大型鍛件軸的校正與修復(fù)工藝

陳遵清　鄭勇　伍常斌　陳輝

摘? ? 要：本文根據(jù)修復(fù)變形的中間軸和尾軸案例，敘述了大型鍛件軸變形后的手工修復(fù)過程。通過對軸表面檢查、磁粉探傷，初步判斷軸的可修復(fù)性。進(jìn)一步對軸彎曲量進(jìn)行檢測、數(shù)據(jù)處理、彎曲狀態(tài)分析，對各個(gè)過程作了詳細(xì)的說明。通過一系列的實(shí)踐證明，使用手工敲擊的方法校正大型鍛件軸是經(jīng)濟(jì)可行的。

關(guān)鍵詞：鍛件軸;檢查;彎曲;手工敲擊校正

中圖分類號(hào)：U664.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper describes the manual repair process after the deformation of the large forged shaft according to the successful repair cases of intermediate shaft and tail shaft. By checking the surface and magnetic particle method， the repairability of the shaft is preliminarily judged. Then， the measurement， data processing， bending state analysis of the shaft bending amount are made， the shaft is repaired by manual striking， and each process is described in detail. Through a series of practice， it is economical and feasible to repair the large forged shaft by manual striking.

Key words： Forged shaft;? Inspection;? Bending;? Repair by manual striking

1? ? ?前言

目前，大部分船舶使用柴油機(jī)或電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過螺旋槳的旋轉(zhuǎn)推動(dòng)水向后運(yùn)動(dòng)，水的反作用力使船前進(jìn)。推進(jìn)軸系的作用就是連接柴油機(jī)和螺旋槳，通常包括中間軸、尾軸及相應(yīng)的軸承等附件，中間軸和尾軸一般使用鍛件軸。

鍛造能消除金屬在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷、優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，鍛件的機(jī)械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。中間軸、尾軸都是單件或小批量生產(chǎn)，采用自由鍛、熱鍛方式。大型鍛件軸的生產(chǎn)過程包括準(zhǔn)備鑄錠或棒料、鍛造、第一次熱處理、化學(xué)成份分析、粗加工、第二次熱處理、超聲波探傷和機(jī)械性能檢查、精加工等過程。

中間軸、尾軸是船舶的核心零件，承受較大的交變載荷。在船舶營運(yùn)過程中，由于各種原因可能會(huì)導(dǎo)致軸系產(chǎn)生變形、損壞。發(fā)生彎曲、損壞后，一方面增加了船舶的振動(dòng)，另一方面加快了軸承的磨損速度，極易導(dǎo)致斷軸事故的發(fā)生，給航運(yùn)公司帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

某散貨船采用6S60MC-C8型柴油機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)，最大持續(xù)功率12 730 kW/105 r/min。推進(jìn)軸系中配備一根鍛件中間軸，尺寸為φ480×5 370 mm、重約8970kg。在建造過程中，該船發(fā)生意外火災(zāi)，導(dǎo)致中間軸彎曲變形;另一散貨船采用5S60ME-C8.2型柴油機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)，最大持續(xù)功率8 050 kW/89 r/min，尾軸尺寸為φ520×6995 mm、重約11 556 kg。該船在營運(yùn)過程中，發(fā)生了尾管軸承高溫報(bào)警，進(jìn)廠修理時(shí)發(fā)現(xiàn)尾管軸承后半段已損壞，同時(shí)尾軸產(chǎn)生了較大的彎曲變形。

中間軸、尾軸的生產(chǎn)周期長，價(jià)格昂貴。為了縮短修理周期，又不影響軸的力學(xué)性能，將上述船舶的中間軸、尾軸拆回車間，采用手工敲擊法進(jìn)行校正和修復(fù)，直到符合GB/T34001—2016中國修船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

本文以上述船舶的中間軸、尾軸的修復(fù)過程為例，敘述了大型鍛件軸彎曲量的檢測、軸彎曲狀態(tài)分析以及采用手工敲擊法進(jìn)行校正的方法及步驟。通過修復(fù)后的持續(xù)有效運(yùn)行，說明手工敲擊法校正大型鍛件軸是經(jīng)濟(jì)、可行的。

2? ? ?軸彎曲量的檢測

（1）將軸拆運(yùn)回車間后，對軸的表面進(jìn)行清潔，對有毛刺、擦傷、碰痕的地方用什錦銼修整光滑，整個(gè)過程注意做好軸頸的保護(hù)工作;

（2）采用磁粉探傷法檢查軸表面是否有裂紋，表面的細(xì)微裂紋應(yīng)用油石打磨處理直到裂紋消失;如有較深的裂紋，先局部打磨處理，測量處理后的軸頸數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度校核;對超出極限深度的鍛件軸作報(bào)廢處理，或與船級(jí)社達(dá)成一致的報(bào)廢時(shí)間;

（3）測量軸彎曲量時(shí)應(yīng)在常溫下進(jìn)行，確保長軸的各部分溫度與環(huán)境溫度相同。將兩端軸頸支撐在V型滾柱架上（見圖1），首先使用水平儀測量V型支撐架，保證支撐架的水平度，允許偏差小于0.02/1 000 mm;測量前應(yīng)將軸的軸向竄動(dòng)量控制在0.10 mm以內(nèi)，通過可旋轉(zhuǎn)的中心頂針限制軸向竄動(dòng)。為防止軸向竄動(dòng)，測量軸彎曲量時(shí)只沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)軸;

（4）測量軸頸的圓度，其偏差值應(yīng)小于0.02 mm;

（5）將軸分成若干段進(jìn)行測量（見圖2），測量點(diǎn)應(yīng)選在無銹斑、無損傷的軸頸截面上，測量并記錄各個(gè)截面的圓度數(shù)據(jù)。

（6）將軸的法蘭端面八等分，A點(diǎn)應(yīng)定在某個(gè)孔的中心位置，以防在擦除等分記號(hào)后失去軸向彎曲方位（見圖3）;

（7）為保證在測量時(shí)軸每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度一致，在法蘭外圓上畫出每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位置。在法蘭孔里插入木方，利用撬棍始終沿同一方向均勻地轉(zhuǎn)動(dòng)被測量軸;

（8）安裝百分表，并檢查是否在檢驗(yàn)有效期內(nèi);

（9）緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)軸，依次測量、記錄百分表在每一個(gè)截面各標(biāo)記點(diǎn)的讀數(shù)，并將數(shù)據(jù)記錄在圖4中;

（10）根據(jù)圖4計(jì)算出每個(gè)截面的彎曲向量值（即軸中心彎曲值），然后繪制截面彎曲向量圖（見圖5）;

（11）在尾軸的不同位置測量跳動(dòng)量，采用同樣的方法計(jì)算出每個(gè)截面的彎曲向量值，并繪制截面彎曲向量圖。

3? ? 軸彎曲狀態(tài)分析

（1）根據(jù)中間軸彎曲向量圖，該軸主要是向下彎曲，水平方向彎曲量較小，另外兩個(gè)方向的彎曲是向下彎曲后產(chǎn)生的分向量。消除向下彎曲后，另兩個(gè)方向的彎曲量會(huì)大幅減小，甚至消失;

（2）根據(jù)各截面彎曲向量圖繪制彎曲曲線圖，橫坐標(biāo)為軸中心線、縱坐標(biāo)為軸各截面同一方向的彎曲值;

（3）將上面各點(diǎn)連成兩條直線。在兩直線交點(diǎn)及其兩側(cè)再測兩個(gè)截面，將測得的各點(diǎn)連成平滑曲線，即為軸彎曲后的軸線，如圖6所示。

（4）尾軸最大彎曲方向的連線在同一縱向截面上，最大彎曲點(diǎn)在后軸頸前端，可以采用同樣的方法繪制出尾軸彎曲后的軸線圖;

（5）軸彎曲后的軸線圖中兩直線的交點(diǎn)，反映在軸上就是軸的彎曲處，也是軸的校正點(diǎn)。若該點(diǎn)有誤，不僅不能將軸校正，反而會(huì)將問題搞復(fù)雜甚至造成軸的報(bào)廢。所以準(zhǔn)確確定軸的校正點(diǎn)特別重要，需要細(xì)心操作。

本文敘述的中間軸、尾軸的彎曲基本上都只有一個(gè)方向。對于有幾個(gè)方向彎曲的軸類，需要分方向繪制彎曲曲線圖，或在三維坐標(biāo)系內(nèi)建立彎曲模型。

4? ? 軸的校正

鍛件中間軸、尾軸的化學(xué)成份基本一樣，主要成份都是含Mn（0.3～1.5）%、C≤0.65%、Si≤0.45%、P≤0.035%、S≤0.035%，硬度為（160～200）HB。中間軸的抗拉強(qiáng)度≥560 MPa、屈服強(qiáng)度≥280 MPa;尾軸的抗拉強(qiáng)度≥600 MPa、屈服強(qiáng)度≥300 MPa。發(fā)生事故時(shí)，中間軸是靜止的，所以只有一個(gè)方向彎曲;而尾軸是正在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生事故的，但溫度比中間軸發(fā)生事故時(shí)低。

（1）將兩端軸頸支撐在V型滾柱架上，結(jié)合法蘭面的跳動(dòng)，將被校正軸的最大彎曲的凹部朝上;

（2）使用平頭、圓頭的鋼錘或銅錘敲打軸最大彎曲的凹部，使該處金屬伸展釋放應(yīng)力逐漸變直。在圓周方向，敲擊量從中心往兩邊逐漸減少;從最大彎曲處往兩端約150 mm范圍內(nèi)，敲擊量也是遞減的;

（3）敲擊過程中，不得敲擊中間軸軸承位，也不得敲擊尾軸工作軸頸和錐體，并要注意保護(hù)非工作軸頸表面，不得有明顯的凹坑;

（4）每敲打完一遍，檢查一次軸的彎曲情況，重新確定敲擊位置并與上一次的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。軸的伸直量，剛開始時(shí)變化較大，隨著敲擊的進(jìn)展軸表面逐漸硬化，軸的伸直量變化較小;如果經(jīng)過多次敲打后伸直效果不明顯時(shí)，需將軸表面加熱到300℃～400℃進(jìn)行低溫退火。退火后，再按同樣的方法進(jìn)行人工敲打;注意不要校正過度，要防止軸表面產(chǎn)生較大的反方向彎曲，反向彎曲量控制在0.01～0.03 mm;

（5）對于有幾個(gè)方向彎曲的直軸，軸的校正需要分兩步進(jìn)行。第一步先將軸的彎曲曲線調(diào)校到一個(gè)平面，第二步再在同一個(gè)平面內(nèi)校正;

（6）將敲擊部位進(jìn)行低溫回火，消除內(nèi)應(yīng)力和表面硬化;

（7）將敲擊部位用細(xì)砂紙拋光，進(jìn)行磁粉探傷檢查、測量并記錄硬度數(shù)據(jù);

（8）軸上車床檢測跳動(dòng)量，檢驗(yàn)彎曲部位的校正效果。上述中間軸校正后的跳動(dòng)量，滿足中國修船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T34001-2016要求。

5? ? 結(jié)論

采用手工敲擊法校正的上述中間軸已使用了六年、尾軸使用了四年，另一條重吊船的尾軸也使用了五年，軸系運(yùn)轉(zhuǎn)情況都很好。采用此方法節(jié)省了大量的制造費(fèi)用和船舶因停航帶來的損失。相對于熱校正、機(jī)械施壓法，手工敲擊法校正大型鍛件軸精度高、應(yīng)力小、不產(chǎn)生裂紋、經(jīng)濟(jì)性好。

目前，只是總結(jié)了軸彎曲量的測量和手工敲擊校正的方法和步驟，校正方法只有定性分析。下一步要根據(jù)軸的具體尺寸、化學(xué)成份、機(jī)械性能以及彎曲的大小和方向，更加深入地研究手工敲擊的力度、數(shù)量、區(qū)域和方位等方面的內(nèi)容，從而進(jìn)一步提高校正效率和使用壽命。

參考文獻(xiàn)

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