船用曲軸精加工裝夾方法研究與應用

曹守啟，趙洋，朱雅雯，付淑漫

(上海海洋大學工程學院，上海 201306)

大型半組合式船用曲軸的加工主要包括鍛造、粗加工、紅套和精加工幾個過程。作為大型半組合船用曲軸制造的最后工序，精加工是曲軸加工成功與否的關鍵，是保證曲軸最終質量的關鍵，是衡量曲軸加工能力和水平的重要標準［1-2］。在紅套后，各主軸頸的軸線并不完全同軸，必須經過整體精加工，以確保曲軸精度滿足工藝要求。

曲軸的精加工一般安排在帶回轉刀架的專用曲軸機床上進行，由于曲軸軸向、徑向尺寸大，形狀復雜，剛性差，在重力、回轉離心力的作用下容易產生復雜的撓曲變形，曲軸精加工過程極為復雜［3］。該過程的裝夾方案對保證加工精度至關重要。

1 傳統的裝夾方法及加工過程變形分析

軸類加工過程中，傳統的裝夾方法為一夾一頂，以軸心線為基準進行車、磨、銑等機械加工［4］。其中，卡盤-頂尖裝夾及其力學模型如圖1 所示。

在卡盤的一端，曲軸的撓度和轉角為0，在頂尖一端其撓度和彎矩為0。為描述此裝夾方式對半組合式船用曲軸加工精度的影響，以某型號曲軸為例，模擬實際加工過程，應用ANSYS 軟件進行有限元分析。按照傳統裝夾方式的定位原理對曲軸添加約束，分析重力作用下其軸向變形值，如圖2 所示。

圖1 卡盤-頂尖裝夾力學模型

圖2 卡盤-頂尖裝夾方式下曲軸的軸向變形

卡盤-頂尖裝夾情況下獲得的軸向變形表明，采用傳統的裝夾方式，軸的彎曲變形量較大，不能滿足半組合式船用曲軸這種極端制造的加工精度要求［5］。因為其質量上百噸，在重力的作用下，曲軸自身產生較大的變形。此外，其整體長度近8 m。而根據實際加工情況:當軸類工件的長度和直徑比超過2.5 倍以上，工件的剛性會減弱，切削力作用使工件變形加大;切削過程中，會產生振動，加工出現較大的誤差。因此需要改進裝夾方法確保加工質量。

2 利用中心架為輔助支撐減小工藝系統變形

為保證整體精加工精度，提高工件的剛性和切削穩定性，在傳統裝夾方案的基礎上，引入中心架結構作為輔助支撐，采用車床卡盤與支撐中心架組合的方式裝夾工件。機床自定心卡盤定位夾緊，沿軸向中心架支撐定位。此外，在曲軸與卡爪接觸的夾緊處墊圓鋼棒，使工件與卡爪之間的夾持變為線接觸，起到了類似于萬向節的作用，保證了曲軸的自由狀態。曲軸的各段軸頸均由中心架支撐，增強了大型曲軸的剛性，減小長軸的彎曲變形。加工中，通過調整中心架來保證主軸頸的同軸度。

在半組合式船用曲軸的實際生產中，一般采用數控曲軸專用車床閥臺式固定中心架(CNC Crankshaft Lathe Valve Stand Steady Rest)支撐各個軸頸。以5S60MC 型曲軸為例，此型號曲軸共有7 個軸頸需要支撐，根據圖3 所示，各支撐編號由1 到7。

圖3 精車半組合式船用曲軸時支撐中心架的作用位置

實際生產中，待加工曲軸的曲拐數決定了所需支架的數目，根據車床的加工能力和曲軸的尺寸選用不同型號的支架，選取時應考慮支撐的高度和寬度。首先，應保證中心架足夠高，曲拐旋轉時支架與機床不產生運動干涉，其次寬度也應與主軸頸長度匹配，若寬度過大，而主軸頸的尺寸小，則支撐就無法放置。

3 中心架的結構及其工作原理

3.1 中心架結構

中心支架與曲軸接觸部分通常由一個中間支撐和兩邊的兩個對稱分布的斜支撐組成。它們由液壓和機械系統共同控制，其中液壓系統主要用于支撐的快速調節。機械系統主要由齒輪組組成，斜齒輪帶動直齒輪，然后帶動絲桿，從而使圓柱支撐上下運動［6］。這一部分用于加工過程中支架的微調，保證加工工件的同軸度，滿足徑向跳動要求。一種閥臺式固定中心架見圖4。

圖4 一種閥臺式固定中心架

3.2 斜支撐和中心支撐的受力分析

中心架有中心支撐和斜支撐兩種結構。其中，中心支撐是指中間圓柱支撐與工件接觸，相當于中心點定位。而斜支撐是兩側的圓柱支撐同時與曲軸軸頸外圓接觸，起定位作用。在ANSYS 軟件中，建立單個曲柄和相鄰兩主軸頸模型，分別采用斜支撐和中心支撐兩種方式對曲柄主軸頸結構進行有限元分析，結果如圖5 所示。

圖5 斜支撐、中心支撐作用下變形情況

比較獲得的整體變形數據:首先，相較于傳統的一夾一頂裝夾方式，中心架作用下的曲軸變形要小得多，整體上滿足曲軸精加工對定位的要求。此外，比較斜支撐和中心支撐作用下的變形值可知，兩邊定位的斜支撐較中心支撐精度高，定心更精確。

3.3 支撐組合方式

值得注意的是，對于紅套后的半組合式曲軸，其整體是不平的，各軸頸間的同軸度不能很好地保證，此時，若支撐的定位精度太高，反而不利于曲軸整體同軸度的保證。因此，在曲車上剛上機床調整時，只有2、6 檔采用中心架兩端斜支撐，其余1、3、4、5、7 檔使用中心支撐。將中心支撐設置為自適應式，使之可以上下微小浮動，作為輔助支撐使用而不起定位作用。通過整理和分析各檔軸頸初始跳動數據(如表1 所示)，采用上述支撐定位方法可以滿足加工要求。之后，經過粗車修正曲軸各個軸頸，保證各個軸頸間相對精確的同軸度和曲軸整體的直線度。

表1 曲軸跳動表

在進行第一次從頭到尾的曲軸跳動整體修正，修好軸頸的圓柱度的過程中，由于某些軸頸存在較大橢圓度，選擇全部采用中心支撐的方法。先將各檔軸頸橢圓度車去，再進行跳動的修正，減少橢圓度給跳動帶來的影響。表2 是粗加工后個軸頸的跳動情況，根據數值可知，上述加工方法所得的各軸頸值符合加工要求。

表2 粗加工

隨后的精車，目的是修正曲軸達到設計要求。目前，德國采用的是在車床上主軸頸全部用斜支撐，每加工好一個主軸頸就將其換成中心支撐，直到加工完成。日本采用的是將第1、4、7 號主軸頸用斜支撐，3、5、6 號主軸頸用中心支撐，同時以2 號主軸頸為基準進行加工，加工過程中支撐不改變。

綜合上邊兩種方法的優點并根據實際加工條件，全部采用斜支撐定位，來保證定位的精度。加工哪個主軸頸就把那個主軸頸的支撐撤去，使加工處的軸頸檔處于自由狀態，而相鄰兩端軸頸檔用斜支撐。加工中，不斷地用百分表測各曲拐的開檔度，從而計算出曲軸頸的不平行度，之后根據加工經驗微調支撐，直到滿足加工要求［7］。這種中心架支撐的組合使用方法能獲得更高的加工質量并可有效提高生產效率。

4 結論

曲軸精加工過程中，在傳統裝夾方法的基礎上，增加中心支架支撐組后，能夠顯著提高曲軸加工精度，但同時由于支架會相互影響，調節其中一個會影響全部主軸頸的加工精度，很難準確確定支架需要調整的方向和高度［8］。實際生產中，進行調節時，通過測量拐檔之間的相互影響，反復調試，生產效率低。運用先進的激光測量技術、計算機模擬仿真技術輔助進行中心支架的調整，對半組合式船用曲軸的加工效率和質量的提高將具有重要指導意義。

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