。

方法二：镗削加工

数控镗床两次装卡掉头加工内孔，采用珩磨头珩磨或滚压装置滚压内孔降低表面粗糙度达Ra0.4 μm。

该方法存在的主要问题在于镗刀杆悬伸较长，刚性较差，挠度大，加工过程中易产生振纹、孔径增大成腰鼓形；掉头加工找正困难，加工过程中刀具磨损，中部形成接刀台无法消除；珩磨或滚压工艺仅能降低孔的表面粗糙度，不能改善其形位精度。

方法三：磨削加工

深孔机床一次装卡，工件固定在机床V型支撑座上，以内孔为基准找正，对称点零对零，采用深孔磨削装置磨削内孔。

该方法的优点在于一次装卡实现内孔的磨削精加工，不会产生接刀台，易于保证孔的尺寸精度、直线度、圆柱度和表面粗糙度，且加工效率较高。

(2)方案比较

从工件的装卡方式、装卡次数、找正误差、刀具系统刚性、精度控制、表面质量、加工效率等方面分析工艺方法的合理性、经济性，见表2。

由表2可知，采用磨削加工工艺方法更科学合理，优于车削、镗削加工方法，易于控制芯筒的加工质量，生产效率更高，因此选择磨削加工方法加工芯筒内孔，确保加工质量。

表2 加工工艺方法对比Table 2 Comparison of machining processes

(3)加工精度控制

工件材料去除预应力再分布、工件装卡及找正、磨削方法及参数等因素对零件的加工精度有较大的影响，需要从以下两个方面进行控制：

1)选择粒度较细的砂轮及研磨剂进行珩磨光整加工，精磨阶段磨削深度0.005 mm以内，保证内孔的表面粗糙度达到镜面。

2)工件固定在V型架上，以内孔为基准对称找正，允差≤0.03 mm，磨头固定在钻杆上，钻杆的直线运动和旋转运动实现磨削加工，控制芯筒内孔的直线度<0.03 mm，圆柱度<0.03 mm。

4 加工实施

加工设备选用中小型深孔机床，V型架固定在机床导轨上，工件顺放在V型架上固定，以工件内孔为基准，按米字形对称找正，对称点的允许误差≤0.03 mm，加工方法如下：

(1)选用粒度80#～120#的砂轮粗磨内孔，直径留余量0.2 mm，工作吃刀量ae=0.02～0.05 mm。

(3)根据工件材料和表面质量，选用磨料为立方氮化硼(CBN)、粒度W20～W40、硬度偏软、自锐性较好的珩磨砂轮或油石进行珩磨光整加工，达到镜面Ra0.4 μm。

(4)珩磨工艺参数选择：切削速度vc=15～28 m/s，往复速度va=10～25 m/min，珩磨时的工作压力为0.3～0.6 MPa。

加工后的检测数据见表3，检测数据表明，芯筒内孔各项加工精度指标均达到设计要求。

表3 芯筒内孔检验数据Table 3 Inspection data of inner hole of container

5 结束语

加工工艺路线的选择、合理的工艺方法、工序间余量设计对挤压筒的加工质量有很大的影响。采用科学合理的技术路线，挤压芯筒的内孔、端面及密封槽预留加工余量，其余部位加工符图纸要求，组装缠绕钢丝后，采用深孔机床磨削内孔，镗床加工端面及密封槽的加工方法，保证了芯筒低表面粗糙度深孔的高效高品质加工，达到镜面Ra0.4 μm，直线度0.03 mm，圆柱度0.04 mm。与车削、镗削加工相比，没有振纹、接刀台等影响表面质量的加工缺陷，生产效率提高约30%～40%。