孫亞杰 殷輝

(二重(鎮(zhèn)江)重型裝備有限責任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

船用中速柴油機曲軸本體質(zhì)量大，剛性差，加工易變形，屬大型難加工零件，是整個柴油機最重要的部件之一，如圖1所示。

圖1 船用中速柴油機曲軸三維圖

它承受連桿傳來的力，將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過曲軸輸出并驅(qū)動柴油機上其他附件工作。曲軸受力情況復雜，受到離心力、慣性力的共同作用，因此曲軸要有足夠的強度和剛度，同時軸頸表面需耐磨，以確保曲軸的工作均勻和具有良好的平衡性[1-2]。在機械加工完成以后，在對曲軸的檢驗過程中，不能只關(guān)注軸頸的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度，而應重視曲軸在實際工作中，軸頸表面與滑動軸瓦的接觸面積和接觸效果是否滿足要求，如果軸頸表面與滑動軸瓦的接觸面不夠良好，接觸只是在某幾個小點或某一塊面積上，這樣就會破壞油膜，該處所受的壓力所產(chǎn)生的摩擦力必然比接觸均勻的地方大得多，因而在運轉(zhuǎn)時，發(fā)出的熱量就大，軸承溫度就必然高。相反，如果軸頸表面與滑動軸瓦接觸得很好，各處受力均勻，摩擦面油膜完整，運轉(zhuǎn)時，雖然也發(fā)出熱量，但熱量較小，而且分布在整個軸承上，這部分熱量很容易散失，因此軸承不會產(chǎn)生高熱。但是在裝配以后，軸頸表面與滑動軸瓦接觸面積和接觸效果無法檢驗，同時現(xiàn)有的加工工藝也難以保證曲軸軸頸表面與滑動軸瓦能有理想接觸面積和接觸效果，對于船用中速柴油機而言，軸頸整體的接觸面積要求≥65%以上是比較理想的。

1 典型加工工藝路線分析

船用中速柴油機曲軸的加工一般采用數(shù)控曲軸車床或大型臥式車床配專用的曲軸卡具加工完成，實力雄厚的企業(yè)也可采用車銑復合加工中心。典型的曲軸加工工藝路線如下所示：

鍛造毛坯→粗加工→超聲檢測→去應力處理→車主軸頸→劃線→鉆兩端法蘭孔→粗精車連桿頸及拐臂→劃線→精車主軸頸→銑平衡塊安裝面→鉆→鉗→粗精磨主軸頸→粗精磨連桿頸→劃線→鉆油孔→精車法蘭面→鉆攻法蘭面上孔→拋光→磁粉檢測→終檢[3]。

通過對上述工藝路線的分析，無論采用何種加工設(shè)備，要獲得理想的曲軸軸頸表面與滑動軸瓦接觸面積，最終都要落實到拋光工序。

目前比較常見的，利用包容在半個曲軸軸頸表面的砂帶圈對曲軸軸頸的面接觸進行拋光；或是利用環(huán)形砂帶外側(cè)磨削面和曲軸軸頸的線接觸實現(xiàn)拋光軸頸。上述兩種技術(shù)拋光過程中，都存在砂帶圈對曲軸軸頸的接觸面積過小，拋光效果難于達到理想的軸頸表面與滑動軸瓦的接觸面積要求。

2 哈呋式曲軸粗拋光

為解決拋光過程中，砂帶圈對曲軸軸頸的接觸面積過小的問題，采用哈呋式結(jié)構(gòu)設(shè)計拋光瓦，并將拋光工序分成粗拋光和精拋光兩個工序。哈呋式曲軸粗拋光瓦總成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

17—彈簧墊圈；101—拋光瓦片；102—砂紙；103—膠帆布平帶；104—墊板1；105—六角頭螺栓；107—墊板2；110—拋光桿1；111—拋光桿2。

在粗拋光曲軸軸頸時，將待拋光曲軸安裝到車床上后，先按曲軸軸頸和拋光瓦片內(nèi)壁尺寸配作砂紙，粗拋光時選用粗砂紙，利用墊板2壓緊砂紙，并利用彈性墊圈和六角頭螺栓將墊板2和砂紙固定到拋光瓦片上，將安裝好砂紙的兩片拋光瓦片套裝到曲軸軸頸上，后在兩片拋光瓦片外壁依次覆著膠帆布平帶和墊板1，并利用彈性墊圈和六角頭螺栓將上述膠帆布平帶和墊板1分別連接到兩片拋光瓦片上，使哈呋式結(jié)構(gòu)拋光瓦一側(cè)連接，另一側(cè)可自由開閉，最后在兩片拋光瓦片外側(cè)分別安裝上拋光桿1和拋光桿2，開動車床，曲軸隨車床旋轉(zhuǎn)，拋光時拋光桿2可搭在機床工作臺上，利用拋光桿1的自重即可實現(xiàn)力的施加，也可人為在拋光桿1上施加外力，加速拋光的過程。拋光中，通過拋光桿1和拋光桿2打開哈呋式結(jié)構(gòu)拋光瓦，可方便的觀察拋光效果。待曲軸此軸頸拋光完成后，重復上述動作拋光下一個軸頸，直到拋光全部完成。

為進一步提高粗拋光的效率，可將哈呋式曲軸粗拋光瓦總成安裝到曲軸粗拋光裝置上，曲軸粗拋光裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—車床工作臺；2—支撐板；3—六角頭螺栓；4—平墊圈；5—內(nèi)六角圓柱頭螺釘；6—彈簧墊圈；7—六角螺母；8—底板；9—支架1；10—壓塊1；11—內(nèi)六角圓柱頭螺釘；12—手柄；13—銷；14—軸；15—六角頭螺母；16—T型槽用螺栓；17—彈簧墊圈；18—支架2；19—限位銷；20—平墊圈；21—支撐桿總成；22—曲軸；23—哈呋式曲軸粗拋光瓦總成；25—擋塊；26—卡箍；27—內(nèi)六角圓柱頭螺釘；28—彈簧墊圈；29—定位銷；30—平鍵；31—支撐桿；32—壓塊2。

曲軸粗拋光裝置是在車床工作臺上安裝支撐板，作為整個拋光裝置的結(jié)構(gòu)支撐，支撐板為彎板結(jié)構(gòu)，一端連接車床工作臺，另一端利用內(nèi)六角圓柱頭螺釘、彈簧墊圈、六角螺母將底板與支撐板固連，為保證安裝定位準確，在支撐板和底板之間可配打定位銷，底板中間位置上開設(shè)有安裝定位支架1和支架2的平鍵槽，利用平鍵定位，同時在底板上對稱開設(shè)2條梯型槽，利用六角頭螺母、T型槽用螺栓、彈簧墊圈將支架1和支架2固連，其中支架1安裝在底板的一端，多個支架2根據(jù)拋光曲軸的尺寸規(guī)格盡量布置均勻，且安裝位置不影響軸頸拋光。在支架1的臺階孔內(nèi)穿入臺階軸，后安裝壓塊1，并利用內(nèi)六角圓柱頭螺釘將壓塊1固連到支架1上，軸可在支架1的內(nèi)孔自由旋轉(zhuǎn)，為人工操作方便，在軸的端面安裝手柄，并利用銷將手柄與軸固連，只要旋轉(zhuǎn)手柄，就會帶動軸旋轉(zhuǎn)，軸帶螺紋一端旋入壓塊2，壓塊2與支撐桿同樣利用內(nèi)六角圓柱頭螺釘固連，支撐桿上靠近端面一側(cè)開設(shè)一定長度的腰形槽，腰形槽的長度可根據(jù)所需拋光曲軸軸頸的寬度設(shè)定，限位銷先套裝平墊圈后旋入支架2，保證限位銷的端部插入到支撐桿的腰形槽內(nèi)，利用限位銷限制支撐桿的旋轉(zhuǎn)運動，但是在腰形槽的長度方向上可以左右有一定的移動量，當旋轉(zhuǎn)手柄時，手柄帶動軸旋轉(zhuǎn)，軸通過與壓塊2的螺紋副，進一步帶動支撐桿總成移動，當需要拋光曲軸時，先在相同相位的曲軸軸頸處，安放擋塊，在擋塊的兩側(cè)分別安裝卡箍，并用內(nèi)六角圓柱頭螺釘和彈簧墊圈緊固，在需拋光的曲軸軸頸處安裝哈呋式曲軸拋光瓦總成。

3 哈呋式曲軸精拋光

哈呋式曲軸精拋光瓦與哈呋式曲軸粗拋光瓦整體結(jié)果相似，哈呋式曲軸精拋光瓦總成結(jié)構(gòu)如圖4所示。只是為保證精拋光的效果，使整個哈呋式拋光瓦可以浮動拋光，在兩片拋光瓦片一側(cè)安裝上拋光桿1，利用平墊圈、六角頭螺栓、圓柱螺旋彈簧和六角頭螺母將兩片哈呋式拋光瓦連接，通過彈簧實現(xiàn)浮動。

112—平墊圈；113—六角頭螺栓；114—圓柱螺旋彈簧；其余標號同圖2所示。

曲軸精拋光裝置也可同曲軸粗拋光裝置一樣應用，曲軸精拋光裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。開動車床，曲軸隨車床旋轉(zhuǎn)，拋光時，拋光桿1穿過滑塊的孔，利用拋光桿1的自重即可實現(xiàn)力的施加，旋轉(zhuǎn)手柄，手柄帶動軸旋轉(zhuǎn)，軸通過與壓塊2的螺紋副，進一步帶動支撐桿總成移動，支撐桿總成的移動使穿過滑塊的拋光桿1移動，使整個哈呋式曲軸拋光瓦總成可以拋光整個曲軸軸頸寬度，可以實現(xiàn)相同相位軸頸的拋光，顯著提高拋光效率和節(jié)約人力成本，同時操作安全，簡便。待曲軸此相位軸頸拋光完成后，重復上述動作拋光下一個相位軸頸，直到拋光全部完成。

24—滑塊；其余標號同圖3所示。

4 曲軸軸頸接觸面積檢測

曲軸在裝配以后，曲軸軸頸表面與滑動軸瓦接觸面積和接觸效果是無法直接進行檢驗的，為此在拋光完成以后需要對拋光效果進行檢驗，曲軸軸頸表面接觸面積的檢驗方法和步驟如下[4]：

(1)按曲軸型號配作專用的軸頸標準塊和檢驗瓦

以MAN B&W L27/38P曲軸為例，制作的曲軸軸頸標準塊按理想狀態(tài)下的曲軸軸頸尺寸精度、形位精度制造，經(jīng)鏟刮和拋光處理后，僅允許存在少量的外凸點，不允許存在內(nèi)凹情況，標準塊的寬度可控制在200 mm以內(nèi)，平面度和平行度控制在0.01 mm以內(nèi)。檢驗瓦依據(jù)標準塊進行配作，整個檢驗瓦的弧度可以選定為60°，在內(nèi)側(cè)粘貼一層厚度為3 mm且內(nèi)徑為?250 mm±0.01 mm的AlSn6薄板，防止檢驗過程中，檢驗瓦擦傷曲軸軸頸表面，同時要求標準塊和檢驗瓦的接觸面積≥95%以上，檢驗瓦采用螺紋孔連接手柄，方便檢驗操作。具體的L27/38P曲軸檢驗瓦結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

圖6 L27/38P曲軸檢驗瓦結(jié)構(gòu)

(2)利用濕膜測厚儀測量油膜厚度，模擬曲軸軸頸和軸瓦間油膜狀態(tài)

在檢驗時，為模擬曲軸軸頸和軸瓦間油膜狀態(tài)，首先在曲軸軸頸的表面均勻涂抹一層刮研藍油，利用濕膜測厚儀測量油膜厚度。需要控制藍油油膜厚度在4 μm以內(nèi)，涂抹藍油油膜厚度達到要求后方可進行后續(xù)檢驗。

(3)利用檢驗瓦和曲軸軸頸的相對運動，模擬曲軸軸頸和軸瓦的滑動狀態(tài)

操作中，為保證安全和不擦傷成品曲軸，將待檢曲軸放在其專用堆放架上，將檢驗瓦緊貼在曲軸軸頸表面，手動檢驗瓦使其在曲軸軸頸表面120°范圍內(nèi)勻速滑動，反復幾次，模擬曲軸軸頸和軸瓦的滑動狀態(tài)。

(4)接觸面積和接觸效果的評判

通過衡量藍油在檢驗瓦上的殘留面積和效果，來評判拋光曲軸是否達到規(guī)定的要求。要求藍油在整個檢驗瓦上分布均勻，允許存在某幾個小點或某幾塊面積上的接觸不良，但不允許存在大面積的接觸不良，整體的接觸面積要求≥65%以上，實施中可以封樣處理。同時為了保存檢驗記錄，可以把藍油分布情況拓印在檢驗記錄表上留存?zhèn)洳椋鳛榍S軸頸接觸面積和接觸效果驗收合格的依據(jù)。

5 結(jié)束語

曲軸受力情況復雜，要有足夠的強度和剛度，同時軸頸表面需耐磨，以確保曲軸的工作均勻和具有良好的平衡性，在對曲軸的檢驗過程中，不能只關(guān)注軸頸的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度，而應重視曲軸在實際工作中，軸頸表面與滑動軸瓦的接觸面積和接觸效果，如果接觸只是在某幾個小點或某一塊面積上，就會破壞油膜，該處所受的壓力所產(chǎn)生的摩擦力必然比接觸均勻的地方大得多，因而在運轉(zhuǎn)時，發(fā)出的熱量就大，軸承溫度就必然高。本文為提高軸頸表面與滑動軸瓦接觸面積和接觸效果，而采用的哈呋式粗、精拋光方法；提供的哈呋式曲軸拋光瓦及裝置，實現(xiàn)了對柴油機曲軸軸頸的拋光，使曲軸軸頸表面與滑動軸瓦的接觸面積滿足檢驗標準，同時哈呋式曲軸拋光瓦及裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低，操作方便且效率高。同時給出了拋光后曲軸軸頸表面接觸面積的檢驗方法和步驟，利用此種哈呋式拋光工藝和檢驗方法，可以最大程度的保證曲軸軸頸和軸瓦摩擦面的油膜完整，提高曲軸壽命，實踐價值巨大。