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株洲車輛廠3t模鍛錘是50年代進口設備, 主要承擔前蓋、后擋、車鉤鉤尾、扁銷等車輛配件的生產, 是一種受沖擊載荷、打擊振動很大的鍛壓設備。其錘頭是一個整體, 主要由錘桿活塞、錘桿、錘頭等組成, 一般統稱為錘頭。錘頭質量為3.4, 材料為42CrMo。錘頭外形結構見圖1。
該錘頭報廢是在錘頭的下活塞環槽底面根部處斷裂并脫落造成的見圖2。其主要原因是（1）錘頭在工作過程中受沖擊載荷作用,在下活塞環槽根部產生應力集中。（2）活塞環槽根部沒有圓角, 加工時容易因加工刀痕而產生毛細裂紋。（3）錘頭工件大, 熱處理困難, 容易產生熱處理缺陷。
1 修復方案的選擇
方案1：將活塞部分全部用車床加工切除, 鑲一個套, 然后再加工成活塞, 開活塞環槽, 套的外形尺寸為∅620mmx220mm(環槽處直徑為390mm), 毛坯質量為340kg,成品加工費用為6000元。
方案2:將斷裂部分用電弧焊焊接起來,再加工成形。錘頭材料為鉻鑰結構鋼, 其可焊性能差, 而且焊接面不規則, 不好施焊, 焊后的使用性能得不到保證。
方案3:現有兩個報廢錘頭, 一個是在裝模具的燕尾部分有裂紋, 一個就是現在這個在活塞環槽處斷裂損壞的。想將兩個湊成一個錘頭, 這種方案加工起來比較麻煩, 使用的可靠性也不一定能保證。
方案4:在車床上將斷裂處的毛細裂紋加工消除, 然后在原活塞強度足夠的地方, 重新加工一道活塞環槽, 安裝活塞環, 保證錘頭在打擊過程中, 起到密封作用。
2修復方案論證
對第4個方案也提出了幾個疑問:第一,修復后鍛錘在打擊時是否有力, 是否影響打擊速度第二, 活塞長度原先為200mm, 因為脫落了65mm“ , 活塞導向長度減小了, 是否會影響錘頭上下運動的導向第三, 活塞桿在使用時, 強度能不能得到保證。
就上面提出的間題, 進行了全面的技術論證。
2.1打擊力和打擊速度
對于這個問題, 還是從鍛錘的工作原理來看。見圖3。
當上汽室充汽, 下汽室向大氣排空, 錘頭向下運動, 進行鍛打工作當下汽室充汽, 上汽室向大氣排空, 錘頭向上運動, 這時錘頭提起。
(1)要保證錘頭上、下正常運動, 只要能解決活塞在汽缸內的運動位置就可以了。它可以由錘頭的操縱機構和錘桿的長度來控制, 操縱機構是原來正常使用的, 錘桿的長度也沒有改變。雖然活塞因為斷裂脫落了一塊,但是它的工作性能并沒有改變, 所以錘頭的正常運動是可以保證的。
(2)要保證錘頭的打擊能量, 關鍵的一點是要解決提錘的間題, 也就是說要將的錘頭和多的模具從靜止的水平面提到一定的高度, 而且能固定在任意高度, 以得到一定的勢能, 并將這種勢能釋放出來, 達到鍛造打擊的目的。鍛錘的打擊能量可以由下式計算：
從上式可以看出, 落下部分最大質量為錘頭與模具質量之和, 為已知數錘擊速度與活塞上平面面積和上汽室的工作壓力有關,而活塞面積、上汽室的工作壓力都沒有改變,所以錘頭的打擊能量就不會減小。
（3）活塞環必須要有良好的密封性能, 才能使活塞在汽缸內上、下汽室不竄汽。錘頭的上下運動就能得到保證。
2.2錘頭上、下運動導向問題
活塞在鍛錘工作中的主要作用是通過其上、下平面承受蒸汽膨脹時的壓力來推動錘頭運動。運動時, 只有活塞環與汽缸壁接觸,活塞并沒有與汽缸壁接觸, 在通常情況下, 活塞并不起導向作用。錘頭在上下運動時, 起導向作用的主要是兩個部分錘頭的導向槽和錘桿的軸向圓弧部分, 這兩個部分并沒有改變, 所以錘頭運動導向不會存在間題。
使用強度問題
從上面分析可知, 活塞在工作中, 所受外力主要由上、下平面承擔, 當然在活塞環起密封作用時, 還受到了一定的附加軸向力, 并將此軸向力傳遞給活塞環槽, 但是活塞環主要是起密封作用, 它的剛度和強度, 相對活塞而言就小得多, 所以活塞環對活塞的破壞作用很小, 因此活塞的強度也可以保證。
3 修復設計與制造
對最優方案進行了可行性分析論證后,便可開始修復設計和制造。
3.1修復設計
下活塞環槽被破壞后, 只剩上活塞環槽,所以只要在活塞強度足夠的地方加工出一道活塞環槽安裝活塞環, 就可以保證活塞的密封性, 使錘頭正常運動。修復設計見圖4。
(1)從活塞頂部往下25mm處加工出一道活塞環槽見圖4, 其他尺寸不變。為防止斷裂處毛細裂紋擴展, 在車床上用加工的方法將毛細裂紋消除, 表面粗糙度達Ra12.5µm.
(2)使用的聚四氟乙烯尼龍活塞環要在外力作用下才能撐開。根據活塞工作原理, 設計了從下汽室進汽, 在活塞上鉆一個通孔, 使其與兩道活塞環槽相通, 然后在活塞上平面處通過過盈裝配將通孔堵上。
3.2制造
這個修復方案最簡單, 用車床和鉆床就完成了加工, 加工周期短, 費用低, 總加工費只有元。
使用效果該錘頭自年月投入使用至今,性能良好, 完全達到了修復設計的預期效果,節約資金萬多400元。
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