鄭 剛 李志廣 崔隨現(xiàn)

(1.海軍裝備部，山西037036；2.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西037036；3.裝甲兵駐山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司軍事代表室，山西037036)

機(jī)械傳動(dòng)中有諸多大型傳動(dòng)飛輪、齒輪和鏈輪等圓環(huán)類件，因局部易失效損壞而導(dǎo)致零件的整體使用壽命低，僅僅依靠提高毛坯質(zhì)量是不能完全解決這個(gè)難題的。理論研究與實(shí)踐表明，采用過盈配合連接方法可有效提高大型圓環(huán)類件的使用壽命、可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性[1～5]。

1 熱壓過盈裝配連接方法

1.1 熱壓過盈裝配連接方法的優(yōu)點(diǎn)

熱壓過盈裝配連接方法是將大型圓環(huán)類件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，利用熱脹冷縮的原理將外層材料套在內(nèi)層材料的外徑上，待冷卻到一定的程度后將內(nèi)層材料壓緊，使外層材料與內(nèi)層材料過盈配合連接成為一體結(jié)構(gòu)。熱壓過盈裝配連接方法有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)使大型環(huán)形件內(nèi)孔徑處的切向拉應(yīng)力大幅度減小，甚至減少至零，提高大型環(huán)形件的整體的使用壽命、可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

(2)根據(jù)不同的使用性能要求,熱壓過盈裝配連接結(jié)構(gòu)可選用不同價(jià)格和不同力學(xué)性能的材料，這樣可有效提高零件整體使用壽命并降低零件成本。

(3)熱壓過盈裝配連接的內(nèi)層材料尺寸較小，機(jī)加工和熱處理較容易，可輕松滿足技術(shù)要求。

1.2 組合式結(jié)構(gòu)形式

熱壓過盈裝配連接的組合式結(jié)構(gòu)形式具有多樣化，既可以是兩層材料的有機(jī)組合，也可以是三層材料的有機(jī)組合；既可以是鑄件與鍛件、鍛件與鍛件的有機(jī)組合，也可以是力學(xué)性能相同、相近或相異鋼的相互組合。

1.3 零件最大承載能力

(1)零件整體式內(nèi)孔的最大承載能力，在d1/d2=1/4～1/10時(shí)，工作內(nèi)壓力不超出材料的許用應(yīng)力，整體式內(nèi)孔的工作內(nèi)壓力p1按下式計(jì)算：

式中p1——整體式內(nèi)孔的工作內(nèi)壓力(MPa)；

[σ1]——零件材料的許用應(yīng)力(MPa)；

d1——零件內(nèi)孔直徑(mm)；

d2——零件外圓直徑(mm)。

(2)當(dāng)零件內(nèi)層和外層材料相同時(shí)，根據(jù)施加的最大內(nèi)壓力正好使內(nèi)層和外層材料同時(shí)屈服為條件，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，作用在內(nèi)層內(nèi)孔壁的工作壓力p1按下式計(jì)算：

式中p1——作用在內(nèi)層內(nèi)孔壁的工作壓力(MPa)；

[σ1]——零件內(nèi)層材料的許用應(yīng)力(MPa)；

[σ2]——零件外層材料的許用應(yīng)力(MPa)。

當(dāng)零件內(nèi)層和外層材料不同時(shí)，根據(jù)內(nèi)層材料不出現(xiàn)拉應(yīng)力為條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，作用在內(nèi)層內(nèi)孔壁的最大壓力p1按下式計(jì)算：

式中p1——作用在內(nèi)層內(nèi)孔壁的最大壓力(MPa)；

[σ1]——零件內(nèi)層材料的許用應(yīng)力(MPa)；

d1——零件內(nèi)層內(nèi)孔直徑(mm)；

d2——零件內(nèi)層外圓直徑(mm)。

(3)零件三層組合式的最大承載能力，可根據(jù)內(nèi)、中和外層同時(shí)屈服為條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，作用在內(nèi)層內(nèi)孔壁的最大壓力p1按下式計(jì)算：

式中p1——作用在內(nèi)層內(nèi)孔壁的最大壓力(MPa)；

[σ1]——零件內(nèi)層材料的許用應(yīng)力(MPa)；

[σ2]——零件中層材料的許用應(yīng)力(MPa)；

[σ3]——零件外層材料的許用應(yīng)力(MPa)。

1.4 零件外層材料的加熱溫度

熱壓過盈裝配外層的加熱溫度T按下式計(jì)算：

式中T——裝配時(shí)外層材料的加熱溫度(℃)；

T1——裝配時(shí)內(nèi)層材料的加熱溫度(℃)；

d——裝配處內(nèi)層材料的外徑(mm)；

α——裝配外層材料的線膨脹系數(shù)(℃-1)；

δ——裝配壓合處的徑向過盈量(mm)；

Δ——裝配前在內(nèi)層材料外徑d處的間隙(mm)。

2 熱壓過盈裝配連接方法的應(yīng)用實(shí)例

某礦用大型傳動(dòng)飛輪(圖1)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為一體鑄造結(jié)構(gòu)，該鑄鋼件中間部分的鍵槽部位極易失效損壞，使用壽命低。分析傳動(dòng)飛輪鑄件的重要程度、工作條件、失效型式、結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度性能發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)飛輪內(nèi)孔部分主要是工作在彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切和沖擊振動(dòng)條件下，失效形式以斷裂和變形損壞為多，內(nèi)孔鍵槽部位的使用壽命決定了傳動(dòng)飛輪零件的整體使用壽命。因此，傳動(dòng)飛輪內(nèi)孔部分的使用可靠性極為關(guān)鍵，而傳動(dòng)飛輪其它部分為不易損壞的次要部分[6～8]。

圖1 傳動(dòng)飛輪簡(jiǎn)圖Figure 1 Sketch of driving fly wheel

為此，我們決定采用鍛件制作傳動(dòng)飛輪的內(nèi)孔部分，然后用熱壓過盈裝配方法與飛輪外部連接組合。將傳動(dòng)飛輪在電爐中加熱，然后將機(jī)加和熱處理后的內(nèi)層鍛件置于傳動(dòng)飛輪的內(nèi)孔中進(jìn)行熱壓，冷卻到一定溫度后，將內(nèi)層鍛件壓緊，使傳動(dòng)飛輪鑄件與內(nèi)層鍛件過盈配合連接成為一體結(jié)構(gòu)。采用熱壓過盈裝配方法可提高傳動(dòng)飛輪使用壽命4倍以上，達(dá)到了傳動(dòng)飛輪使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)統(tǒng)一。

熱壓過盈裝配連接的組合式結(jié)構(gòu)選材時(shí)，將易損部分選用價(jià)格相對(duì)較高和力學(xué)性能較高的合金鋼鍛件，非易損部分仍然選用價(jià)格相對(duì)較低和力學(xué)性能較低的鑄鋼件。原傳動(dòng)飛輪材料為ZG45。傳動(dòng)飛輪熱壓裝配后，傳動(dòng)飛輪鑄件部分材料仍為ZG45，內(nèi)層鍛件部分材料為40Cr鋼或42CrMo鋼。

實(shí)際熱壓裝配中，怎樣對(duì)傳動(dòng)飛輪鑄件和內(nèi)層鍛件進(jìn)行機(jī)械加工，一般按以下兩種方式處理：一種是熱壓裝配前機(jī)加工傳動(dòng)飛輪鑄件與內(nèi)層鍛件，熱壓裝配后即可直接使用；另一種是熱壓裝配前只加工傳動(dòng)飛輪鑄件內(nèi)孔和內(nèi)層鍛件外徑，熱壓裝配后再進(jìn)行整體機(jī)加工。

實(shí)際熱壓裝配中，傳動(dòng)飛輪鑄件與內(nèi)層鍛件的熱處理，也可按以下兩種方式處理：一種是熱壓裝配前對(duì)傳動(dòng)飛輪鑄件與內(nèi)層鍛件都不進(jìn)行熱處理，熱壓裝配后以內(nèi)層鍛件為基準(zhǔn)進(jìn)行整體熱處理；另一種是熱壓裝配前對(duì)傳動(dòng)飛輪鑄件不進(jìn)行

熱處理(熱壓裝配時(shí)正火熱處理)，只對(duì)內(nèi)層鍛件進(jìn)行熱處理，熱壓裝配后即可使用。

3 結(jié)束語

大型圓環(huán)類件因局部易失效損壞而導(dǎo)致零件使用壽命低，采用熱壓過盈裝配連接方法可提高大型環(huán)類件的使用壽命、可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

熱壓過盈裝配連接的組合結(jié)構(gòu)形式多樣，既可以是兩層、三層材料的有機(jī)組合，也可以是鑄件與鍛件、鍛件與鍛件的有機(jī)組合。

本文是以大型圓環(huán)類件熱壓過盈裝配連接為研究對(duì)象的，對(duì)其它類似的機(jī)械傳動(dòng)和各類模具等中小型圓環(huán)類件同樣具有一定的參考價(jià)值。

[1]洪深澤.冷擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[2]王孝培.沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)(第7版)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5]緊固件連接設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).緊固件連接設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1990.

[6]謝錫純，李曉豁.礦山機(jī)械與設(shè)備[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[7]張志文.鍛造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1984.

[8]鑄鋼手冊(cè)編寫組.鑄鋼手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.