超大型船用曲軸關鍵制造技術的分析

張克斌， 張 帆

1.上海船用曲軸有限公司 上海 201308 2.上海海事大學 物流工程學院 上海 201306

1 研究背景

國際制造業的產業轉移是我國船舶制造業發展面臨的機遇，近十年來，我國船舶制造業在全球市場上所占的比重正在明顯上升，我國已經成為全球重要的造船中心之一［1］。

船用曲軸作為船用柴油機的關鍵部件，被譽為船用柴油機的心臟，對船舶的安全起著至關重要的作用［2］。由于其質量大、加工精度要求高、制造技術難度高，業內常用是否具備大型曲軸制造能力來衡量一個國家的造船工業水平［3-6］。為了進一步提升我國造船工業的制造水平和配套能力，上海船用曲軸有限公司經過多年持續攻關，攻克了超大型對接超長沖程曲軸產品國產化制造過程中涉及的紅套、精加工和拼接等眾多關鍵技術，大大提升了我國船用關鍵零部件的制造能力，有力推動我國從造船大國向造船強國邁進的步伐，為國家經濟建設提供強有力的保障。

2 超大型船用曲軸技術參數

上海船用曲軸有限公司是我國起步最早、技術力量最集中、生產能力最強的船用柴油機曲軸專業制造企業，前期的船用大功率低速柴油機曲軸攻關已經攻克了單根S90曲軸的關鍵制造技術［7-9］，但對于拼接型S90甚至108等超大規格曲軸的制造，仍在探索中。

10S90 ME-C超大型低速船用柴油機曲軸不僅制造精度高，而且質量、尺寸遠遠超過一般船用曲軸，生產加工屬于典型的極端制造。筆者以10S90 ME-C超大型船用曲軸為例，對相關制造關鍵技術進行分析和探討。10S90 ME-C超大型船用曲軸主要技術參數見表1，其三維模型如圖1所示。

10S90 ME-C超大型船用曲軸主要由曲拐、主軸頸、輸出端、自由端組成，模型如圖2所示。

表1 10S90 ME-C超大型船用曲軸技術參數

圖1 10S90 ME-C超大型船用曲軸三維模型

圖2 10S90 ME-C超大型船用曲軸關鍵部件模型

3 紅套技術

我國目前主要采用垂直紅套方式完成曲軸各部件的組裝，通過電磁加熱使曲拐紅套孔擴張，使曲軸主軸頸在豎直方向套入，并達到設計圖紙的過盈量，使紅套后的曲軸形成一個整體，同時也可以在一定程度上降低整軸的彎曲度，為后續加工奠定良好基礎［10-11］。10S90 ME-C超大型船用曲軸的紅套也采用這種方式，但這一曲軸具有紅套過盈量大、曲拐分布不對稱、單段曲軸質量大的特點。為應對1090 ME-C超大型船用曲軸的特殊性，并保證曲軸紅套質量，在曲軸紅套過程中采取了重新制造專用紅套加熱設備、加強曲軸與紅套平臺之間的固定連接、不等高墊塊紅套方式三項措施，不但保證了曲軸在紅套過程中的可靠性、安全性，而且有利于提升最終的曲軸紅套質量。曲軸紅套過程如圖3所示。

圖3 曲軸紅套過程

在紅套過程中選用的是200～1 000 Hz范圍內的中頻電磁感應加熱器，通過控制200～1 000 Hz低頻率電磁感應功率變化與曲拐紅套孔熱變形的規律，有效消除了由于曲拐紅套孔周圍材質體不均勻而造成的紅套孔熱變形不均勻問題，使紅套孔擴張后達到圓度小于0.5 mm的高質量標準。10S90 ME-C超大型船用曲軸的紅套過盈量為3.02 mm，是普通曲軸過盈量的兩倍。根據10S90 ME-C超大型船用曲軸中曲拐部件的尺寸，必須專門制作直徑1 200 mm、高420 mm的圓形加熱器，以及長2 000 mm、寬180 mm、高420 mm的矩形加熱器。

曲軸在進行紅套時，每個曲拐的角度不同，會導致質量不平衡，曲軸會向不同的方向偏斜，造成曲拐紅套孔不垂直，影響曲軸的紅套質量。因此，必須將曲軸端部置于專用的可調式曲軸紅套平臺上，通過曲軸紅套平臺的六個雙向液壓油缸的調節，以達到曲軸整體水平不大于0.12 mm／m的要求。另外，由于10S90 ME-C超大型船用曲軸由兩段曲軸拼接而成，因此單段曲軸曲拐的位置并不像普通曲軸那樣對稱分布，而是偏置排布，尤其是自由端所在這段曲軸，五件曲拐中的四件集中在140°范圍內，且單個曲拐質量達22 045 kg。曲軸偏重現象非常嚴重，紅套過程中存在曲軸傾倒的風險，而且也給曲軸紅套平臺液壓油缸調整水平帶來困難。

為了解決以上問題，曲軸在紅套過程中采取了兩方面措施。一方面，加強曲軸與紅套平臺之間的裝卡，分別將兩段曲軸紅套連接法蘭固定于紅套平臺上，連接法蘭厚度為165 mm，直徑為1 870 mm。曲拐自身有足夠強度，且相對于曲軸自由端和輸出端外法蘭裝卡更簡便。通過強度良好的壓板和螺栓，將連接法蘭固定于紅套平臺上，保證曲軸在紅套過程中的安全性。另一方面，通過內撐檔和外壓板增強曲拐在紅套過程中的剛性。由于單段曲軸有五件曲拐，著重保證第三到第四件曲拐的水平度，即使最后一件曲拐紅套無法調整水平，也不影響曲軸的整體紅套質量。

若采用三塊高度一致的墊塊控制曲軸整體長度，將會導致曲軸整體的彎曲度處于1～3 mm之間，對后續加工非常不利。另外，由于10S90 ME-C超大型船用曲軸存在嚴重的偏重現象，有可能造成曲軸更為嚴重的彎曲。經曲軸紅套數據分析，曲拐在經過350℃加熱后，再冷卻至常溫，其總厚尺寸并沒有發生變化，且上下平面的平行度與加熱前基本一致。整軸的彎曲主要由于在紅套過程中主軸頸軸線的傾斜和曲軸紅套孔的局部變形而導致。

另外，曲軸在機床加工后，單個軸頸的車削量取決于此軸頸相對于整根曲軸軸線的偏差值?；诶碚摲治?，只要控制曲軸在紅套過程中主軸頸軸線的傾斜方向，就能有效降低曲軸因紅套而產生的彎曲度。控制主軸頸軸線傾斜方向的基礎，就是曲拐總厚尺寸和上下平面的穩定性。首先，選取第一號缸曲拐下平面為基準。然后，測量均布六點的尺寸及兩曲拐之間的距離。最后，以基準平面為零點累加各檔尺寸，根據得出的六列數據差值可以直觀地發現該檔主軸頸的傾斜方向。基于計算的數值，放置不等高墊塊，修正下一檔主軸頸的傾斜方向，使整軸的各檔主軸頸成螺旋狀上升，從而減小各檔主軸頸與曲軸整體軸線的差值，提高曲軸紅套質量。良好的紅套質量不但可以降低后續曲軸整體精加工過程中軸心的調整難度，而且可以降低曲軸的制造難度，減小曲軸整體的加工余量。

4 精加工技術

10S90 ME-C超大型船用曲軸精加工技術的關鍵，在于如何克服曲軸偏重帶來的不利影響。通過牌樓支撐和刀具改進來完成10S90 ME-C超大型船用曲軸的精加工，使曲軸最終加工的各項形位精度滿足圖紙要求。10S90 ME-C超大型船用曲軸形位公差主要參數見表2。

表2 10S90 ME-C超大型船用曲軸形位公差參數

由于10S90 ME-C超大型船用曲軸中的兩段曲軸質量分別為180 000 kg和200 000 kg，且主軸頸有六檔，這使得每檔主軸頸承受的質量遠遠超出普通曲軸。每檔主軸頸所承受的質量較大，導致曲軸在加工過程中整根曲軸軸心的調整更加困難，同時也會在一定程度上放大曲軸偏重的影響。10S90 ME-C超大型船用曲軸精加工要求如圖4所示。

由于10S90 ME-C超大型船用曲軸主軸頸和曲柄銷外圓寬度分別為440 mm和380 mm，因此目前尚無相應的寬刃刀具能夠滿足加工要求，只能通過330 mm寬度刀具拼刀加工完成。10S90 ME-C超大型船用曲軸由于存在偏重現象，導致在加工過程中主軸頸外圓容易產生橢圓，所以要保證曲軸主軸頸和曲柄銷外圓的表面粗糙度與平直度是精加工的難點。選擇刀具時，對寬刃刀的刀刃材料和刀體結構有很嚴格的要求，不但要求刀刃在低轉速的情況下能夠順利實現切削，而且必須保證曲軸表面粗糙度Ra達到圖紙要求的0.4μm。寬刃刀刀體結構的設計也很重要，不但要求能夠吸收一定的振動，而且要給刀具提供強有力的支撐。選用當今切削材料中最先進的超微粒硬質合金鋼作為寬刃刀材料，其精加工主軸頸表面粗糙度Ra為0.4μm，符合曲軸精加工要求。

5 拼接技術

10S90 ME-C超大型船用曲軸在兩段曲軸完成加工后，必須完成兩軸拼接，整軸交付客戶檢驗驗收。這意味著不僅單段曲軸加工質量要求高，而且鏈輪、兩件連接法蘭三處孔的加工位置精度和尺寸精度同樣要求很高。另外，孔的加工質量也將直接影響拼接后整軸的形位公差質量。

針對孔加工的位置精度和尺寸精度要求，前后共設計了三種加工方案。

方案一，鉆模加工。分別將高精度鉆模組裝于輸出端段曲軸法蘭、鏈輪及自由端段曲軸法蘭，使用高精度鏜孔刀具分兩次完成三件零件上法蘭孔的加工。由于三處孔分兩次加工，存在找正和加工誤差，因此加大了組裝難度和整軸軸線的找正難度。但方案一的優勢在于簡單直接，所需工裝易于采購。

方案二，便攜式鏜孔機三零件組裝加工。將三零件預先組裝，待整軸調整完畢后，安裝便攜式鏜孔機，一次性完成三零件上的孔加工。但是，由于曲軸空間僅700 mm，加工行程需440 mm，根據目前的設備信息，難以滿足加工要求。若定制專用設備，則投資巨大。方案二的優勢在于加工簡單有效，能保證三處孔的位置精度和尺寸精度，且不影響整軸調整。

方案三，曲軸法蘭孔與鏈輪孔分開加工。方案三由方案二演變而來。將輸出端段曲軸法蘭與自由端段曲軸法蘭預連接，但不安裝鏈輪，減小加工行程至330 mm，便攜式鏜孔機可以順利安裝加工。曲軸兩法蘭孔一次加工完成后，整軸交客戶檢驗。分開曲軸，通過工裝單獨安裝鏈輪和標準墊塊，由鏜床完成鉆孔。由于鏈輪孔分開加工，與曲軸法蘭孔存在找正和加工誤差。另外，需要與客戶溝通讓其接受鏈輪置后檢驗，且不與整軸連接，僅安裝于單段曲軸。方案三的優勢在于保證兩曲軸法蘭孔對接精度，且不影響整軸調整。綜合考慮加工的可靠性和性價比，建議方案二優先，方案三其次，方案一最末。

待三件零件的孔完成加工后，需要實現兩段曲軸的拼接。針對兩段曲軸拼接，有兩套定位方案。

方案一，分段式銅銷定位。設計定位銅銷，僅處于零件連接位置，與孔過盈0.01 mm配合，通過液氮冷卻組裝。曲軸檢驗完畢后，使用千斤頂取出銅銷，也可通過加工去除銅銷。方案一操作復雜，但優勢在于成本低。

方案二，液壓螺栓定位。通過液壓螺栓定位零件，操作簡單，但需定制直徑135 mm的液壓螺栓。綜合考慮組裝效果和成本，建議方案一優先，方案二其次。

拼接完成后的10S90 ME-C超大型船用曲軸如圖5所示。

圖5 拼接完成后10S90 ME-C超大型船用曲軸

6 結束語

近年來，我國船舶工業在技術創新方面雖然取得了顯著進步，但與國外造船業先進技術水平相比，仍然存在一定差距，尤其是以超大型船用曲軸為代表的船舶配套業，嚴重滯后于造船業發展，是我國船舶工業產業鏈長期存在的短板，一直影響著我國船舶工業整體國際競爭力和盈利水平的提升。因此，攻克超大型船用曲軸的關鍵制造技術，不但能夠進一步推動上海船用曲軸有限公司的產品結構調整和轉型升級，而且對于推動我國從造船大國向造船強國轉變也具有十分重要的意義。