大型半組合船用柴油機曲軸法蘭孔加工工藝改進

許增祥 崔雙 周煥軍 上海船用曲軸有限公司（201308）

許增祥（1984年～），男，本科，助理工程師，從事大型半組合船用柴油機曲軸制造工藝工作。

0 概述

“十一五” 時期是我國船舶工業(yè)高速發(fā)展的五年。2010年我國造船完工量6 560萬載重噸，躍居世界第一，國際市場占有率達43.6%，完成工業(yè)增加值1 662億元，增加值占工業(yè)總產(chǎn)值比重達24%，實現(xiàn)銷售收入超過6 000億元，船舶出口額突破400億美元。在主流船型、高技術船舶、海洋工程裝備領域科技創(chuàng)新取得重大突破，主要船用設備本土化配套能力快速提升，造船周期明顯縮短，經(jīng)濟運行質(zhì)量顯著改善，投資主體進一步多元化，我國已經(jīng)成為世界主要的造船大國之一。船用柴油機曲軸是船舶的關鍵部件，而大型半組合船用柴油機曲軸是船用柴油機的關鍵部件。上海船用曲軸有限公司自2002年成立以來產(chǎn)品已基本覆蓋了MAN和Wartsila兩大公司設計的50機及以上世界品牌柴油機全部規(guī)格曲軸，并得到了上述兩大公司的認可和船級社、船東的肯定。

曲軸是發(fā)動機對外輸出動力的核心部件，是驅(qū)動車、船等運輸工具的重要動力來源。對于推動幾萬t到幾十萬t船舶進行遠洋航行的船用低速柴油機， 用于傳遞巨大扭矩的曲軸更是一個制造要求極高的重要零件。半組合式曲軸整體質(zhì)量大，材質(zhì)要求特殊，冷熱工序多道，加工精度高，故有極大的制造難度。

半組合式船用曲軸（以下簡稱曲軸）輸出端和自由端法蘭用來安裝鏈輪、飛輪和減震器。其端面和外圓跳動要求都很高。法蘭外圓和端面跳動要求在0.04mm以內(nèi)，端面平面度要求在0.03mm以內(nèi)。

1 曲軸法蘭孔加工方案分析

1.1 普通加工方案

曲軸輸出端是傳遞動力的關鍵部位，如果其跳動和端面平面度達不到設計要求，將影響曲軸飛輪和減震器與曲軸法蘭端面貼合的緊密程度，進而影響柴油機運行的平穩(wěn)性。

曲軸法蘭孔的加工是曲軸在曲車上完成精加工后，轉移至鏜床上進行加工。曲軸法蘭部位結構相對復雜，在鉆法蘭孔過程中其受力不均，容易導致法蘭跳動和端面平面變化（見圖1）。

圖1 法蘭鉆孔過程中受力和變形示意

現(xiàn)在使用的法蘭鉆孔工藝為：

（1）用適當鉆頭鉆法蘭孔至粗加工尺寸；

（2）鏜孔至圖樣尺寸；

（3）潤滑方式為噴水基切削液潤滑。

曲軸在完成精加工后法蘭外圓跳動、端面跳動和端面平面度符合圖樣要求，但是法蘭鉆孔后，因鉆孔過程中曲軸法蘭局部受力，并且法蘭孔周圍受到刀具的擠壓，其跳動和平面度有會出現(xiàn)超差，尤其是法蘭孔周圍。

法蘭孔鉆孔后跳動和平面度超差的原因，有以下三種可能：

（1）鉆孔法蘭較薄，法蘭受單邊軸向力影響，而導致跳動和端面平面度超差；

（2）因鉆頭較鈍以及切削參數(shù)不當，導致鉆孔處法蘭受擠壓，導致跳動和端面平面度超差；

（3）切削過程中冷卻不充分，鉆削過程中，法蘭在切削熱的作用下導致塑性變形，而使跳動和端面平面度超差。

1.2 創(chuàng)新加工方案

依據(jù)上述分析法蘭孔鉆孔后跳動和平面度超差的原因，對普通法蘭孔加工方案進行改進如下：

（1）采用合理的分級式鉆孔，即分三次鉆孔，例如：加工6×?58mm孔時，依次使用?20mm鉆頭、?40mm鉆頭和?55mm鉆頭，最后擴孔加工符合圖樣要求。

（2）采用較鋒利的鉆頭和鏜刀，并改進切削參數(shù)，根據(jù)具體的機床適當提高切削速度，降低進給速度。

（3）安裝高壓噴嘴試冷卻裝置，以使在鉆孔過程中法蘭能及時散熱控制法蘭的溫升。

（4）在法蘭后面放置鉆孔模板，以增加鉆孔處法蘭的剛度，使力分散到模板上。

2 實施過程及結果

2.1 定制法蘭孔鉆孔模板

依據(jù)改進加工方案，對6RT-Flex82C曲軸進行鉆孔測試。該機型法蘭孔15×?58的定位圓為?1 720mm。因此根據(jù)曲軸法蘭定制法蘭鉆孔模板（見圖2）。

圖2 法蘭鉆孔模板

該模板為上下兩塊，裝配時兩半邊拼合在一起。

2.2 模板安裝

（1）將法蘭鉆孔模板其中一半邊裝到曲軸輸出端法蘭上并用支撐桿固定（見圖3）。

（2）曲軸旋轉180°。

（3）再將另一半邊法蘭鉆孔模板也裝配到曲軸輸出端法蘭上，用支撐桿固定，并用螺栓將法蘭鉆孔模板上下兩半固定（見圖4）。

圖3 法蘭鉆孔模板安裝示意

圖4 法蘭鉆孔模板安裝示意

2.3 試驗過程

1. 將曲軸放到支撐上，輸出端側朝機床主軸側，裝卡曲軸，以法蘭端面為基準找正在0.03mm內(nèi)，固定曲軸。

2. 在曲軸輸出端推力法蘭上劃第一缸上止點線及中心十字線。根據(jù)曲軸圖樣劃輸出端軸頸及自由端軸頸上各法蘭孔加工線。

4.加工過程中，全程加冷卻液；加工使用的鉆頭磨削鋒利，兩側刃口基本一致。加工過程中，注意鉆頭使用情況，及時磨削，保持刃口鋒利；鉆孔時，使用對稱鉆孔方法。

2.4 試驗結果

測量曲軸鉆法蘭孔前后跳動和平面度（見圖5），測量數(shù)據(jù)見表1。

圖5 曲軸輸出端跳動項目

表1 曲軸跳動數(shù)據(jù)

分析上述數(shù)據(jù)，新工藝使曲軸法蘭孔軸向和徑向跳動提高了0.02～0.04mm，改善比例達40%。對比鉆孔前跳動和新工藝鉆孔后跳動可以發(fā)現(xiàn)，采用新工藝加工曲軸法蘭孔對跳動的影響極小。采用原來的鉆孔方法曲軸法蘭的跳動和平面度變化很大并且超差，而采用改進后的工藝鉆孔后其跳動和平面度變化不大，沒有超差現(xiàn)象。

4 結 論

半組合大型船用曲軸法蘭孔加工方案，有效解決了法蘭孔加工前后變化問題。該方案進一步改善了曲軸制造流程中因客觀原因?qū)е碌那S質(zhì)量不合格現(xiàn)象，進而使曲軸產(chǎn)品質(zhì)量得到了有效的控制。

通過分析曲軸鉆法蘭孔后跳動和平面度超差的原因，研究出了切實可行的工藝系統(tǒng)。

該工藝系統(tǒng)能避免曲軸鉆法蘭孔后跳動超差，通過提高工件的剛度，優(yōu)化切削參數(shù)，解決曲軸鉆孔后法蘭跳動和平面度變化的問題，進而提高了曲軸的質(zhì)量。該工藝系統(tǒng)簡單易行，切合實際[4]。

該工藝系統(tǒng)以最基本的原理為出發(fā)點，有效解決了曲軸生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題[5]，對曲軸的制造技術的提高起到很大的促進作用。

[1] 余云嵐,張堅. 我國船用低速大功率柴油機曲軸制造技術的發(fā)展[J]. 上海造船，2009(4).

[2] 王先逵. 機械加工工藝手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] 張國寶.裝備制造業(yè)的自主創(chuàng)新問題[J]. 求是,2008(8).

[4] 畢克新,丁曉輝,馮英浚. 制造業(yè)中小企業(yè)工藝創(chuàng)新及測度評價現(xiàn)狀和發(fā)展[J].科研管理，2002(2).

[5]姚芊,畢克新.制造業(yè)工藝創(chuàng)新動力模式研究評述[J]. 北京理工大學學報,2011(3).