卷绕头长套加工工艺改进

张轲

摘要：卷绕头作为化纤纺丝设备的关键核心装置，结构复杂，技术含量高，对纺丝成型质量的影响至关重要。其中长套被认为是最为重要的零件，属于大长径比、精度高、薄壁套筒极难加工构件。实践表明，丝饼卷绕成型中出现的品质问题多与其质量稳定性有关。实际生产中，长套动平衡一次合格率低，稳定性差，生产成本高且生产效率低下。本文通过对长套的加工工艺各工序作用从理论上定性分析，结合实际生产，找出关键影响因素，制定工艺改进方案验证，解决了长套加工动平衡一次合格率低的问题，达到提高质量提升效率的目的。

Abstract： As the key core device of chemical fiber spinning equipment， the winder has a complex structure and high technical content， which has an important influence on the quality of spinning forming. Among them， the long sleeve is considered to be the most important part. It is a component with large aspect ratio， high precision， and thin-walled sleeve which is extremely difficult to machine. Practice has shown that the quality problems that occur in the winding and forming of silk cakes are mostly related to the quality stability. In actual production， the first pass rate of the long sleeve dynamic balance is low， the stability is poor， the production cost is high， and the production efficiency is low. In this paper， through the theoretical qualitative analysis of the role of each process in the processing of the long sleeve， combined with actual production， the key influencing factors are identified， and the process improvement plan is formulated to verify the long sleeve processing and achieve the purpose of improving efficiency.

关键词：卷绕头;长套;加工工艺;调质;动平衡

Key words： winding head;long sleeve;processing technology;quenching and tempering;dynamic balance

中图分类号：TS104.1                                    文献标识码：A                                文章編号：1674-957X（2020）22-0112-03

1  卷绕头介绍

卷绕头作为化纤纺丝成套设备的关键核心装置，技术含量高，结构复杂，涉及机械、电控、气动、计算机程序等多学科多专业理论。卷绕头主要由导轨机架、横动总成、夹头总成、摩擦辊总成等部件组成，由电动机带动相关回转机构旋转，机械、电气、气动及程序必须步调完美结合起来，方能实现高品质高效率的生头、夹头切换、丝饼卷绕成型等动作。因此，卷绕头一直被认为是一种制造周期长、制造难度大、制造精度高的科技含量高的产品，其价格占化纤纺丝成套设备总投资的50～60%左右。2000年前，我国卷绕头主要依赖进口，且价格高昂，严重制约着化纤产业的发展。经过5年左右的艰苦攻关，北京中丽制机工程技术有限公司突出重围，成功开发出具有自主知识产权的高速卷绕头，打破国外垄断，推动了整个国内化纤设备尤其是卷绕头技术的积淀与提升。目前卷绕头制造供应商主要有德国Barmag、日本TMT和中国的北京中丽、上海金纬、郑纺机等。其中德国Barmag和日本TMT一直以来引领卷绕头的发展趋势并控制着核心制造技术，尽管其在我国本土化程度越来越深，但是其关键件依然在国外制造，包括长套。北京中丽长期处于跟跑之势，郑纺机作为老牌国有企业近些年突破卷绕头技术在主动摩擦辊卷绕头上异军突起，而上海金纬也在加速追赶。

卷绕头按压丝辊驱动方式分从被动压丝辊式和主动压丝辊式。被动压丝辊卷绕头的历史较长，20世纪70年代到80年代，德国、日本、瑞士已相继开发出半自动被动压丝辊式高速卷绕头。北京中丽于本世纪初开发出全自动被动压丝辊式高速卷绕头批量化投产交付。由于化纤技术的快速发展，化纤设备也在向着自动化程度高、适纺品种灵活、智能少人化等方向前进，卷绕头的发展也持续向紧凑型、节能化、高转速、多丝饼、精密卷绕等智能化方向发展，主动压丝辊式卷绕头是前进途中的一大突破，国内郑纺机早先一步，在2010年之前已经开始推出。

2  长套结构及分析

2.1 夹头简介

夹头（图1）是卷绕头的一个关键部件，长套（图1中卷绕长轴）是夹头部件中的一个关键零件。长套与连体轴承通过加热烘装的方式与支撑轴结合起来，外面通过螺丝连接弹簧、涨块、涨紧套等零件。夹头工作时的线速度是3500～5500m/min，转速超过10000r/min，而长套通过工艺孔（图2中小孔）与连体轴承热装，连体轴承的另一端与支撑轴连接，最后支撑轴刚性固定到转盘机架上，形成悬臂结构。工作时电动机驱动长套的转动进而带动夹头部件转动，通过涨块的顶出将纸筒管夹紧后，并带动纸筒管旋转及将化学纤维卷绕到纸筒管上，在纺丝卷绕满卷后通入压縮空气收回涨块将纸筒管释放开。由于纺丝时线速度恒定，所以夹头转速随丝饼直径增大而降低，长套转速是连续变动的，长套通过与连体轴承热装的位置将随着转速的连续降低，承受的载荷重量从0增大到纺丝卷绕完成时150kg左右。

实践验证，夹头纺丝时工作转速会大于75%的临界转速产生较大幅度振动，影响丝饼成型。一般认为夹头低速纺丝卷绕时为刚性转子，高速纺丝卷绕时为挠性转子。挠性转子在高转速下会产生动不平衡现象，进而产生振动噪声，影响转子的使用寿命和传递效率。

2.2 长套结构简介

长套（图2）是一种长径比大（11∶1～17∶1）、薄壁套筒（壁薄3.5mm）极难加工零件，在高转速、高载荷下工作。实践表明，丝饼卷绕成型出现的品质问题多与其质量稳定性有关。长套加工长期面临加工质量稳定性差、加工效率低等问题。从使用角度看，其使用转速高，达到8000～12000r/min，对动平衡要求高。从加工工艺性看，其加工工序长、尺寸精度要求高、热处理次数多、内孔加工深，使得动平衡一次合格率低且不稳定，10～40%左右，多數不超过30%。因此需要通过提升动平衡一次合格率，提高产品质量，提升效率，降低成本。

3  长套工艺

3.1 材质选择

长套材料选用40Cr轧制圆钢。40Cr是一种最常用的合金调质钢，含碳量在0.37～0.44%，含Cr0.80～1.10%，用于较重要的调质零件。40Cr调质处理时Cr能增加钢的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，具有优良的机械性能。40Cr未热处理的硬度只能达到HRC10～20;40Cr热处理硬度是HB250-280，淬火后硬度在HRC48-52范围内，如回火后硬度会下降HRC10-20左右。40Cr调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性，淬透性良好，水淬时可淬透到Ф28～60mm，油淬时可淬透到Ф15～40mm。切削性能好。

3.2 加工工艺路线

正火→粗车外圆→调质→深孔钻预打两端孔及小孔→一次粗车两端孔→一次去应力→半精车外圆→二次粗车两端孔及小孔→二次去应力→精车外圆→半精车两端孔及小孔→粗磨外圆→钳工打孔→精车两端孔及小孔→精磨外圆留磨量→精磨里孔→镀硬铬（0.015～0.025mm）→动平衡→返修（两端孔拉槽或2次精车两端孔）。

3.3 主要工序作用分析

3.3.1 正火

长套正火可以使组织均匀化，改善切削性能，为后续机械加工做准备。

正火，又称常化，是将工件加热至Ac3（Ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度，一般是从727～912℃之间）或Acm（Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线）以上30～50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺，其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。

3.3.2 调质

长套调质是提高其综合机械性能，保证长期运转时的强度和刚性。

调质处理是淬火后高温回火的热处理方法，目的是使工件具有良好的综合机械性能。高温回火是指在500～650℃之间进行回火。淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。调质件大都在比较大的动载荷作用下工作，它们承受着拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切的作用，有的表面还具有摩擦，要求有一定的耐磨性等等。

3.3.3 去应力

去应力方式很多种，长套采取去应力退火，主要是去除机械加工产生的应力，同时去除调质时残留的组织应力，减少应力变形，保证零件最终精度。

去应力退火是将工件加热到Ac1以下的适当温度，保温一定时间后逐渐缓慢冷却的工艺方法。其目的是为了去除由于机械加工、变形加工、铸造、锻造、热处理以及焊接后等产生的残余应力。进行去应力退火时，金属在一定温度作用下通过内部局部塑性变形（当应力超过该温度下材料的屈服强度时）或局部的弛豫过程（当应力小于该温度下材料的屈服强度时）使残余应力松弛而达到消除的目的。

3.3.4 粗精车外圆内孔等

粗车（二次粗车）是加工工艺的粗加工工序，主要是将工件表面多余的材料去除，一般对产品尺寸、粗糙度要求不高。工件毛坯有较大余量时，都要安排粗加工环节。长套粗车工序主要是保证后续加工质量的情况下快速去除切削余量。

精车是加工工艺中的精加工工序，需要保证产品的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等相关要求。精车要求切削深度和走刀量都要小，最终保证工件的几何精度并实现较高的表面粗糙度要求。长套精车工序是要实现图纸和工艺所要求镀硬铬前的几何尺寸。

3.3.5 精磨

长套精磨主要是提高表面质量和实现更高要求的几何精度。磨削加工是用磨料、磨具去除工件上多余材料的加工方法，属于机械加工精加工范畴，一般常用于半精加工和精加工，加工精度可达IT5～IT6，表面粗糙度Ra为1.25～0.01μm。磨削时的切削速度高，磨削温度高。由于长套工艺孔小孔深精度高，采用意大利进口磨床方能保证。

3.3.6 镀硬铬

长套通过表面镀硬铬提高耐磨性并实现防锈，镀铬层厚度为0.15～0.25mm。

镀硬铬是在母体材料上镀一层铬的薄膜，以提高耐磨性和在一定介质中的防腐蚀能力，也可用于磨损零件尺寸的修复。镀铬层厚度一般在0.02mm以上，硬度一般为800～900HV，高的可达1200HV。

3.3.7 动平衡

长套动平衡是检验机械加工后单件的动不平衡量，通过去重增重等方式实现长套的动平衡后在质量要求内，然后方可进行后续总成装配等工序，最终保证夹头的动平衡结果。工程中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对转子进行平衡，使其达到允许的平衡精度等级，或使因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内。

4  长套改进后工艺

材质不做变化，工艺路线为：粗车外圆→深孔钻预打两端孔及小孔→调质→一次粗车两端孔→一次去应力→半精车外圆→二次粗车两端孔及小孔→二次去应力→精车外圆→半精车两端孔及小孔→粗磨外圆→钳工打孔→精车小孔→精磨外圆留磨量→精磨里孔→镀硬铬（0.015～0.025mm）→动平衡→精车两端孔→返修（两端孔拉槽或2次精车两端孔）。

4.1 取消正火工艺

长套正火工艺是自2000年前后开始制造长套时选用的，由于当时冶炼轧制技术水平限制，选用正火细化晶粒、均匀化组织进而改善切削性能是常態化措施，随着冶炼轧制技术的提升，钢材品质已经不可同日而语，完全能够保证材料加工，原工艺正火后仅仅一道粗车外圆加工后就去进行调质处理，调质处理本身就改善了材料的切削性能，综合40Cr钢材本身切削性能也较好，故提出取消正火工序。

4.2 调整调质与深孔钻预打两端孔及小孔顺序

前面讲到长套的实际使用状态，工艺孔要在高速旋转下承载变化载荷，所以其耐磨性、强度、刚度必须要保证，因此工艺孔位置应实现调质组织状态和硬度。虽然根据40Cr的淬透性和长套结构特点，整体调质时工艺孔位置理论上能被淬透，但淬透性是指由钢的表面马氏体组织到钢的半马氏体区（组织中马氏体占50%、其余50%为珠光体类型组织）组织处的深度，整体调质时工艺孔处硬度远低于表面硬度，达不到真正的调质硬度，不能很好满足长套的稳定工作状态。

4.3 调整精车两端孔至电镀后

由于长期认为电镀对长套最后精度的影响忽略不计，长套电镀后不进行检验直接进入动平衡环节。当动平衡不合格时，通过两端孔拉槽或2次精车两端孔返修达到要求再进行动平衡，根据长期实践结果，2次精车两端孔也就是电镀后精车可以修复所有动平衡不合格的长套。基于此，把精车工序调至电镀后，但精车余量要比之前更小，减少切削力。

5  改进结果

以上改进经过批量试验验证，得出以下结果：

①动平衡后一次合格率由改进前的10～40%左右（某项目60根），提升到93.3%，其中不合格数据返修量也很小。②由于打孔后调质，料坯重量减轻，运输吊装方便，单次去应力退火时间减少1/3以上，效率提升，节省能源，降低成本。③对电镀前后长套进行跟踪检验发现，数据有变化且不等，跳动值变化在0.001～0.005mm之间。④由于长套之前返修前后不检验，修完就继续动平衡，基本都合格。本次对2次精车两端孔进行跟踪检验发现，精车后有跳动值有0～0.02mm的变化，变化明显的占比1/4较左右。⑤动平衡微去重时发现内孔壁比以前硬，即比先调质后打孔要硬。⑥精车外圆中间鼓肚问题明显，留磨量大，影响磨削效率及产品质量。

6  结论

①电镀后精车会大幅度提升动平衡一次合格率。

②电镀对产品精度有影响，高精产品要重视电镀的影响。

③电镀后精车会影响长套的几何精度，可以确定返修同样会影响长套的几何精度。这个问题需做更深入研究进行改善。

④调质顺序的改变影响产品内部硬度。

⑤正火工艺的取消并没有影响长套的切削性能。

⑥精车外圆工序质量重视不够，导致实际磨削量大且不均，影响生产效率，其对产品最终质量的影响需要进一步研究。

⑦在充分的理论分析下作出对工序进行调整是可行的，务必要结合技术的进步和产品的新要求做好工艺完善。

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