第2章 机械零件的修复技术
2.1 机械修复技术
利用机械连接，如螺纹连接、键连接、销连接、铆接、过盈连接和机械变形等各种机械方法，使磨损、断裂、缺损的零件得以修复的方法称为机械修复法，例如镶补、局部修换、金属扣合等，这些方法可利用现有设备和技术，适应多种损坏形式，不受高温影响，受材质和修补层厚度的限制少，工艺易行，质量易于保证，有的还可以为以后的修理创造条件，因此应用很广。缺点是受到零件结构和强度、刚度的限制，工艺较复杂，被修件硬度高时难以加工，精度要求高时难以保证。
2.1.1 调整尺寸法
对机械设备的动配合副中较复杂的零件进行修理时可不考虑原来的设计尺寸，而采用切削加工或其他加工方法恢复其磨损部位的形状精度、位置精度、表面粗糙度和其他技术条件，从而得到一个新尺寸，这个新尺寸对轴来说比原来的设计尺寸小，对孔来说则比原来的设计尺寸大，这个尺寸即称为修理尺寸。而与此相配合的零件则按这个修理尺寸制作新件或修复，保证原有的配合关系不变，这种方法即称为调整尺寸法。
例如轴、传动螺纹、键槽和滑动导轨等结构都可以采用这种方法修复。但必须注意，修理后零件的强度和刚度仍应符合要求，必要时要进行验算，否则不宜使用该法修理。对于表面热处理的零件，修理后仍应具有足够的硬度，以保证零件修理后的使用寿命。
调整尺寸法的应用极为普遍，为了得到一定的互换性，便于组织备件的生产和供应，大多数修理尺寸均已标准化，各种主要修理零件都规定有它的各级修理尺寸，如内燃机汽缸套的修理尺寸通常规定了几个标准尺寸，以适应尺寸分级的活塞备件。
零件修复中，机械加工是最基本、最重要的方法。多数失效零件需要经过机械加工来消除缺陷，最终达到配合精度和表面粗糙度等要求。它不仅可以作为一种独立的工艺手段获得修理尺寸，直接修复零件，而且还是其他修理方法的修前工艺准备和最后加工必不可少的手段。修复旧件的机械加工与新制件加工相比较具有不同的特点：它的加工对象是成品；旧件除工作表面磨损外，往往会有变形；一般加工余量小；原来的加工基准多数已经破坏，给装夹定位带来困难；加工表面性能已定，一般不能用工序来调整，只能以加工方法来适应它；多为单件生产，加工表面多样，组织生产比较困难等。了解这些特点，有利于确保修理质量。
要使修理后的零件符合制造图样规定的技术要求，修理时不能只考虑加工表面本身的形状精度要求，而且还要保证加工表面与其他未修表面之间的相互位置精度要求，并使加工余量尽可能小。必要时，需要设计专用的夹具。因此要根据具体情况，合理选择零件的修理基准和采用适当的加工方法来加以解决。
加工后零件表面粗糙度对零件的使用性能和寿命均有影响，如对零件工作精度、疲劳强度、耐腐蚀性、零件之间配合性质以及保持稳定性等的影响。对承受冲击和交变载荷、重载、高速的零件更要注意表面质量，同时还要注意轴类零件的圆角半径，以免形成应力集中。另外，对高速运转的零件修复时还要保证其应有的静平衡和动平衡要求。
使用机械加工的修理方法，简便易行，修理质量稳定可靠，经济性好，在旧件修复中应用十分广泛。缺点是零件的强度和刚度削弱，需要更换或修复相配件，使零件互换性复杂化。应加强修理尺寸的标准化工作。
2.1.2 镶加零件法
配合零件磨损后，在结构和强度允许的条件下，增加一个零件来补偿由于磨损及修复而去掉的部分，以恢复原有零件精度，这样的方法称为镶加零件法。
常用的有扩孔镶套、加垫等方法。
图2-1所示为在零件裂纹附近局部镶加补强板，一般采用钢板加强，螺栓连接。脆性材料裂纹应钻止裂孔，通常在裂纹末端钻直径为ϕ3～6mm的孔。
图2-1 镶加补强板
图2-2所示为镶套修复法。对损坏的孔，可镗大镶套，孔尺寸应镗大，保证有足够刚度，套的外径应保证与孔有适当的过盈量，套的内径可事先按照轴径配合要求加工好，也可留有加工余量，镶入后再切削加工至要求的尺寸。对损坏的螺纹孔，可将旧孔扩大，再切削螺纹，然后加工一个内外均有螺纹的螺纹套拧入螺孔中，螺纹套内螺纹即可恢复原尺寸。对损坏的轴颈也可用镶套法修复。
图2-2 镶套修复法
镶加零件法在维修中应用很广，镶加件磨损后可以更换。有些机械设备的某些结构，在设计和制造时就应用了这一原理。对一些形状复杂或贵重零件，在容易磨损的部位，预先镶装上零件，以便磨损后只需更换镶加件，即可达到修复的目的。
例如车床上的丝杠、光杠、操纵杠与支架配合的孔磨损后，可将支架上的孔镗大，然后压轴套。轴套磨损后可再进行更换。汽车发动机的整体式汽缸，磨损到极限尺寸后，一般都采用镶加零件法修理。箱体零件的轴承座孔，磨损超过极限尺寸时，也可以将孔镗大，用镶加一个铸铁或低碳钢套的方法进行修理。
图2-3所示为机床导轨的凹坑，可采用镶加铸铁塞的方法进行修理。先在凹坑处钻孔、铰孔，然后制作铸铁塞，该塞子应能与铰出的孔过盈配合。将塞子压入孔后，再进行导轨精加工。如果塞子与孔配合良好，加工后的结合面非常光整平滑。严重磨损的机床导轨，可采用镶加淬火钢镶条的方法进行修复，如图2-4所示。
图2-3 导轨镶铸铁塞
图2-4 床身镶加淬火钢导轨
应用这种修复方法时应注意：镶加零件的材料和热处理一般应与基体零件相同，必要时选用比基体性能更好的材料；为了防止松动，镶加零件与基体零件配合要有适当的过盈量，必要时可在端部加胶黏剂、止动销、紧定螺钉、骑缝螺钉或采用点焊固定等方法定位。
2.1.3 局部修换法
有些零件在使用过程中，往往各部位的磨损量不均匀，有时只有某个部位磨损严重，其余部位尚好或磨损轻微。在这种情况下，如果零件结构允许，可将磨损严重的部位切除，将这部分重制新件，用机械连接、焊接或粘接的方法固定在原来的零件上，使零件得以修复，这种方法称为局部修换法。
图2-5（a）所示为将双联齿轮中磨损严重的小齿轮的轮齿切去，重制一个小齿圈，用键连接，并用骑缝螺钉固定的局部修换；图2-5（b）是在保留的轮毂上，铆接重制的齿圈的局部修换；图2-5（c）是局部修换牙嵌式离合器以粘接法固定。该法应用很广泛。
图2-5 局部修换法
2.1.4 塑性变形法
塑性材料零件磨损后，为了恢复零件表面原有的尺寸精度和形状精度，可采用塑性变形法修复，如滚花、镦粗、挤压、扩张、热校直等方法。
2.1.5 换位修复法
有些零件局部磨损可采用调头转向的方法，如长丝杠局部磨损后可调头使用；单向传力齿轮翻转180°，利用未磨损面将它换一个方向安装后继续使用。但必须结构对称或稍为加工即可实现时才能进行调头转向。
如图2-6所示，轴上键槽重新开制新槽。如图2-7所示，连接螺孔也可以转过一个角度，在旧孔之间重新钻孔。
图2-6 键槽换位修理
图2-7 螺孔换位修理
2.1.6 金属扣合法
金属扣合法是利用高强度合金材料制成的特殊连接件以机械方式将损坏的机件重新牢固地连接成一体，达到修复目的的工艺方法。它主要适用于大型铸件裂纹或折断部位的修复。
按照扣合的性质及特点，可分为强固扣合、强密扣合、优级扣合和热扣合四种工艺。
（1）强固扣合法
该法适用于修复壁厚为8～40mm的一般强度要求的薄壁机件。其工艺过程是：先在垂直于机件的裂纹或折断面的方向上，加工出具有一定形状和尺寸的波形槽；然后把形状与波形槽相吻合的高强度合金波形键镶入槽中，并在常温下铆击，使波形键产生塑性变形而充满槽腔，这样波形键的凸线与波形槽的凹部相互扣合，使损坏的两面重新牢固地连接成一体，如图2-8所示。
图2-8 强固扣合法
①波形键的设计和制作 如图2-9所示，通常将波形键的主要尺寸凸缘直径d、宽度b、间距l（波形槽间距t）规定成标准尺寸，根据机件受力大小和铸件壁厚决定波形键的凸缘个数、每个断裂部位安装波形键数和波形槽间距等。一般取b为3～6mm，其他尺寸可按下列经验公式计算：
d=（1.4～1.6）b （2-1）
l=（2～2.2）b （2-2）
t≤b （2-3）
图2-9 波形键
通常选用的凸缘个数为5、7、9个。一般波形键材料常采用1Cr18Ni9或1Cr18Ni9Ti奥氏体镍铬钢。对于高温工作的波形键，可采用线胀系数与机件材料相同或相近的Ni36或Ni42等高镍合金钢制造。
波形键成批制作的工艺过程是：下料→挤压或锻压两侧波形→机械加工上、下平面和修整凸缘圆弧→热处理。
②波形槽的设计和制作 波形槽尺寸除槽深T大于波形键厚度t外，其余尺寸与波形键尺寸相同，而且它们之间配合的最大间隙可达0.1～0.2mm。槽深T可根据机件壁厚H而定，一般取T =（0.7～0.8）H。为改善工件受力状况，波形槽通常布置成一前一后或一长一短的方式，如图2-10所示。
图2-10 波形槽的尺寸与布置方式
小型机件的波形槽加工可利用铣床、钻床等加工成形。大型机件因拆卸和搬运不便，因而采用手电钻和钻模横跨裂纹钻出与波形键的凸缘等距的孔，用锪钻将孔底锪平，然后钳工用宽度等于b的錾子修正波形槽宽度上的两平面，即成波形槽。
③波形键的扣合与铆击 波形槽加工好后，清理干净，将波形键镶入槽中，然后从波形键的两端向中间轮换对称铆击，使波形键在槽中充满最后铆裂纹大的凸缘。一般以每层波形键铆低0.5mm左右为宜。
（2）强密扣合法
在应用了强固扣合法以保证一定强度条件之外，对于有密封要求的机件，如承受高压的气缸、高压容器等防渗漏的零件，应采用强密扣合法，如图2-11所示。它是在强固扣合法的基础上，在两波形键之间、裂纹或折断面的结合线上，加工缀缝栓孔，并使第二次钻的缀缝栓孔稍微切入已装好的波形键和缀缝栓，形成一条密封的“金属纽带”，以达到阻止流体受压渗漏的目的。
图2-11 强密扣合法
缀缝栓可用直径为ϕ5～8mm的低碳钢或纯铜等软质材料制造，便于铆紧，缀缝栓与机件的连接与波形键相同。
（3）优级扣合法
该法主要用于修复在工作过程中要求承受高载荷的厚壁机件，如水压机横梁、轧钢机主梁、辊筒等。为了使载荷分布到更多的面积和远离裂纹或折断处，必须在垂直于裂纹或折断面的方向上镶入钢制的砖形加强件，用缀缝栓连接，有时还用波形键加强，如图2-12所示。
图2-12 优级扣合法
加强件除砖形外还可制成其他形式，如图2-13所示。图2-13（a）用于修复铸钢件；图2-13（b）用于多方面受力的零件；图2-13（c）可将开裂处拉紧；图2-13（d）用于受冲击载荷处，靠近裂纹处不加缀缝栓，以保持一定的弹性。图2-14所示为修复弯角附近的裂纹所用加强件的形式。
图2-13 加强件
图2-14 弯角裂纹的加强
1，2—凹槽底面；3—加强件；4—缀缝栓
（4）热扣合法
热扣合法是利用加热的扣合件在冷却过程中产生收缩而将开裂的机件锁紧。该法适用于修复大型飞轮、齿轮和重型设备机身的裂纹及折断面，如图2-15所示，圆环状扣合件适用于修复轮廓部分的损坏，工字形扣合件适用于修复机件壁部的裂纹或断裂。
图2-15 热扣合法
1—机件；2—裂纹；3—扣合件
综上所述，可以看出金属扣合法的优点是：使修复的机件具有足够的强度和良好的密封性；所需设备、工具简单，可现场施工；修理过程中机件不会产生热变形和热应力等。其缺点主要是厚度小于8mm薄壁铸件不宜采用，波形键与波形槽的制作加工较麻烦等。