劉文寬,嚴(yán)睿晟, 田海弘,李長(zhǎng)辛
(浙江大豐實(shí)業(yè)股份有限公司,浙江 寧波 315400)
卷筒組件被廣泛用于舞臺(tái)機(jī)械的提升機(jī)構(gòu)當(dāng)中,例如主舞臺(tái)、防火幕、吊桿組件(燈光、音響)、假景布局的升降等等,我公司應(yīng)用樣式基型如圖1 所示,按年生產(chǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì),各類卷筒組件2000 件以上,批量生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定且與人身安全密切相關(guān)的成型產(chǎn)品,其設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)是比較慎重的。
圖1 卷筒組件基型
我公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的卷筒組件經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,按電動(dòng)機(jī)軸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)類型劃分卷筒組件,可分為機(jī)械固定式、焊接式、澆鑄式3 種形態(tài)[1],如圖2~圖4所示。
圖2 機(jī)械固定式
圖3 焊接式
圖4 澆鑄式
1)電動(dòng)機(jī)軸機(jī)械固定式。法蘭1、法蘭2、軸套、卷筒相互焊接,電動(dòng)機(jī)軸通過(guò)鍵與軸套聯(lián)接,并由螺栓和壓板將其固定在法蘭2 上。
2)電動(dòng)機(jī)軸焊接式。法蘭1、法蘭2、卷筒及電動(dòng)機(jī)軸相互焊接。
3)電動(dòng)機(jī)軸澆鑄式。半成品的電動(dòng)機(jī)軸放置于待澆鑄法蘭的砂型之中,澆鑄法蘭時(shí)通過(guò)軸上的槽形成一個(gè)類似鍵的聯(lián)接與其形成一體,法蘭再與卷筒進(jìn)行焊接。
3 種聯(lián)接結(jié)構(gòu)的卷筒組件工藝流程在生產(chǎn)制造方面各有優(yōu)劣,適用于不同條件,以2020 年度中央電視臺(tái)春節(jié)晚會(huì)舞臺(tái)某部位應(yīng)用的一種電動(dòng)機(jī)軸機(jī)械固定式卷筒組件為案例零件,對(duì)其3 種電動(dòng)機(jī)軸聯(lián)接形式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)工藝分析。卷筒組件的基本數(shù)據(jù)如圖5 所示,其中卷筒及法蘭的材質(zhì)均為Q235B,電動(dòng)機(jī)軸材質(zhì)為40Cr,調(diào)質(zhì)230~260 HB。
圖5 卷筒組件
生產(chǎn)工藝流程從零件焊接工序完成,去應(yīng)力退火后開始描述,如圖6 所示,此時(shí)的工藝路線有兩種方案[2]:1)現(xiàn)行狀態(tài)下與電動(dòng)機(jī)軸組合,進(jìn)行整體精加工;2)焊接后的卷筒與電動(dòng)機(jī)軸分別精加工,裝配組合。
圖6 卷筒組件焊后
觀察圖5 零件的各項(xiàng)精度要求,基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B 的同軸度為0.02 mm,與繩槽部位同軸度為0.10 mm,第二種工藝方案的優(yōu)點(diǎn)在于零件維修更換時(shí)較為方便,并且對(duì)設(shè)備加工能力的要求相對(duì)降低,但實(shí)際上更換電動(dòng)機(jī)軸的維修頻率很低,在設(shè)備加工能力滿足的情況下,盡可能減少累計(jì)誤差,所以我們選擇第一種工藝方案[3],加工工序如表1 所示。
表1 卷筒組件焊接去應(yīng)力后加工工序
對(duì)于某些卷筒直徑與電動(dòng)機(jī)軸直徑比值過(guò)大的卷筒組件,可能需要專用的設(shè)備才能加工,也可考慮增加工藝卡頭,便于一次裝卡精加工兩端軸部各尺寸和卷筒繩槽加工的基準(zhǔn),以保證各部位的同軸度,工藝路線的難點(diǎn)為批量生產(chǎn)情況下,電動(dòng)機(jī)軸與焊后卷筒的配合,需要有嚴(yán)密可控的質(zhì)量管理措施。
圖7 電機(jī)軸焊接式
圖5 右端電動(dòng)機(jī)軸部分更換為圖7 樣式,法蘭1、法蘭2、電動(dòng)機(jī)軸三者之間先行焊接后調(diào)質(zhì)處理,再整體與卷筒焊接后退火去應(yīng)力,進(jìn)行后續(xù)半精、精加工,表1工序流程中前兩序?qū)?huì)省略。
電動(dòng)機(jī)軸的材料為40Cr 且調(diào)質(zhì)處理[4],其焊接工藝掌握不好很容易開裂,焊后的淬火組織是硬脆的高碳馬氏體,不僅冷裂紋敏感性大,而且焊后若不及時(shí)熱處理,熱影響區(qū)性能達(dá)不到原來(lái)基體金屬的性能,最好是在退火(或正火)狀態(tài)下焊接,且焊前需預(yù)熱250~300 ℃,所以如采用焊接式的結(jié)構(gòu),電動(dòng)機(jī)軸應(yīng)當(dāng)在正火狀態(tài)下與法蘭焊接[5],并及時(shí)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,如不能及時(shí)調(diào)質(zhì)可進(jìn)行中間退火或高于預(yù)熱的溫度下保溫一段時(shí)間,以排除擴(kuò)散氫并軟化組織。
圖8 電機(jī)軸澆鑄式
圖5 右端電動(dòng)機(jī)軸部分更換為圖8 樣式,電機(jī)軸調(diào)質(zhì)后,并在和法蘭配合部位開槽后放置于待澆鑄法蘭的砂型之中,澆鑄時(shí)鋼水(Q235B)的溫度為1650~1680 ℃[6],40Cr 固/液相線溫度為1420/1520℃,雖然鋼水的溫度要高于40Cr 的液相線溫度,但由于材料熱導(dǎo)率、比熱容等特性因素,其界面溫度會(huì)低于鋼水的溫度,且受鋼水?dāng)?shù)量(含熱量)的影響,所以置入的軸不可能被熔化與其融合,以一維非穩(wěn)態(tài)傳熱微分方程推導(dǎo)出的界面溫度公式,計(jì)算多種假設(shè)條件下的界面溫度T0[7]:
表2 Q235B與40Cr物性參數(shù)
將室溫T10=20 ℃、澆鑄溫度T20=1680 ℃及表內(nèi)數(shù)據(jù)代入公式,可算出界面溫度T0=896.73 ℃,遠(yuǎn)未達(dá)到40Cr鋼的液相線數(shù)值,雖然應(yīng)用此公式需存在多種假設(shè),但作為本案例零件的研討參考已經(jīng)足夠,其切斷面如圖9 所示。零件實(shí)際澆鑄結(jié)果也顯示出軸和法蘭有明顯的邊界,因此需在軸上開槽,讓流動(dòng)的鋼水凝固在槽內(nèi),形成一個(gè)類似鍵的聯(lián)接,澆鑄的法蘭成型后與卷筒進(jìn)行焊接及后續(xù)加工,這種澆鑄結(jié)構(gòu)可減少工廠內(nèi)部的生產(chǎn)工序,特別適合同規(guī)格大批量的生產(chǎn),但材料的成本略有增加,采用此聯(lián)接方式還應(yīng)當(dāng)根據(jù)零件的設(shè)計(jì)及使用條件,合理考慮澆鑄溫度對(duì)零件軸力學(xué)性能的影響程度,做出相應(yīng)熱處理工序調(diào)整,按此方式生產(chǎn)案例零件,表1 工序流程中前兩序?qū)?huì)省略。
圖9 切斷面
綜合上述內(nèi)容,3 種電動(dòng)機(jī)軸聯(lián)接結(jié)構(gòu)的卷筒組件,從電動(dòng)機(jī)軸、法蘭等部分零件生產(chǎn)初始至與卷筒組合為止,不同之處的部分內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比,其中凈重為含有電動(dòng)機(jī)軸組合的零件,如表3 所示。從以上電動(dòng)機(jī)軸3 種聯(lián)接結(jié)構(gòu)的卷筒組件生產(chǎn)工藝對(duì)比可以得出,如生產(chǎn)同規(guī)格批量的卷筒組件,電動(dòng)機(jī)軸澆鑄式結(jié)構(gòu)的卷筒組件,生產(chǎn)效率最高;電動(dòng)機(jī)軸焊接式結(jié)構(gòu)的卷筒組件,生產(chǎn)成本相對(duì)低廉,適用于不同規(guī)格的產(chǎn)品且生產(chǎn)方式簡(jiǎn)單,但需要有較強(qiáng)的焊接和及時(shí)熱處理的能力;電動(dòng)機(jī)軸機(jī)械固定式結(jié)構(gòu)的卷筒組件適用于機(jī)加工能力較強(qiáng),且生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量可控的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。
表3 3種聯(lián)接結(jié)構(gòu)部分內(nèi)容對(duì)比