船舶主機(jī)曲軸和軸帶發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸法蘭高精度鉸制螺栓孔的加工

洪 星，龔江華

（南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226000）

船舶主機(jī)通過(guò)曲軸向中間軸和螺旋槳軸輸出動(dòng)力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)和螺旋槳旋轉(zhuǎn)，主機(jī)曲軸和中間軸之間、中間軸和軸帶發(fā)電機(jī)之間都是通過(guò)法蘭連接，而法蘭螺栓一般采用鉸制螺栓。為了確保鉸制螺栓在旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)的環(huán)境下不松動(dòng)，要求鉸制螺栓和法蘭之間過(guò)盈配合。另一方面，考慮到以后軸帶發(fā)電機(jī)修理和船舶大修時(shí)需要拆卸螺栓，螺栓孔的精度必須在一個(gè)比較高的精度范圍之內(nèi)，才能確保螺栓和螺栓孔不受損傷。

本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，基于曲軸和中間軸廠家常規(guī)生產(chǎn)設(shè)備下，實(shí)現(xiàn)船舶主機(jī)曲軸法蘭、中間軸法蘭鉸制螺栓孔高精度加工的方法。下文以曲軸法蘭為例進(jìn)行說(shuō)明。

1 曲軸法蘭鉸制螺栓孔精度要求

為了確保螺栓拆卸時(shí)不損傷螺栓和螺栓孔，曲軸法蘭孔的加工精度需達(dá)到以下技術(shù)要求：①孔徑。以連接曲軸的中間軸法蘭孔直徑實(shí)際加工結(jié)果為基礎(chǔ)尺寸（D0），曲軸側(cè)的孔徑基礎(chǔ)尺寸要求為（D0±0.005）mm，不同船舶設(shè)計(jì)的螺栓孔直徑不同，常見(jiàn)的直徑從50 mm～110 mm 不等；②圓柱度<0.005 mm；③位置度<0.005 mm；④粗糙度Ra<0.8 μm。

為了實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)要求，必須對(duì)常規(guī)的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，減小各環(huán)節(jié)的加工誤差。

2 常規(guī)內(nèi)孔加工方法比較

一般來(lái)說(shuō)，法蘭內(nèi)孔加工手段有鉆、鏜、鉸等方法。首先用鉆、粗鏜等方法，將曲軸法蘭孔粗加工到接近目標(biāo)尺寸的數(shù)值，再對(duì)孔進(jìn)行精加工[1]。精加工是內(nèi)孔加工的關(guān)鍵步驟，對(duì)孔的精度起到?jīng)Q定性的作用。精加工有精鏜和精鉸2 種，2種方法各有特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，精鏜和精鉸加工工藝對(duì)比如表1所示。

表1 精鏜和精鉸加工工藝對(duì)比

由表1 知，2 種方法都無(wú)法達(dá)到既定的技術(shù)要求，只有對(duì)常規(guī)的方法進(jìn)行改善，才能提高加工精度。考慮到精鏜具有刀具成本低、刀具規(guī)格單一的優(yōu)點(diǎn)，因此，選擇精鏜方法進(jìn)行研究。

3 鏜孔設(shè)備和工件的準(zhǔn)備

加工螺栓孔所采用的設(shè)備為落地銑鏜床。鏜孔前將曲軸放置在支架上，調(diào)整位置，使曲軸法蘭平面和鏜軸垂直，鏜床和曲軸位置布置示意圖如圖1所示。為了保證曲軸法蘭孔和中間軸法蘭孔的位置度，使用鉆模加工工藝，曲軸和中間軸法蘭孔在加工時(shí)使用同一個(gè)鉆模。把鉆模的曲軸側(cè)止口卡在曲軸法蘭上，曲軸法蘭上安裝鉆模示意圖如圖2 所示。調(diào)整鉆模位置，使鉆模止口上、下、左、右4 個(gè)位置與曲軸法蘭之間的間隙一致。在進(jìn)行孔加工前，調(diào)整鏜軸中心和對(duì)應(yīng)的鉆模孔中心，使兩者對(duì)中。

圖1 鏜床和曲軸位置布置示意圖

圖2 曲軸法蘭上安裝鉆模示意圖

4 精鏜孔誤差分析

理論上，精鏜刀調(diào)整旋鈕的刻度可以精確讀取到0.001 mm 或0.002 mm，但實(shí)際上卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)0.001 mm 或0.002 mm 精度的調(diào)整[2]。主要原因如下。

1）由于鏜刀機(jī)械結(jié)構(gòu)上存在間隙，調(diào)整手法不同，調(diào)整結(jié)果會(huì)出現(xiàn)尺寸不同。

2）鏜床主軸存在一定的跳動(dòng)量。

3）鏜床主軸存在一定的撓度，鏜孔時(shí)鏜床主軸是單邊受力，會(huì)出現(xiàn)一定的“讓刀”現(xiàn)象，特別是主軸伸出較長(zhǎng)的時(shí)候，“讓刀”現(xiàn)象會(huì)更明顯。

4）加工時(shí)刀刃的磨損。

以上客觀因素?zé)o法完全消除，因此，必須通過(guò)加工方法的改進(jìn)和優(yōu)化來(lái)降低其影響，進(jìn)而達(dá)到上述技術(shù)要求。

5 高精度鉸制孔的加工方法

綜合考慮上述因素，本文從以下6個(gè)方面對(duì)加工方法進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。

1）增加精鏜次數(shù)。與粗鏜相比，精鏜在精度控制上有明顯優(yōu)勢(shì)，一般鏜床加工工藝中，只需要精鏜一次即可達(dá)到要求。由于精鏜時(shí)鏜刀調(diào)整幅度較小，調(diào)整產(chǎn)生的誤差絕對(duì)值也較小，與此同時(shí)，精鏜的吃刀深度比粗鏜要小，“讓刀”現(xiàn)象會(huì)減少，因此可以通過(guò)增加精鏜次數(shù)來(lái)進(jìn)一步提高加工精度。

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定精鏜次數(shù)為3次，每次加工量為0.200 mm 左右，也就是粗鏜后預(yù)留的加工量為0.600 mm左右。

2）鏜刀調(diào)整。吃刀深度是通過(guò)鏜刀進(jìn)行調(diào)整的，鏜刀上有鎖緊螺絲和調(diào)整螺絲。首先要松動(dòng)鎖緊螺絲，調(diào)整好吃刀深度后再上緊鎖緊螺絲。為了減少機(jī)械結(jié)構(gòu)間隙的影響，調(diào)整時(shí)遵循以下原則。

（1）每次松動(dòng)鎖緊螺絲時(shí)，松動(dòng)程度都保持基本一致，且松到可以調(diào)整得動(dòng)調(diào)整螺絲即可，不宜太松。

（2）調(diào)整螺絲轉(zhuǎn)動(dòng)方向保持單向，也就是不要先調(diào)大再調(diào)小。

（3）最后一次粗鏜以及3 次精鏜過(guò)程中不得更換鏜刀刀片，否則后續(xù)的調(diào)整將失去基準(zhǔn)，需要提前確認(rèn)刀片狀態(tài)，如磨損量過(guò)大，則提前更換。

在遵循以上原則的情況下，即使調(diào)整有偏差，其偏差量與偏差的方向基本一致，為下一步的尺寸修正提供了基礎(chǔ)。

3）吃刀深度修正。在第一次精鏜孔后對(duì)孔徑進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出實(shí)際加工量，再按設(shè)定的吃刀深度計(jì)算出理論加工量，并計(jì)算出兩者之間的差值。第二次精鏜調(diào)整吃刀深度時(shí)，對(duì)此進(jìn)行反向修正，以抵消第一次精鏜的加工誤差。這種修正可能一次無(wú)法修正完全，所以第三次精鏜在上一次修正值的基礎(chǔ)上再作類(lèi)似修正，但需要注意計(jì)算第一次修正時(shí)的修正比例和最終誤差。

4）位置度調(diào)整。每一次精鏜前用千分表測(cè)量鉆模孔中心和加工的孔中心偏差量，修正鏜床主軸坐標(biāo)。從實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，由于孔的深度不到100 mm，在這個(gè)范圍內(nèi)鏜床的主軸輸出十分穩(wěn)定。第一次調(diào)整后，后續(xù)偏差較小。

5）量具精度提升。要測(cè)量0.005 mm 精度的孔，使用的量具也必須要達(dá)到相應(yīng)精度。并不是量具的分度值達(dá)到0.001 mm 就代表著精度也能達(dá)到。是否真正達(dá)到要求的精度，要看該量具廠家說(shuō)明書(shū)中的精度指標(biāo)是否能夠滿(mǎn)足測(cè)量的精度要求。

6）增加珩磨工序。在精鏜之后增加一道珩磨工序。珩磨的目的有2個(gè)，一個(gè)是孔徑微調(diào)，另一個(gè)是降低粗糙度。所以珩磨時(shí)一般用油石或者240#以上的砂皮，太粗的砂皮會(huì)造成珩磨量過(guò)大，并增加粗糙度。

為了實(shí)施珩磨，精鏜時(shí)的孔徑目標(biāo)值設(shè)定必須留有余量，從實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，精鏜孔徑目標(biāo)值比D0小0.005 mm左右比較合適。

6 鏜孔試驗(yàn)結(jié)果

鏜孔試驗(yàn)前，先準(zhǔn)備1 個(gè)法蘭。按照?qǐng)D2 安裝好鉆模，固定在支架上，調(diào)整法蘭平面，使其與鏜床主軸垂直。假設(shè)中間軸法蘭1號(hào)孔的加工結(jié)果為68.005 mm，根據(jù)技術(shù)要求計(jì)算，曲軸法蘭1 號(hào)孔的孔徑要求在68.000～68.010 mm 之間。因此，本次精鏜的孔徑目標(biāo)值為68.000 mm，粗鏜的孔徑目標(biāo)值為67.400 mm，分3 次精鏜，每次加工量約為0.200 mm。

粗鏜孔徑結(jié)果如表2 所示，其中位置度為：上下偏差0.003 mm，左右偏差0.002 mm。

第一次精鏜，吃刀深度0.100 mm，第一次精鏜鏜孔結(jié)果如表3，其中差值為-0.034 mm（67.560-67.394-0.200），所以第二次精鏜時(shí)吃刀深度的修正值為+0.017 mm。

表3 第一次精鏜鏜孔結(jié)果 mm

第二次精鏜，吃刀深度0.100 mm，再加上修正值+0.017 mm，最終吃刀深度是0.117mm，第二次精鏜鏜孔結(jié)果如表4所示。其中差值為0（67.760-67.560-0.200），所以可以認(rèn)為每0.100 mm 吃刀深度，修正+0.017 mm恰好能抵消誤差。

表4 第二次精鏜鏜孔結(jié)果 mm

第三次精鏜，吃刀深度0.120 mm+0.020 mm，第三次精鏜鏜孔結(jié)果如表5 所示。測(cè)得Ra為0.895 μm，略大于技術(shù)要求的Ra<0.8 μm。

表5 第三次精鏜鏜孔結(jié)果 mm

采用油石珩磨修正，珩磨時(shí)間20 s，油石珩磨修正結(jié)果如表6 所示。測(cè)得Ra為0.515 μm，滿(mǎn)足技術(shù)要求的Ra<0.8 μm。位置度測(cè)量為：上下偏差0.002 mm，左右偏差0.002 mm。

表6 油石珩磨修正結(jié)果 mm

經(jīng)過(guò)上述工藝優(yōu)化，最終加工結(jié)果如表7 所示，由表7知，鉸制螺栓孔的加工精度有了顯著提升，各性能指標(biāo)均達(dá)到甚至超出了技術(shù)要求，評(píng)判結(jié)果均合格。

表7 最終加工結(jié)果

7 結(jié)束語(yǔ)

鏜孔加工中存在各種引起誤差的因素，誤差因素的積累會(huì)大大降低產(chǎn)品的最終精度。但通過(guò)一些同一化的方法，把無(wú)序的誤差變成相對(duì)有序的誤差，再通過(guò)反向修正可以有效減小誤差。另外，珩磨可以作為修正微小誤差的最終手段，也可以降低粗糙度，但需要提前計(jì)算并預(yù)留珩磨余量。

通過(guò)多次試驗(yàn)，得到的結(jié)果均和以上結(jié)果類(lèi)似，輸出穩(wěn)定，證明本文提出的加工方法是有效且可靠的。