超大型拼接式船用曲軸的制造技術研究

上海船用曲軸有限公司 上海 201308

1 研究背景

目前，船用曲軸的研制技術僅少數國家掌握,主要集中于日本、韓國，并形成技術封鎖。國內超大型拼接式船用曲軸的加工技術還處于起步研究階段,只能依賴于進口,導致國產超大型拼接式柴油機的發展受到嚴重制約,造成超大型拼接式柴油機市場主導權旁落他國。

筆者對12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸的紅套、精加工、拼接、校調技術進行研究分析,為自主研制超大型拼接式船用曲軸,掌握核心制造技術,提升船舶核心部件配套能力奠定基礎，進而促進我國船舶業的持續蓬勃發展。

2 超大型拼接式船用曲軸技術參數

12S90ME-C拼接式船用曲軸安裝在由我國首次建造的世界最大、最新型21000TEU集裝箱船用柴油機上,如圖1所示。12S90ME-C系列曲軸符合MAN B&W公司最新技術標準,總長達23 m,總質量為452 t,如圖2所示。

在制造方法方面,12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸與原有曲軸相比較,沖程更長,自身長度極長，且質量極大。這一曲軸不宜采用毛坯整體鍛造成型的工藝,而是需要采用分段制造的方法,將整段曲軸設計成前后兩段制造加工,最后對兩段單套半組合式船用曲軸進行拼接。

圖1 12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸及柴油機

單套半組合式船用曲軸分別由曲拐、主軸頸、輸出端、自由端組成,曲臂直接加工成一個整體，即曲拐。12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸關鍵零部件模型如圖3所示。

12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸主要技術參數見表1。

圖2 12S90ME-C系列曲軸

圖3 12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸關鍵零部件模型

表1 12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸主要技術參數

3 紅套技術

12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸裝配時，通過曲拐和軸頸的過盈配合進行連接。目前,常用的過盈配合連接方法有三種:熱過盈、冷過盈、液壓過盈。考慮到這一軸頸與曲拐裝配過程中工藝實施的有效性、可操作性等因素,采用熱過盈配合連接方法,即紅套技術。利用金屬材料熱脹冷縮的物理特性,采用中頻電磁感應加熱方式對鍛件進行加熱。在孔與軸頸有一定過盈量的前提下,對孔加熱,使之脹大。然后將軸頸垂直套入脹大的孔，即紅套孔中,運用不等高墊塊修正垂直套入紅套孔的軸頸傾斜方向。安裝結束冷卻后,曲拐紅套孔冷卻形狀復原,曲拐紅套孔壁與軸頸之間產生較大的正壓力,使曲拐和軸頸通過過盈配合結合起來,形成能傳遞扭矩、軸向力的結合體[1]。紅套技術如圖4所示，其工藝流程如圖5所示。

對曲拐紅套孔需要嚴格有效控制加熱過程,實時監測曲拐的相關參數,以達到紅套技術需要的膨脹要求。目前，加熱方法主要有煤爐加熱、燃氣加熱、電磁感應加熱三種,性能對比見表2。

圖4 紅套技術示意圖

圖5 紅套技術工藝流程

表2 常用加熱方法性能對比

通過表2三種加熱方法性能對比可見,相比傳統方法,電磁感應加熱更容易操作,加熱深度與區域可精確控制,效率高,可實現自動化控制,加熱過程安全,且不會對環境造成污染。

電磁感應加熱利用交變磁場使工件自身產生渦流而發熱,以電能作為能量來源,加熱是非接觸式的。通過對感應線圈的特殊設計,能夠解決由于曲拐紅套孔周圍質體不均勻而造成的紅套孔變形不均勻問題,有效控制紅套孔圓度小于0.5 mm的公差。對金屬進行感應加熱,有10 kHz～100 kHz高頻、0.2 kHz～10 kHz中頻、50～150 Hz工頻三種頻率范圍。相比于其它兩種加熱頻率,中頻電磁感應加熱時加熱深度較深,溫度較為均勻,感應加溫容易控制和操作[3]。基于上述分析，利用中頻電磁感應加熱方法對曲拐紅套孔進行加熱[2]。

針對12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸,可根據集膚效應、鄰近效應、圓環效應等基本理論進一步研究曲拐紅套孔感應加熱過程的數學模型,確定感應加熱關鍵問題及工藝參數。如圖6所示,通過自主開發專用中頻電磁感應加熱裝置，解決由于曲拐紅套孔周圍質體不均勻造成的紅套孔受熱后變形不均勻問題,控制曲拐紅套孔加熱溫度達到330～380 ℃范圍,使紅套孔達到圓度小于0.5 mm的高質量標準,極大提高曲軸紅套技術的效率和質量[3-4]。

圖6 中頻電磁感應加熱裝置

4 精加工技術

曲軸精加工是曲軸制造過程的關鍵技術之一,曲軸通過精加工達到設計圖紙的尺寸、形位公差和粗糙度要求,確保軸線平直對中。由于超大型半組合式船用曲軸彎頭多、形狀復雜、剛性差，在重力、回轉離心力和機床裝夾的作用下容易產生復雜的撓曲變形,因此精加工難度非常大。通常在船舶壽命期內不允許更換曲軸,因此曲軸各項性能要求十分苛刻。12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸工藝技術指標見表3。

表3 12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸工藝技術指標

5 刀具材料分析

采用專用加工車床進行曲軸精加工。在曲軸的精加工過程中,刀具的選擇至關重要,刀具材料的性能是影響加工表面質量、切削效率和刀具壽命的重要因素。通常,刀具材料應具備高硬度、高耐磨性，以及足夠的強度、韌性、耐熱性等。船用曲軸寬刃刀具的材料有特殊性,應根據切削參數、加工表面質量要求進行分析[5-6]。

5.1 耐熱性

耐熱性指在高溫條件下,刀具切削部分的材料保持常溫時硬度的性能。一般而言,耐熱性越好,材料允許的切削速度就越快。對于用于船用曲軸主軸頸和曲柄銷外圓精加工的寬刀,其刀刃長度與曲軸主軸頸和曲柄銷長度一致,一般長達200～370 mm。如此長的切削刃同時參與切削,必將導致切削力大大增大。為了減小切削力，需要減小背吃刀量,一般精加工時背吃刀量僅為0.01 mm。另外，曲軸主軸頸和曲柄銷外圓的表面粗糙度與形位公差要求很高,精加工時進給量主要根據表面粗糙度要求進行選擇,不宜很大,通常而言,精加工時的進給量設置為0.01 mm/min。關于切削速度,以主軸頸部位為例,其直徑為720～890 mm,因此半組合式船用曲軸尺寸、質量均很大,將導致加工時切削速度很慢。通常精加工時，切削速度取0.5～1.0 r/min。在切削參數取值范圍內,切削溫度升高值較小。由于船用曲軸尺寸較大,散熱面積較大,散熱條件較好,因此切削加工時產生的熱量容易散發,這進一步限制了工件和刀具的溫升。由于溫升值較小,對船用曲軸寬刃刀具材料耐熱性的要求大為降低。

5.2 強度、韌性、硬度和耐磨性

半組合式船用曲軸是大型船用柴油機的重要組件,其壽命決定著柴油機的使用壽命。曲軸工作時,承受氣體壓力、慣性力及慣性力矩的作用,受力大且復雜,并且承受交變載荷的沖擊作用。目前常用的曲軸材料為S34MnV,以保證曲軸具有足夠的抗拉強度、抗扭強度、疲勞強度和良好的承受沖擊載荷能力,相應給用于曲軸加工的刀具提出了較高要求。

船用曲軸主軸頸和曲柄銷外圓的特征尺寸很大,這導致在一次裝夾切削加工中,刀具的切削量很大。盡管采用較小的切削量以減小切削力,但是由于寬刃刀具同時參與切削的刀刃較長,切削力仍然較大。以上兩個部位的表面加工精度要求又很高,表面粗糙度Ra要求達到0.8 μm。在如此惡劣的加工條件下,為了保證加工表面質量,要求在一次切削加工過程中,刀刃不發生崩刃和破損現象,且磨損量微小,即對刀具材料的強度、韌性和耐磨性提出了很高要求。

關于刀具材料的硬度,最基本要求是高于工件材料的硬度,以保證可以完成切削。從提高加工表面質量出發,刀具材料硬度提高,其耐磨性也相應提高,有利于保證加工表面的精度要求,因此對船用曲軸寬刃刀具材料的硬度提出較高要求。

近年來開發了一種新型合金材料——超微粒硬質合金[7]。所謂超微粒，指直徑小于1 μm的碳化鎢粉末與鈷粘結相組成的硬質合金,其硬質相碳化鎢顆粒的粒度比普通硬質合金中碳化鎢顆粒的粒度小一個數量級。根據晶粒細化理論,小的顆粒粒度可以提高材料的硬度。由于顆粒粒度微小,碳化鎢顆粒周圍起粘結作用的鈷成分的厚度很薄,且折斷起始尺寸小，使材料的抗彎強度提高。由此可以認為,超微粒硬質合金能夠同時提高材料的硬度和抗彎強度。與普通硬質合金相比,超微粒硬質合金在硬度相同時強度高，在強度相同時硬度高,因此可以滿足船用曲軸寬刃刀具材料高耐磨性、高強度和高硬度的要求。需要指出的是,超微粒硬質合金的優異性能只適用于低溫條件。在高溫狀態下,超微粒硬質合金容易出現慢性變形,在切削速度快的情況下使用時,有時還會產生塑性變形、磨損增大等現象。對于船用曲軸寬刃刀具而言,進行精加工時切削速度很慢,工件和刀具的溫升較小,因此超微粒硬質合金的這一缺點并不會影響使用[8]。綜合上述分析,最終選擇超微粒硬質合金作為船用曲軸寬刃刀具切削部分的材料。超微粒硬質合金寬刃刀具如圖7所示。

圖7 超微粒硬質合金寬刃刀具

6 拼接技術

針對上述拼接孔的技術要求,常規采用的分別鉆模加工零件方法,雖然加工操作簡易方便,但是存在找正和加工誤差等問題,提高整體拼接難度和整體軸線找正難度,因此不宜實現。經過反復摸索論證,針對12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸結構和拼接孔加工,研制出XCTH650專用鏜孔機,可用于狹小空間中孔的加工。12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸的拼接孔在兩段曲軸拼接后同時加工,具有加工精度高、加工空間小等特點,加工難度非常大。XCTH650專用鏜孔機具有可在狹小空間加工、加工精度高，且設備裝拆、運輸方便等特點,用于大型曲軸對接法蘭孔維修和加工,可以縮短加工時間,提高生產效率。XCTH650專用鏜孔機采用模塊式設計,安裝、操作方便簡單,操作人員在較短的時間內就能夠掌握操作要領。

XCTH650專用鏜孔機固定于曲軸拼接孔兩側軸頸上,采用鏜桿旋轉,差動實現刀具旋轉，進行移動加工。對于孔粗糙度，采用專用珩磨工具進行拋光,加工后達到孔精度要求,解決了12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸拼接孔加工的問題。

XCTH650專用鏜孔機結構如圖8所示,由床身、安裝座、鏜桿、進給箱、驅動裝置等組成。

圖8 XCTH650專用鏜孔機結構

7 校調技術

12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸由兩段半組合式曲軸拼接而成,整根曲軸質量達到453 t,拼接后長度達到23 m。拼接時要求兩段曲軸同軸,曲軸臂距差小于0.02 mm,軸頸跳動小于0.06 mm,而且各缸角度符合圖紙要求,拼接技術難度極大。如何對曲軸進行校調，是制造拼接式曲軸的關鍵技術之一[9-10]。

鑒于曲軸拼接特點、曲軸結構特殊性,要調整曲軸同軸，必須具備高精度可調試支架、拼接把緊螺栓等。使用可調試支架對曲軸每檔軸頸進行支撐,并進行精度調整。

研發了專用高精度可調試支架,單個支架可支撐質量達50 t,調整精度可達0.01 mm。按照曲軸軸頸支撐位置將可調試支架固定在專用承重導軌上,使曲軸落在可調試支架上進行校調。

12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸校調方法如下:

(1) 在承重導軌上確定可調試支架位置,并擺放固定,如圖9所示；

圖9 可調試支架位置

(2) 預先調整好斜支撐中心位置,修整所有可調試支架支撐墊塊;

(3) 將前段曲軸放置在可調試支架上,用天車帶動,手動調節曲軸臂距差、跳動值，直至達到圖紙要求;

(4) 將后段曲軸放置在可調試支架上,用天車帶動,并以前段曲軸為基準,調整臂距差、跳動值，直至達到圖紙要求;

(5) 調整缸位置角度,通過360°角度儀進行測量,使連接部位達到精度要求;

(6) 通過預鉆孔進行預緊,采用液壓把合方式擰緊螺栓,預緊力達到60 MPa,使前后兩段曲軸拼接成為一體;

(7) 復查整根曲軸精度,松開螺栓,微調可調試支架,將曲軸恢復到機床狀態，各曲拐內開檔臂距差小于0.01 mm,各檔軸頸水平差小于0.10 mm；

(8) 使用工裝百分表,檢驗兩個法蘭外圓的重合度在0.02 mm以內，角度對準線在0.01 mm以內，各曲拐內開檔臂距差在0.01 mm以內，各檔軸頸水平差在0.10 mm以內,調整直至精度達到圖紙要求,重新把緊螺栓;

(9) 完成整根12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸的校調。

在校調時,可調試支架的應用效果如圖10所示。12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸的校調效果如圖11所示。

圖10 可調試支架應用效果

圖11 12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸校調效果

8 結束語

筆者對12S90ME-C超大型拼接式船用曲軸的制造技術進行研究，有利于打破國外在超大型拼接式船用曲軸領域的長期封鎖,提升我國船用關鍵零部件的制造能力,實現我國船舶核心配套產業的自主化、國產化,進而有力推動我國從造船大國向造船強國邁進。