崔利剛

(大連遼南船廠, 遼寧 大連 116041 )

冷態(tài)反敲法在艦船艉軸校直中的應用

崔利剛

(大連遼南船廠, 遼寧 大連 116041 )

為解決艦船艉軸加工、裝配過程中發(fā)生彎曲問題，提出應用冷態(tài)校直—冷態(tài)反敲法來解決艦船艉軸彎曲問題，通過實例詳細闡述運用冷態(tài)反敲法在細長艉軸和空心艉軸校直過程中的成功應用，論證冷態(tài)反敲法在解決艦船艉軸彎曲問題的可行性。

作用力；反作用力；塑性變形；失效；跳動量；泠態(tài)反敲法；艉軸

0 前 言

艦船艉軸因各種原因在工作中易發(fā)生彎曲，徑向跳動超差，尤其是小型艦船艉軸，此種情況更為普遍。它們的軸徑一般在Φ50～Φ120 mm，長度在4 000～7 000 mm，材質為中碳鋼或中低碳合金鋼，并經過調質處理。一些大型艦船艉軸也時常發(fā)生彎曲和徑向跳動超差的情況，它們的軸徑一般在Φ150 mm以上，長度在10 m以上，內部結構為空心，材質與小型艦船基本相同。針對這些徑向跳動超差的艉軸，在過去的修理中，既沒有固定的校直方法，也沒有成型的工藝標準可供參考，通常由操作者憑經驗校直。使用最多的是熱校直法，細長艉軸有時也采用冷校直，但過程不規(guī)范，效果不佳，效率較低，由于不了解冷、熱校直的原理，也就無法了解這兩種校直方法對軸頸表面產生的危害性。隨著船廠艦船修理數量的增多，有必要對艉軸的校直進行深入研究，并固化校直方法，形成工藝標準，以指導生產。

1 艉軸冷校直原理

1.1 艉軸發(fā)生彎曲的原因

艉軸發(fā)生彎曲原因如下：

(1) 艉軸在加工過程中形成的內應力沒有完全消除，在工作中由于受到疊加的內、外力作用，當這種力超過軸的屈服極限時，軸就會產生彎曲現象。

(2) 受到突然的、超過屈服極限的外力作用，如被撞擊或被其他物體纏繞等，易導致軸發(fā)生彎曲。

(3) 由于裝配等原因，使艉軸在工作時，位于垂直軸上的某一點長時間受到不平衡力的作用，導致艉軸產生疲勞變形而彎曲。

1.2 冷態(tài)校直原理

1.2.1 冷態(tài)校直法

冷態(tài)校直法是指對于已經熱處理后變形的零件，在室溫下對某一部位施加一種外力的作用，使歪扭、翹曲的零件矯正，包含有壓力校直、正敲、反敲等方法。

1.2.2 冷態(tài)反敲法

冷態(tài)反敲法是指針對高硬度的薄、細長工件，對其變形凹面，以硬質合金小錘子仔細敲擊，使工件局部產生延展擠壓力，并產生小面積塑性變形，凹面伸長，從而校正變形。冷態(tài)反敲法所用的錘子，其硬質合金錘面應打磨光滑平整，被校工件應正對敲擊部件墊實不得有空隙，否則將敲斷工件。反敲可在工件變形凹面多處進行，直至將工件校直。

1.2.3 冷態(tài)反敲法在艉軸加工裝配中的應用

眾所周知，當給一個物體施加一個外力時，該物體內必然產生一個與之相等的反作用力，當外力大于該材料的屈服極限時，物體將發(fā)生彎曲，反之，物體不會發(fā)生彎曲，外力撤銷，反作用力也隨之消失。當外力的作用導致物體表面發(fā)生局部塑性變形時，反作用力不會消失，將始終存在于物體內部。艉軸的材質都是經過調質處理的中碳鋼或中低碳合金鋼，具有較好的綜合機械性能，有屈服變形特點。因此，當我們用手錘用力敲擊軸頸表面時，軸頸表面會出現“凹點”，該“凹點”即為作用點處發(fā)生塑性變形所致。外力作用造成的“凹點”會產生一個向內的壓應力，與之相反，從軸內部便產生一個向外的反作用力作用在“凹點”處。外部施加的外力所產生的壓應力不具有累加的特性，而從內部產生的反作用力，卻形成了累加。一個“凹點”會產生0.1～0.5 MPa的反作用力，幾百個“凹點”會產生幾百兆帕的反作用力。當反作用力超過軸的屈服極限時，艉軸將向與反作用力方向相同的方向彎曲。也就是說，用錘子敲擊軸的凹處，當敲擊的錘數達到一定數量的時候，艉軸凹處就會在內部反作用力的作用下逐漸平直起來，即可達到校直的目的。

1.3 敲擊點對軸頸表面可能產生的失效性

1.3.1 指向軸內側的合力作用

敲擊產生的“凹點”發(fā)生了塑性變形，并形成冷作硬化(即在常溫下的塑性變形后，金屬的強度指標如屈服點、硬度等提高，塑性指標如伸長率降低的現象，稱之為冷作硬化)，同時還產生一個向心的壓應力。艉軸在正常工作時受到的是表層扭力的作用，方向與圓周相切，與壓應力垂直，兩個方向產生的合力指向軸的內側方向(見圖1)。當艉軸受到與壓應力方向相同的外力作用時，兩個力疊加與工作扭力形成的合力仍然指向軸的內側方向。此時“凹點”的存在起到了釘扎作用，使“凹點”周圍的金屬組織更加致密，抗扭曲變形能力增強，因此對正常工作的艉軸來說，因校正產生的凹點不但不會產生破壞作用，還會加強艉軸局部的強度。

圖1 指向軸內側的合力

1.3.2 指向軸外側的合力作用

若艉軸受到與壓應力方向相反、與反作用力方向相同的外力作用時，這個疊加的力與工作扭力形成的合力指向軸外側(見圖2)，會對“凹點”邊緣金屬組織形成撕裂，長時間作用就易在邊緣產生裂紋源，對艉軸造成破壞。這種破壞力在艉軸工作時一定存在，但正好與反作用力形成最大疊加的機會則非常小，即使出現也需要長時間的作用才能在“凹點”邊緣產生破壞性裂紋源。所以綜合分析確認，“凹點”能給艉軸造成破壞的概率很小。

圖2 指向軸外側的合力

2 冷態(tài)反敲法在細長艉軸校直上的應用

以某型船救生艇4根艉軸的校直為例，研究冷態(tài)反敲法在細長艉軸上的應用。該艉軸的長度為4 500 mm，直徑為Φ60 mm，材質為中低碳合金鋼，經過調質處理。下面闡述艉冷態(tài)反敲法校直的過程與方法。

2.1 檢測徑向跳動

如圖3所示，將一根艉軸夾到機床上，軸的一端固定在機床床頭的卡盤爪內，另一端用機床尾座頂尖頂在端面的中心孔內，緩慢轉動艉軸，架起百分表檢測a，i兩點的徑向跳動量，并調整控制在不大于0.02 mm范圍以內，再按圖樣上要求測定的各點，逐一檢測徑向跳動情況。

圖3 細長艉軸示例

2.2 徑向跳動檢測記錄

查看各點的徑向跳動情況，將跳動量最大點的最凹處朝上，檢測的結果如表1所示。

表1 細長艉軸徑向跳動檢測結果 mm

2.3 冷態(tài)反敲法的應用

用手錘用力敲擊(以不損壞手錘為宜)凹處，敲擊處應選擇非工作軸頸處，由于不清楚敲擊能產生多大變化，建議第一次敲擊100次即可。然后用百分表測量各點的變化情況。通過第一次敲擊，發(fā)現各點徑向跳動量發(fā)生了微弱的變化，證明冷態(tài)反敲法有效，且發(fā)生的變化與原理中的分析相吻合，說明第一次敲擊的方法正確，因此可繼續(xù)進行校直實踐。按第一次敲擊的方法繼續(xù)后續(xù)校直，直到達到技術要求的范圍，至此，便完成了第1根艉軸的校直。按第1根艉軸的校直經驗，將其他3根艉軸也進行校直，均達到技術要求的范圍。冷校直結束自然時效一周后測量，徑向跳動量沒有變化?？偨Y上述4根艉軸的冷校直規(guī)律和經驗，又對多型船多根艉軸(均為細長軸)進行了冷態(tài)反敲法校直，均獲得成功，證明冷態(tài)反敲法對細長軸校直有效。

3 冷態(tài)反敲法在空心艉軸校直中的應用

以上針對的是實心細長艉軸的冷態(tài)反敲法校直，而空心軸從未嘗試過。以某型艇4根空心艉軸為例，該艉軸的直徑為Φ190 mm，長度為12 200 mm，材質為35CrMo，經過調質處理為空心結構。該形式的艉軸在以前的維修中曾用火焰校直法進行過校直，但效果不佳。此次維修，參考細長艉軸冷態(tài)反敲法校直成功經驗，大膽嘗試，對這4根艉軸進行冷態(tài)反敲法校直。若能取得預期效果，達到技術要求，將證明冷態(tài)反敲法校直對空心軸校直也有效，其結果將對船廠的艦船軸系修理工程有著重要的意義。

3.1 檢測徑向跳動

如圖4所示，將一根艉軸夾到機床上，過程與2.1中的內容相同，測量結果如表2所示。

圖4 空心艉軸示例

表2 空心艉軸徑向跳動檢測結果 mm

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3.2檢測結論

觀察各點的徑向跳動情況，將跳動量最大點的凹處朝上。

3.3冷態(tài)反敲法的應用

用手錘用力敲擊(以不損壞手錘為宜)最凹處表面，敲擊處應選擇非工作軸頸處，根據整個軸的彎曲情況，建議第一次敲擊100次，然后用百分表測量各點的變化情況。經過第一次敲擊后，發(fā)現各點徑向跳動量均發(fā)生了數值不等的變化，即都變小，證明冷態(tài)反敲校直法對空心軸校直也起作用，且發(fā)生的變化與原理中的分析相吻合，可繼續(xù)進行校直。按第一次敲擊的方法對艉軸繼續(xù)進行校直，直到符合技術要求，成功完成了對第一根空心軸的校直。按第一根艉軸的校直經驗，將其他3根艉軸也進行校直，結果均達到技術要求的范圍。采用冷態(tài)反敲校直法對4根空心艉軸進行校直均獲得成功，證明冷態(tài)反敲校直法對空心軸校直有效。

4 冷態(tài)反敲法優(yōu)勢分析

冷態(tài)反敲法與冷態(tài)壓力校直(冷態(tài)正敲)法及熱態(tài)校直法相比，具有一定的優(yōu)勢：

冷態(tài)壓力校直(冷態(tài)正敲)法是在彎曲最大點的凸面施加一個壓力，使之產生反向變形，校正彎曲后還要產生一定的與原變形方向相反的變形，確保外力撤去回彈后彎曲變形在要求的范圍內，其缺點一是施加的外力大小不好掌握，二是經過一定時間的自然時效處理及使用后，可能會產生回彈變形。冷態(tài)反敲法施加的敲擊力大小可控并能隨時監(jiān)控校直情況，同時錘擊產生的塑性變形可以確保不會產生回彈變形。

熱態(tài)校直法是通過在彎曲最大點的凸面采用局部加熱的方法來消除彎曲變形，其缺點一是加熱溫度不好掌控，二是局部加熱對金屬內部晶體結構會帶來改變，存在一定的使用風險。

5 結束語

通過積極研究和探索，逐步使冷態(tài)反敲校直法在艦船艉軸校直中得到廣泛應用，尤其是對空心艉軸進行冷態(tài)反敲校直研究獲得成功，更具有重要意義。冷態(tài)反敲校直法校正艉軸的成功，有力地提高了工廠的裝備保障能力。

ApplicationofColdStraighteningMethodduringProcessofShipSternShaftStraightening

CUI Ligang

(Dalian Liaonan Shipyard， Dalian 116041, Liaoning, China)

In order to solve the bending problem of ship stern shaft during the process of machining assembling, the cold straightening method is proposed to solve the bending problem of stern shaft. The successful application of cold straightening method in slender stern and hollow stern straightening process is elaborated. The feasibility of cold straightening method in solving the problem of ship stern shaft bending is demonstrated.

force; reactive force; plastic deformation; invalid; jeck value； cold straightening method; stern shaft

崔利剛(1973-)，男，工程師，主要從事船舶零部件機加工工藝管理工作

1000-3878(2017)06-0057-03

U671

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