三段式铸造桥壳热压装曲线的应用研究

刘胜勇

热压装机理分析：桥壳热压装是由压装机的感应加热装置（图2）将桥壳中段A1、B1、C1一起加热55±5S并保温25±5S，使其温度tA1≤330℃、tB1≤280℃、tC1≤200℃（现场跟踪测量），随后压装机的左、右两端压头同时伸出，将轴头快速压入A1、B1、C1内孔中，并保压10±5S，最终使A2、B2、C2段与A1、B1、C1孔分别实现对应的装配连接。

当已知铸铁线膨胀系数α（加热）、过盈配合直径df、环温t和A1、B1、C1加热后的温度tn时，根据过盈热装配法加热公式e0t=αdf（tn－t）可计算得出热膨胀量e0tA1、e0tB1和e0tC1，并与加热前A1与A2、B1与B2、C1与C2配合过盈量△1A1、△1B1、△1C1进行比较，可知，tA1约为350℃时，A1与A2、B1与B2的装配连接为间隙配合，装配时无接触应力；C1与C2的装配连接为过盈配合，装配时要克服弹性变形及塑性变形引起的配合面的正压力，需提供一定的压装力F使桥壳热压装符合要求。

压装力推算：C1与C2装配时压装力计算式为：---（1）式中，μ为滑动摩擦因数；△`1C1=△1C1max－e0tC1max；Ea、Ei分别为桥壳中段和轴头的弹性模量；Ca、Ci为正压力系数，γa、γi为泊松系数。由式（1）可知，C1与C2装配过程中压装力F仅与装配面长度Lf(≤37+0.8-0.8)和被加热后桥壳中段C1的外径da有关，且C1与C2装配时无润滑油的最大压装力F1max=183.1kN、有润滑油的最大压装力F2max=101.7kN。轴头受压强度计算：桥壳过盈热压装时，需做到压入后图1中Ⅰ处剩余间隙△L=0，为此压装工进完毕后，压装机须立即提供一个由轴头最薄弱环节（图1中G处台阶）强度决定的且大于C1与C2装配实际压装力F的保压力F0。轴头受压强度条件为：------（2）由式（2）得最薄弱环节可承受的最大压力为：---（3）式中，σs为屈服极限；ns=1.2～2.5为安全系数。由式（3）可计算出，所以。当C1与C2无润滑油装配时，183.1kN<F0<264.98kN；有润滑油装配时，01.72kN<F0<264.98kN。理想状态热压装曲线推测：根据上述热压装过程的分析和最大压装力F1max、F2max及保压力F0的计算，微机控制记录系统生成的理想状态下的热压装曲线一般包含如图3所示的几个阶段。图3中：t0段：曲线记录开始前，压头推动轴头走过长约20mm的空行程；t1段：轴头C2段进入桥壳中段内腔，至B2、A2段与孔B1、A1配合前，长约239±0.8mm；t2段：轴头B2、A2段与桥壳中段孔B1、A1配合开始，至C2段与孔C1过盈配合前，此时B2与B1、A2与A1的装配未完全结束，长约262±0.8mm；t3段：轴头C2段与桥壳中段孔C1过盈配合开始，至B2与B1、A2与A1、C2与C1装配结束，长约299±0.8mm；t4段：热压装复合阶段，包含轴头及桥壳中段的变化，压装力F上升即刻进入保压阶段(AB段反映床身变形)；t5段：保压10s (BC段)，使轴头及桥壳中段的对应端面密贴，达到图1中Ⅰ处间隙△L=0。热压装工进开始后，每移动0.1mm记录1个对应的压力值，将这些点连起来便形成1条曲线，从而反映轴头在压入桥壳中段内腔过程中每一位置的压力变化。从下拐点A到上拐点B间，虽然横坐标还是位移量，但此刻轴头与桥壳中段压装已紧贴，其移动量反映的是床身变形。从上拐点B向右至点C，时间轴开始记录保压时间，它反映了时间与压力的关系（保压10s），此时完成整个热压装过程的曲线记录。微机控制记录系统模型

为使压装机能够自动生成并打印桥壳热压装曲线，实时跟踪热压装全过程，对原压装机进行了改进，改进后的桥壳压装机结构及工作原理如图4和图5所示。压装机的计算机控制系统框图见图6，包括工控机、数据采集卡、打印机、键盘、鼠标等。检测系统包括压装缸位移传感器（拉线式）和压力传感器，可全程自动记录并存储压装数据，并能根据工艺要求自动判定压装是否合格。压力传感器安装在主压装缸上，测量压装缸的压力；位移传感器安装在压装缸侧面，拉线固定在活塞侧面，测量压装缸的位移。位移传感器可现场校准，通过计算机显示数值并与实际长度比较判断位移传感器的精度正确与否。基于windows操作系统的软件平台“桥壳热压装控制记录”可对传感器自标定修正，完成热压装曲线压力值的量化校准；还可进行桥壳类型、零件供应商的选择设定及配合部位尺寸录入，并对压力、位移、保压时间等工作参数进行判断。

热压装曲线不合格的可能原因分析

基于压装机理的分析、最大压装力和保压力的计算、理想状态热压装曲线的推测，结合机车车辆轮对压装和滚动轴承压装的经验，桥壳热压装时由于受轴头（A2、B2、C2段）和桥壳中段（A1、B1、C1）的加工质量（如粗糙度过高、同轴度、加工尺寸）也加热质量（如加热时间短、加热功率低、保温时间短、线圈加热部位不合适等）及压装机压力参数的适宜性（如工进速度快、保压力F0大、两端压装不同步等）等因素的影响，会出现双端热压装时压装不同步、轴头压装不到位（根据统计，按热压装后剩余间隙△L可分为△L≤8mm、8mm20mm等3种情况，见图7）、压装力过小或过大及保压力超差等问题；并通过微机记录系统自动生成的6种偏离理论热压装曲线的桥壳热压装不合格曲线（见图8）反映出热压装过程存在的问题，帮助技术人员制定有针对性的解决措施，以提高桥壳热压装的一次合格率。

图8a为两端压装不同步时的曲线，工进慢的一侧轴头压装不到位。可通过调节压装缸两端的调速阀来控制工进的快慢以达到同步。图8b为轴头压装不到位且△L≤8mm时的曲线，一般是因为C2与C1自配合压装至25mm左右时出现粘着磨损，随热压装的继续进行形成擦伤磨损而导致轴头压装不到位；另外，热传导效应使加热后的桥壳中段C1处降温收缩较快，也是轴头压装不到位的又一因素。为使加热后桥壳中段三级内孔热膨胀均匀，需在充分考虑生产节拍的前提下，严格控制加热功率、加热时间、保温时间及加热部位，即尽可能使线圈足够长以满足C1段的全部加热。图8c为轴头压装不到位且8mm<△L≤20mm时的曲线，一般是因为C2与C1自热压装配合开始至10mm左右时出现粘着磨损，随热压装继续进行形成擦伤磨损致使C1内表面金属脱落；热压装持续进行，擦伤磨损转为胶合磨损，最终导致轴头压装不到位。压装前，须保证轴头和桥壳中段压装配合部位的清洁，并使C2段润滑油涂抹均匀。图8d为轴头压装不到位且△L>20mm时的曲线，由于轴头前端导向斜角大、C1孔热膨胀不均匀及其内表面比轴头配合面软，故热压装配合一开始，就发生了粘着磨损，随热压装继续进行形成擦伤磨损致C1段内表面金属脱落，然后擦伤磨损转为胶合磨损，最终导致轴头压装不到位。热压装前，轴头前端（C2段）导向斜角可依据国内外机车车辆行业车轴轮座导向斜角的设置经验（RE2B型车轴、印度车轴、宽轨F型车轴、宽轨K型车轴和越南米轨车轴的轮座导向斜角分别为100-2×0.5、12×0.5、6×0.77、15×1.91和14×0.5，将倒角3×30°改为(5～10)×0.5且尖锐部位圆弧过渡。图8e为压入时压装机压头、轴头、桥壳中段三者配合面的中心线不同轴时的曲线，桥壳中段的中心轴线比压装机压头和轴头中心轴线低1~3mm，以致轴头压入时需自动找正并将桥壳中段托起，直至三者同一中心线为止，故压力波动较大。此找正过程易导致桥壳内表面出现严重的划痕、轴头压装不到位。可在图4所示的2个托架上增加调整垫片以抬高桥壳中段的中心轴线，使其与压装机压头和轴头配合面的中心线同轴。图8f为压装机提供过大的保压力时的曲线，保压力过大易导致轴头端部（靠近压头处）绝大多数被墩粗。可通过调节液压系统来减小保压力。