CN113134706A - 一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了高温超长跨距大扭矩螺旋轴及其加工方法，采取的技术方案主要内容如下。一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴，包括实心轴头、空心轴、螺旋叶片和空心轴头。其中，实心轴头设置在空心轴的一端，实心轴头和空心轴螺纹连接。空心轴头设置在空心轴的另一端，空心轴头和空心轴螺纹连接。螺旋叶片焊接在空心轴的外侧。本发明还提供了一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴的加工方法，包括以下步骤：1)预处理；2)粗加工；3)焊接；4)校直；5)精加工；6)磨轴。本发明提供的高温超长跨距大扭矩螺旋轴具有耐高温、高强度、高耐磨性以及加工精度好的优点。

Description

一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴及其加工方法
技术领域
本发明属于螺旋轴加工技术领域，具体涉及一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴及其加工方法。
背景技术
大型螺旋搅拌设备是工程中常见的一种设备，多用于水利、水泥和生活垃圾的输送装置，其中螺旋轴为关键部件，而轴材料多采用普通碳钢，现有的螺旋加工方案为：选用实心棒料作为原材料，然后整体调质后在车床上进行精加工，最后再焊接桨叶。这种方案对小型常温输送装置来说，是比较可行的一种方案，但对于高温环境下中间跨度在10米以上的螺旋轴来说，现有的技术加工方案存在以下缺点：
1)螺旋轴全部为实心轴后会导致轴重量过大，在加上轴长为10米以上，不仅成本过高，而且导致轴挠度增大，在加工和设备运转是会产生很大的跳动量，不利于后期设备运转。
2)热解反应器中，轴头连接着驱动机构，扭矩高达30万N·m，轴中间工作温度为900℃以上，如果一整根轴都采用碳钢材料，轴头部分不能承受较大的扭矩而断裂，当轴中间500℃以上温度时会导致轴弯曲变形，。
3)先精加工完轴两端再焊接轴上桨叶的加工顺序，会使加工好的轴在焊接桨叶的时候发生变形，会使轴的整体加工精度降低，废品率增高。
本发明提出的方法可以解决现有技术存在的螺旋轴挠度大、耐磨性差、强度差，加工精度低以及废品率高的缺点。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种耐高温、高强度、高耐磨性、加工精度较好，直径为650mm以上，长度在13m以上，轴承跨度为10m以上的转动螺旋轴及其加工方法。
本发明所采取的技术方案为：
一种耐高温转动螺旋轴，包括实心轴头、空心轴、螺旋叶片和空心轴头。其中，实心轴头设置在空心轴的一端，实心轴头和空心轴螺纹连接。空心轴头设置在空心轴的另一端，空心轴头和空心轴螺纹连接。螺旋叶片焊接在空心轴的外侧。实心轴头是高温螺旋轴与驱动端连接的部位，需要与联轴器、机械密封以及轴承之间精密配合，表面光洁度要求高达1.6um，需要精加工。空心轴头需要安装轴承和机械密封，配合部分表面粗糙度高度要求高达1.6um，而空心管上主要焊接螺旋桨叶片，对表面粗糙度要求较低。
所述实心轴头由合金钢(40Cr)制成。所述的合金钢由以下质量百分数的化学成分组成：C:0.37～0.44，Si:0.17～0.37，Mn:0.50～0.80，Cr:0.80～1.10，Ni:≤0.30，P:≤0.030，S:≤0.030，Cu:≤0.30，Mo:≤0.10其余为Fe。
所述空心轴由310s不锈钢制成。所述的不锈钢由以下质量百分数的化学成分组成：C:≤0.08，Si:≤1.500，Mn:≤2.00，P:≤0.035，S:≤0.030，Ni:≤19.00-22.00，Cr:≤24.00-26.0，其余为Fe。
本发明还提供了一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴的加工方法，包括以下步骤：
1)预处理：先加热实心轴头、空心轴、螺旋叶片和空心轴头，再进行退火处理，然后进行快速酸洗；
2)粗加工：在实心轴头的一端加工出外螺纹，然后在空心轴的两端分别加工出内螺纹，同时在实心轴头和空心轴各加工出焊接坡口，实心轴头的外螺纹和空心轴的内螺纹相配合，然后经过螺纹配合后将实心轴头和空心轴连接；
3)焊接：先在加工完的螺旋叶片上堆焊铁基高硼Cr-B-Nb-Ti耐磨耐高温的硬质合金，堆焊采用焊条牌号为：DIN 8555:MF 10-GF-65-GRT，使用手工电弧焊的方法一层一层堆焊，再采用焊条ER309再将实心轴头和空心轴加固焊接，焊接方式为U型槽平焊，同时辅以CO2气体保护焊，将螺旋叶片焊接在空心轴上，同时在螺旋叶片之间焊上耐磨耐高温浇注料的锚固钉，焊接过程中，将空心轴竖直吊立，保证空心轴不会因水平放置而产生挠度；
4)校直：在焊接完成的高温超长跨距大扭矩螺旋轴的轴弯的地方表面进行局部淬火，并将高温超长跨距大扭矩螺旋轴加热到500℃后，用冷水进行冲刷，逐步微调，直到高温超长跨距大扭矩螺旋轴的跳动量在0.5mm以内；
5)精加工：将高温超长跨距大扭矩螺旋轴架在车床进行轴加工，同时在高温超长跨距大扭矩螺旋轴中间放置支撑件，防止高温超长跨距大扭矩螺旋轴放置时间过长产生的静挠度，对高温超长跨距大扭矩螺旋轴进行精加工，达到设备要求；
6)磨轴：在磨床对高温超长跨距大扭矩螺旋轴表面光洁度进行细加工，在支撑位置Ⅰ和支撑位置Ⅱ做支撑件，这样可以将高温超长跨距大扭矩螺旋轴进一步固定，防止磨床精磨时有径向跳动。
在运到项目现场使用以前，在高温超长跨距大扭矩螺旋轴水平放置的下面均匀放置若干个工装进行多点支撑，防止水平放置变形。
其中，步骤1)预处理中的加热温度为600～630℃，退火处理是在空气中正常缓降到常温进行退火，快速酸洗是用浓度为200g/L的HCl在温度为80～85℃的条件下进行，确保洗去加工件表面的氧化物。
本发明的显著效果在于：
1)零件加工成本低，本发明的螺旋轴选用的40Cr作为轴头材料，310s作为中间空心轴材料，大大降低材料成本；2)轴性能更好，40Cr作为轴头，强度是普通碳钢的4倍以上，310s作为中间轴材料，能耐1000℃以上高温，在桨叶轴上堆焊硬质合金，使桨叶的硬度达到70HRC，使螺旋轴高温超长跨距大扭矩螺旋轴具有耐高温、高强度、高耐磨性的特征；3)废品率低：调整加工工序为预处理—粗加工—焊接—校直—精加工—磨轴，通过先焊接螺旋桨叶后再对轴进行校直，然后再精加工的方法，消除轴因为焊接受热变形的风险，同时在车床上精加工轴时，采用两个三点定位的可调节滑动支撑来确保轴加工时不会产生挠度，确保精加工的准确性；在存放库房时采用工装多点支撑确保轴在存放和运输过程不会变形，确保螺旋轴不会产生永久性挠度。
附图说明
图1为高温超长跨距大扭矩螺旋轴主视图；
图中：1为实心轴头；2为空心轴；3为螺旋叶片；4为空心轴头；5为支撑位置Ⅰ；6为支撑位置Ⅱ。
图2为支撑件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴及其加工方法。
本发明提供的技术方案如下：
一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴，包括实心轴头1、空心轴2、螺旋叶片3和空心轴头4。其中，实心轴头1设置在空心轴2的一端，实心轴头1和空心轴2螺纹连接。空心轴头4设置在空心轴2的另一端，空心轴头4和空心轴2螺纹连接。螺旋叶片3焊接在空心轴2的外侧。
所述空心轴2的两侧分别设有支撑位置Ⅰ5和支撑位置Ⅱ6。
所述实心轴头1由合金钢(40Cr)制成。所述的合金钢由以下质量百分数的化学成分组成：C:0.37～0.44，Si:0.17～0.37，Mn:0.50～0.80，Cr:0.80～1.10，Ni:≤0.30，P:≤0.030，S:≤0.030，Cu:≤0.30，Mo:≤0.10其余为Fe。
所述空心轴2由310s不锈钢制成。所述的不锈钢由以下质量百分数的化学成分组成：C:≤0.08，Si:≤1.500，Mn:≤2.00，P:≤0.035，S:≤0.030，Ni:≤19.00-22.00，Cr:≤24.00-26.00其余为Fe。
本发明还提供了一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴的加工方法，包括以下步骤：
1)预处理：先加热实心轴头1、空心轴2、螺旋叶片3和空心轴头4，再进行退火处理，然后进行快速酸洗。预处理中的加热温度为600～630℃，退火处理是在空气中正常缓降到常温进行退火，快速酸洗是用浓度为200g/L的HCl在温度为80～85℃的条件下进行，确保洗去加工件表面的氧化物。
2)粗加工：在实心轴头1的一端加工出外螺纹，然后在空心轴2的两端分别加工出内螺纹，两个内外螺纹外径都为500mm，内径为480mm，螺距为20mm，然后经过螺纹配合后将实心轴头1和空心轴2连接，空心轴头4和空心轴2用同样的方式连接；并分别在实心轴头1和空心轴头2连接处以及空心轴头4和空心轴2连接处打U型坡口。
3)焊接：先在加工完的螺旋叶片3上堆焊铁基高硼Cr-B-Nb-Ti耐磨耐高温的硬质合金，堆焊采用焊条牌号为：DIN 8555:MF 10-GF-65-GRT，使用手工电弧焊的方法一层一层堆焊；采用焊条ER309将实心轴头1和空心轴2以及空心轴头4和空心轴2连接处进行焊接，焊接方式为U型槽平焊，同时辅以CO2气体保护焊；然后再将堆焊好的螺旋叶片3焊接在空心轴上2，同时在螺旋叶片之间焊上耐磨耐高温浇注料的锚固钉，焊接过程中，将螺旋轴竖直吊立，保证螺旋轴不会因水平放置而产生挠度；
4)校直：在焊接完成的高温超长跨距大扭矩螺旋轴的轴弯的地方表面进行局部淬火，并将高温超长跨距大扭矩螺旋轴加热到500℃后，用冷水进行冲刷，逐步微调，直到耐高温转动高温超长跨距大扭矩螺旋轴的跳动量在0.5mm以内；
5)精加工：整体将高温超长跨距大扭矩螺旋轴架在车床进行轴加工，同时在高温超长跨距大扭矩螺旋轴中间放置支撑件，支撑件如图2所示，防止高温超长跨距大扭矩螺旋轴水平放置时间过长产生的静挠度，对高温超长跨距大扭矩螺旋轴进行精加工，达到轴承和机械密封的配合尺寸要求；
6)磨轴：在磨床对高温超长跨距大扭矩螺旋轴表面光洁度进行细加工，在支撑位置Ⅰ5和支撑位置Ⅱ6放置支撑件，将高温超长跨距大扭矩螺旋轴进一步固定，防止磨床精磨时有径向跳动，这样可以使转动轴的表面粗糙度达到轴承和机械密封的粗糙度要求。
步骤5)和步骤6)中使用的支撑件如图2所示，可以在车床上水平移动，通过三点定位螺旋轴，可以进行上下左右调节，保证支撑位置的同心度
在运到项目现场使用以前，加工完成的高温超长跨距大扭矩螺旋轴用五个相同的工装均匀多点支撑，确保长时间放置不会变形。

Claims (10)

1.一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴，其特征在于：包括实心轴头(1)、空心轴(2)、螺旋叶片(3)和空心轴头(4)，所述实心轴头(1)设置在空心轴(2)的一端，空心轴头(4)设置在空心轴(2)的另一端，螺旋叶片(3)焊接在空心轴(2)的外侧。
2.如权利要求1所述的高温超长跨距大扭矩螺旋轴，其特征在于：所述实心轴头(1)和空心轴(2)螺纹连接。
3.如权利要求1所述的高温超长跨距大扭矩螺旋轴，其特征在于：所述空心轴头(4)和空心轴(2)螺纹连接。
4.如权利要求1所述的高温超长跨距大扭矩螺旋轴，其特征在于：所述实心轴头(1)由合金钢(40Cr)制成，所述的合金钢由以下质量百分数的化学成分组成：C:0.37～0.44，Si:0.17～0.37，Mn:0.50～0.80，Cr:0.80～1.10，Ni:≤0.30，P:≤0.030，S:≤0.030，Cu:≤0.30，Mo:≤0.10其余为Fe。
5.如权利要求1所述的高温超长跨距大扭矩螺旋轴，其特征在于：所述空心轴(2)由310s不锈钢制成，所述的不锈钢由以下质量百分数的化学成分组成：C:≤0.08，Si:≤1.500，Mn:≤2.00，P:≤0.035，S:≤0.030，Ni:≤19.00-22.00，Cr:≤24.00-26.00其余为Fe。
6.一种加工如权利要求1所述的高温超长跨距大扭矩螺旋轴的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)预处理：先加热实心轴头(1)、空心轴(2)、螺旋叶片(3)和空心轴头(4)，再进行退火处理，然后进行快速酸洗；
2)粗加工：在实心轴头(1)的一端加工出外螺纹，然后在空心轴(2)的两端分别加工出内螺纹，然后经过螺纹配合后将实心轴头(1)和空心轴(2)连接；
3)焊接：先在加工完的螺旋叶片(3)上堆焊铁基高硼Cr-B-Nb-Ti耐磨耐高温的硬质合金，再将实心轴头(1)和空心轴(2)加固焊接，将螺旋叶片(3)焊接在空心轴(2)上，同时在螺旋叶片(3)之间焊上耐磨耐高温浇注料的锚固钉。
4)校直：在焊接完成的高温超长跨距大扭矩螺旋轴的轴弯的地方表面进行局部淬火，并将高温超长跨距大扭矩螺旋轴加热到500℃后，用冷水进行冲刷，逐步微调，直到高温超长跨距大扭矩螺旋轴的跳动量在0.5mm以内；
5)精加工：整体将高温超长跨距大扭矩螺旋轴架在车床进行轴加工，同时在高温超长跨距大扭矩螺旋轴中间放置支撑件，防止高温超长跨距大扭矩螺旋轴放置时间过长产生的静挠度，对高温超长跨距大扭矩螺旋轴进行精加工，达到设备要求；
6)磨轴：在磨床对高温超长跨距大扭矩螺旋轴的实心轴头(1)和空心轴头(4)的表面光洁度进行细加工，在支撑位置Ⅰ(5)和位置Ⅱ(6)做支撑件，将高温超长跨距大扭矩螺旋轴进一步固定，防止磨床精磨时有径向跳动。
7.如权利要求7所述的一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴的加工方法，其特征在于：步骤1)预处理中的加热温度为600～630℃，退火处理是在空气中正常缓降到常温进行退火，快速酸洗是用浓度为200g/L的HCl在温度为80～85℃的条件下进行。
8.如权利要求7所述的一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴的加工方法，其特征在于：步骤3)中采用手工电弧焊的方法一层一层地堆焊螺旋叶片(3)上的硬质合金；采用焊条ER309将实心轴头(1)和空心轴(2)以及空心轴头(4)和空心轴(2)连接处进行焊接，焊接方式为U型槽平焊，同时辅以CO2气体保护焊。
9.如权利要求书7所述的一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴的加工方法，其特征在于：步骤3)中在将螺旋叶片(3)焊接在空心轴(2)上时，将待加工高温超长跨距大扭矩螺旋轴竖直吊立。
10.如权利要求7所述的一种高温超长跨距大扭矩螺旋轴的加工方法，其特征在于：步骤5)和步骤6)中的支撑件如图2可以在车床上水平移动，通过三个顶丝定位待加工的高温超长跨距大扭矩螺旋轴，可以进行上下左右调节，保证被支撑高温超长跨距大扭矩螺旋轴的同心度。
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