攪拌摩擦焊主軸銹蝕問題與處理方案探索

熊文炳，彭雁峰

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412001）

1 設(shè)備介紹

攪拌摩擦焊設(shè)備型號FSW-5DLM-010，由韓國賽福斯特廠家生產(chǎn)，2011 年投入使用，使用至今對主軸部件進(jìn)行過一次大修改造。該設(shè)備主要應(yīng)用于鋁及鋁合金材料的型材或者平板焊接，焊接鋁及鋁合金材料的焊接厚度范圍可以達(dá)到2.5～8 mm，公司應(yīng)用此設(shè)備焊接鋁合金車體的側(cè)墻工件，設(shè)備X 軸最大行程10 m，Y 軸最大行程2.5 m，側(cè)墻工件的最大焊縫長度約8000 mm，最大寬度2200 mm。攪拌摩擦焊設(shè)備主要由床身、立柱、橫梁、工作臺、橫滑板、垂滑板、主軸頭（包含主軸與主軸套筒）、電控系統(tǒng)、操作臺等部分組成。

2 主軸銹蝕現(xiàn)象

設(shè)備在焊接過程中，主軸因長時間連續(xù)保持較高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，溫度上升較快，同時由于工件與攪拌頭劇烈摩擦產(chǎn)生非常多的熱量，該部分熱量除了分散到周圍環(huán)境中，主要會通過專用刀柄傳遞到主軸，造成軸承溫度升高，為保證主軸長時間使用且故障率低，需要對主軸系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)冷卻。主軸循環(huán)冷卻系統(tǒng)因長期未使用，且未清空冷卻系統(tǒng)內(nèi)殘留的蒸餾水，造成冷卻回路中的金屬部分出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，尤其是主軸套筒的冷卻水道與Z 軸滑枕銹蝕現(xiàn)象最為嚴(yán)重，導(dǎo)致主軸套筒與Z 軸滑枕粘結(jié)在一起，現(xiàn)場無法將主軸連同主軸套筒拆卸下對主軸、主軸軸承、主軸套筒、齒輪等部分進(jìn)行檢修。

3 主軸結(jié)構(gòu)分析

主軸部件主要包括主軸及主軸電機(jī)、主軸旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置、激光跟蹤系統(tǒng)、渦輪裝置、攝像裝置等，主軸傳動系統(tǒng)通過采用主軸電機(jī)驅(qū)動同步帶，同步帶再帶動皮帶輪實(shí)現(xiàn)傳動（圖1）。主軸與攪拌頭聯(lián)接，是參與鋁合金側(cè)墻工件焊接的直接部件，并且承擔(dān)攪拌頭焊接時產(chǎn)生的力和扭矩。

圖1 主軸部件

主軸設(shè)置于主軸套筒的安裝通孔內(nèi)，主軸套筒固定在Z 軸滑枕上，機(jī)械主軸直徑為110 mm，在主軸電機(jī)的驅(qū)動下最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到3000 r/min，并且可以在100～3000 r/min 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級變速，額定功率為15 kW，軸頭形式為BT50。攪拌摩擦焊主軸前軸承與后軸承分別為5 套B7022 型FAG 角接觸球軸承、2 套B7018 型FAG 角接觸球軸承，軸承內(nèi)填潤滑脂。主軸套筒外側(cè)呈螺旋形與冷卻水管連接（圖2）。

圖2 主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 主軸拆卸

為將主軸拆卸下來，維修人員嘗試了清洗劑浸泡法（使用WD40 除銹劑對整個管道進(jìn)行浸泡）、拉拔法、螺桿頂出法以及千斤頂頂出法等多種方法均未能成功，若無其他有效方法，便只能進(jìn)行報廢性拆除，不僅大大增加維修成本，且配件加工周期較長，影響現(xiàn)場的生產(chǎn)進(jìn)度，造成不必要的產(chǎn)品委外加工費(fèi)用。

4.1 方案確定

根據(jù)主軸結(jié)構(gòu)圖紙與現(xiàn)場實(shí)物對比分析，發(fā)現(xiàn)主軸上下兩端與Z 軸滑枕接觸面都配置有O 形密封圈，主軸冷卻水道為上進(jìn)下出，再加上其特有的螺旋式結(jié)構(gòu)，考慮在將主軸、主軸套筒與Z 軸滑枕進(jìn)行密封之后可以形成良好的壓力區(qū)域，嘗試通過油壓法進(jìn)行拆卸。主軸與主軸套筒采用40Cr 鋼材鍛造而成，在經(jīng)過一定的熱處理工藝后，材料的屈服強(qiáng)度可以達(dá)到785 MPa以上，并且冷卻水道特有的螺旋式結(jié)構(gòu)使得油壓可以均勻分布整個管路中，不會造成應(yīng)力的過度集中，從理論上可以進(jìn)行實(shí)施。油壓法實(shí)質(zhì)上使將橫向與縱向聯(lián)結(jié)組合在了一起，在橫向上是通過壓力油來使孔徑擴(kuò)大以及使軸徑縮?。ㄖ鬏S套筒與Z 軸滑枕在配合處發(fā)生彈性變形），然后再通過施加軸向壓力來推動軸端或者主軸套筒。在此情況下增加了橫向配合面的間隙，用適當(dāng)?shù)墓ぞ邔⒂蛪喝脒B接面之間，并形成較高的壓力[1]。此時壓力油使主軸與Z 軸滑枕之間形成油膜，在軸向力的作用下主軸會沿軸向進(jìn)行移動，兩個相配合連接的部件發(fā)生分離，主軸相對Z軸滑枕發(fā)生相對移動只需克服較小的阻力即可，最終可將主軸拆卸下來。

4.2 專用加壓工具制作

根據(jù)主軸冷卻水道接口的螺紋尺寸，配置轉(zhuǎn)接頭2 個、304不銹鋼球閥1 個、分體式液壓千斤頂（10 t）1 件、壓力表（量程1.6 MPa）1 只，將這些工具組裝成可以單向加壓保壓的專用工具，并且可根據(jù)壓力表直觀地顯示壓力值，以此控制系統(tǒng)壓力大小，防止壓力過高對主軸造成不必要的損傷。

4.3 拆卸實(shí)施

先拆除主軸上端的防護(hù)罩，再拆除端面的6 顆緊固螺栓，隨后拆除頂部與主軸電機(jī)相連接的傳送皮帶，此時主軸已完全松開。主軸下方需放置好液壓升降小車（最大載荷500 kg）做好支撐，同時在升降小車與主軸中間墊好聚氨酯緩沖塊，避免因主軸下墜至地面造成主軸端面損傷。將專用工具接入主軸冷卻水道的下接口后，開啟球閥，開始對冷卻水道注油，此時必須注意一邊注油，另一邊同時往千斤頂油箱里加油保證系統(tǒng)內(nèi)油液充足，直到上接口開始往外冒油后，將上接口用液壓堵頭堵死，此時開始再注油，系統(tǒng)壓力已然建立起來。在往冷卻水道內(nèi)不斷充入油液并升高壓力后，主軸開始逐漸下落，升降車也與其同步下降，直至主軸完全拆卸下來；當(dāng)主軸逐漸下落時，視情況保持壓力或者緩慢減小壓力，絕對不允許主軸急劇下墜，防止拉傷配合面。拆卸下來的主軸可見銹蝕情況非常嚴(yán)重（圖3）。

圖3 完成拆解的主軸

5 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

通過油壓法不僅可以保證機(jī)械主軸的順利拆除，同時保證了拆除質(zhì)量，還具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。若將Z 軸滑枕連同主軸同時進(jìn)行更換，整體采購費(fèi)用高達(dá)30 萬元，而使用油壓法進(jìn)行拆卸整個過程除去利用公司已有的液壓千斤頂工具，采購壓力表35 元/個、接頭6 元/個、堵頭3 元/個、球閥15 元/個等配件合計約65 元，相對于主軸整體采購費(fèi)用可以忽略不計。由此可以看出，通過油壓法對主軸進(jìn)行拆卸可以創(chuàng)造出將近30 萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語

通過對銹蝕的主軸與主軸套筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在嘗試多種拆卸方法沒有成功的前提下，最終采用油壓法將主軸成功拆卸下來。由于配合面之間加入有高壓油，相較于機(jī)械拆除法更加不易擦傷配合面，此方法的成功實(shí)施，最大程度地保留了原機(jī)械主軸，極大地節(jié)省了維修費(fèi)用，提升了維修效率，也為后續(xù)同類型主軸結(jié)構(gòu)在發(fā)生銹蝕情況下的拆解提供了經(jīng)驗參考。