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高速發展的五年。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%，完成工業增加值1 662億元，增加值占工業總產值比重達24%，實現銷售收入超過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，經濟運行質量顯著改善，投資主體進一步多元化，我國已經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。

曲軸是發動機對外輸出動力的核心部件，是驅動車、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量大，材質要求特殊，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，端面平面度要求在0.03mm以內。

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 創新加工方案

依據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，根據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，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），測量數據見表1。

圖5 曲軸輸出端跳動項目

表1 曲軸跳動數據

分析上述數據，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現，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導致的曲軸質量不合格現象，進而使曲軸產品質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。

該工藝系統能避免曲軸鉆法蘭孔后跳動超差，通過提高工件的剛度，優化切削參數，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量。該工藝系統簡單易行，切合實際[4]。

該工藝系統以最基本的原理為出發點，有效解決了曲軸生產過程中的質量問題[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：機械工業出版社，2007.

[3] 張國寶.裝備制造業的自主創新問題[J]. 求是,2008(8).

[4] 畢克新,丁曉輝,馮英浚. 制造業中小企業工藝創新及測度評價現狀和發展[J].科研管理，2002(2).

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