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摘要：介紹將柳鋼棒材生產線倍尺飛剪曲軸結構形式由整體式改為分體式的實踐及其效果。

關鍵詞：棒材生產線；倍尺飛剪；曲軸；分體式

1問題的提出

棒材倍尺飛剪位于18號機列與冷床之間，主要負責連軋線材產品倍尺分段剪切，該設備制作、使用精度要求較高，是生產線的關鍵設備，一旦故障，需整線停機進行搶修。柳鋼一二三棒材生產線倍尺飛剪多次發生整體式曲軸斷裂故障，斷裂處主要發生在曲柄處和曲柄與軸連接處（見圖1a），每次故障即使是采用最節約時間整體更換方法處理，也要停機8h左右。而整體式曲軸又有制作周期長、費用高等特點，從生產穩定性、備件采購、成本消耗等方面考慮都有改造的必要。為此，棒線型材廠組織實施改造，本文進行總結。

2分析與改進

2.1原因分析隨著棒材生產產品性能不斷升級，倍尺飛剪負荷已達極限，在飛剪相對薄弱的部位易出現故障。根據飛剪的結構和使用情況，曲軸是受力最大的部位，同時也是發生問題最頻繁的部位，為減少投資節約成本，對原設備曲軸結構形式進行改造，使其制作簡易、周期縮短、減少故障滿足生產需求。

2.2優化方案原整體式的曲軸，其制作難點有：（1）制作一根整體式曲軸需要用到長1100mm×250mm×460mm的鍛件，這種大型的鍛件采購困難、價格昂貴；（2）由于曲軸是偏心的，加工困難，加工周期長。將整體式曲軸改造為分體式裝配形式的曲軸（見圖1b），坯料材料易采購且價格便宜，節約了備件的采購周期及成本；分體式曲軸是通過曲柄和軸兩個部件裝配而成，只需要對兩個部件分別加工，不存在偏心問題，加工簡便，縮短了加工周期。因此，曲軸的制作周期由原來至少3個月降低至1個月。

2.3設計與實施2.3.1設計分體式曲軸采用42CrMo圓鋼和鍛件制作，由曲柄和軸裝配而成。將軸與曲柄配合部分尺寸改為Φ160mm，其它部位按照原設計尺寸制作。曲柄需要與軸裝配，按原尺寸孔壁太薄，裝配會導致孔壁脹裂，因此需要加寬曲柄；按原尺寸，曲柄與軸裝配接觸面太少，承載能力不足，需要加厚曲柄，增加曲柄與軸的結合面。曲柄寬度由原設計的230mm增加至290mm，厚度由原設計的85mm增加至105mm。原設計曲柄刀頭采用稀油潤滑，軸和曲柄中布有油孔，這些稀油孔降低了曲軸的強度，改造成分體式后，稀油潤滑改為干油潤滑，取消了軸和曲柄中的油孔，增加了曲軸的強度，曲柄上易斷裂區域得到解決。曲柄加大以后，曲軸的轉動慣量變大，飛剪的剪切力相應增加，提高了飛剪的承載能力。由于倍尺飛剪裝配要求精度高，所以采用雙鍵定位，鍵與鍵槽的配合要求過盈配合，過盈量：0.03～0.05mm；軸與曲柄孔亦采用過盈配合。過盈量：0.12～0.15mm。2.3.2校核軋制規格大小不同，剪切形式不同，分為曲柄剪和回轉剪，需對兩種剪切方式進行校核。（1）使用曲柄剪的受力分析。使用曲柄剪剪切最大的軋件直徑為Φ42mm，使用曲柄剪時，刀片近似垂直于軋件，曲軸在剪切時沒有受到軸向力，所以曲軸受到的力即為剪切Φ42mm軋件時的力，剪切Φ42mm軋件所需要的力按式（1）計算：F=K1•K2•（1+σ5）•σb•S（1）［1，2］，其中S為斷面面積，mm2；σb為屈服強度，MPa；σ5為伸長率，%；K1為影響剪切力的系數；K2為抗剪與抗拉強度的比例系數；T為剪切溫度，℃。經計算，剪切Φ42mm軋件所需要的力F曲為110673N。根據曲柄剪的受力分析，曲軸的受力方向垂直于軋件，且主要集中在軸與曲柄結合處的位置，該處軸徑為Φ160mm，抗剪能力F抗=13082000N，遠遠大于軋件的抗剪切力，因此曲軸能夠滿足剪切Φ42mm軋件的要求。（42CrMo的屈服強度為930MPa［3］）（2）使用回轉剪的受力分析。使用回轉剪剪切軋件的最大直徑為Φ28mm，使用回轉剪時，曲軸的受力主要來自軋件的剪切抗力，剪切抗力主要來源于剪刃切入軋件時受到的阻力，受力分析如圖3。由式1計算，剪切Φ28mm軋件時的剪切力F回為30955N，刀片刃口到曲柄孔中心的距離為L=0.456m，所以曲軸所受力矩T為14115N•m。為保證分體式曲軸能承受力矩T，需要曲柄和軸配合的最小過盈量為：δemin=Pfmindf(Ca/Ea+Ci/Ei)（2），傳遞載荷所需最小結合壓力為：Pfmin=[Fx2+(2T/df)2]1/2/(π•df•Lf•f)（3），其中di、da被包容件內徑和包容件外徑；Ea、μa為包容件材料的彈性模量和泊松比；Ei、μi為被包容件材料的彈性模量和泊松比；Fx、Tx為聯接承受的軸向力和力矩；Lf、df———結合長度和結合直徑；f為摩擦系數。裝配形式曲軸曲柄和軸的材質都為42CrMo，根據式2、3計算，曲柄和軸配合的最小過盈量為：Pfmin=29MPa，δemin=0.09mm。過盈配合，還應保證包容件與被包容件不發生塑性變形。包容件與被包容件不發生塑性變形的最大結合壓力見式4、5：Pfamax=σb（1-qa2）/（3+qa2）1/2（4），Pfimax=σb（1-qi2）/2（5）。因被包容件為實心軸，所以只考慮包容件曲柄是否會發生變形。因此，可以得到包容件不發生塑性變形的最大有效過盈量見式4：δe－max=Pfmaxdf(Ca/Ea+Ci/Ei)（6）。根據式4、6可以得到δemax=0.61mm［4］。通過校驗，曲柄和軸配合的過盈量為0.12～0.15mm時，曲柄不會發生塑性變形，曲軸可以承載剪切最大規格Φ28mm的軋件。2.3.3裝配軸和曲柄的裝配考慮2個方案：方案1：熱裝，加熱曲柄，通過熱脹達到間隙配合；方案2：冷卻軸，通過冷縮達到間隙配合。第一次裝配時采用方案1加熱曲柄裝配，由于曲柄外形尺寸不規則，裝配完成后，曲柄散熱不均勻，導致出現裂紋，所以方案1不可行。方案2冷卻軸，軸是規則的，所以不存在散熱不均勻的現象，所以方案2更優，選擇方案2。（1）冷凍溫度的確定：T=T0－（σ+b）/（a•d）（7），式中：T0為室溫，28℃；σ為最大過盈量，取曲柄與軸的最大過盈量0.15mm；b為冷凍時需要的間隙，一般取配合直徑的0.05%～0.10%；d為被包容件外徑，160mm；a為零件線膨脹系數，42CrMo線膨脹系數為11.2×10-6℃-1。經計算，T=-173℃。因此選用液氮作為冷卻劑，液氮溫度為-196℃。（2）冷卻時間的確定：h=k•δ+(6～8)min（8），式中：k為同材料有關的綜合系數；δ為被冷凍件的特征尺寸，即零件的最大斷面半徑或壁厚尺寸，mm。經計算，h=104min，即軸需要在液氮中冷卻104分鐘后才能進行裝配。

3結語

分體式曲軸已經完成設計制作，目前已投入使用，解決了整體式曲軸備件緊缺導致可能停產的問題。改造以后，曲軸的制作周期縮短，解決了備件緊缺的難題；曲軸制作設備要求降低，采購曲軸的成本隨之降低；曲軸承載能力的提高，使用壽命也得到了提高，解決曲軸備件的難題，提高了作業率。

參考文獻

1連家創.平行刃剪切機剪切力的計算及實驗研究.重型機械，1973年，Z1：65～73

2趙海花.400MPa和500MPa級鋼筋高溫下力學性能的試驗研究：［學位論文］.青島：青島理工大學，2008

3成大先.機械設計手冊第三篇.北京：化學工業出版社，2010.284俞漢清.過盈配合的計算和選擇.電工技術雜志，1987，04：28～33

作者：龔展斌 張志鵬 單位：棒線型材廠