MK82125/H大型數(shù)控曲軸磨床

一、引言

2010年1～2 月份，我國造船完工量及新接訂單指標均居全球第一。今后三年船舶工業(yè)預(yù)計將保持平穩(wěn)較快增長，2011年造船產(chǎn)量力爭達到5000萬t，船用低速機產(chǎn)量達到906萬kW。2011年造船完工占世界市場份額35%以上，高技術(shù)高附加值船舶達到20%，海洋工程裝備達到10%。三大主流船型國產(chǎn)設(shè)備裝船率達到65%以上。同時船舶的配套能力將明顯提高，船用低速機、中速機、甲板機械等配套設(shè)備的國內(nèi)市場滿足率從不足50%提高到80%以上。船舶工業(yè)調(diào)整和振興需要大批大中型數(shù)控金屬切削機床。

造船業(yè)對于磨床的需求主要集中在曲軸加工上，造船業(yè)的曲軸主要分為低速以及中高速兩大類。其中由于對精度要求不高，船用低速柴油機主要采用以車削代替磨削，便于降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率；而中高速柴油機由于精度要求較高，仍需要使用曲軸磨床進行磨削，且單臺具有較高的經(jīng)濟附加值。目前，國內(nèi)只有上海機床廠有限公司具備制造中高速船用曲軸磨床的能力，但是進口機床在技術(shù)先進性、自動化、可靠性、精度保持性上仍具備優(yōu)勢。

目前國際上已有德國Naxos以及美國Landis等幾家較大的廠商向國內(nèi)提供大型整體式曲軸的磨削加工設(shè)備。但由于技術(shù)封鎖，這些廠商向國內(nèi)提供的產(chǎn)品一般精度不是很高，且產(chǎn)品的價格很高。這就造成國內(nèi)多數(shù)廠商都選擇直接進口曲軸成品。MK82125/H大型數(shù)控曲軸磨床的研制成功解決曲軸的磨削加工問題。

二、 MK82系列大型數(shù)控曲軸磨床

MK82125數(shù)控曲軸磨床適用加工磨削各種大型船用柴油機、機車內(nèi)燃機、大型壓縮機的曲軸主軸頸及連桿頸，還可作工廠維修曲軸之用。

該系列數(shù)控曲軸磨床可以實現(xiàn)一次裝夾，完成整個曲軸的磨削加工，其技術(shù)填補了國內(nèi)大型數(shù)控曲軸磨削加工設(shè)備的空白，節(jié)省了國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高了我國大型曲軸加工的效率和加工精度，促進了我國船舶、壓縮機以及石油勘探等行業(yè)的快速發(fā)展。該產(chǎn)品已獲9項專利證書。

從2000年到目前，該產(chǎn)品在國內(nèi)市場訂單額達18 000萬元，市場占有率達到80%以上。

1.機床的規(guī)格

MK82系列數(shù)控曲軸磨床的技術(shù)參數(shù)

(1)機床工作范圍

最大工件回轉(zhuǎn)直徑：1 400 mm

最大工件安裝長度： 卡盤間8 000 mm

頂尖間8 500 mm

最大工件重量：10 t

頭尾架卡盤夾持范圍：?100～?400 mm

中心架上可磨直徑范圍：?100～?400 mm

縱磨外圓直徑范圍 ：0～?400 mm

曲軸曲柄半徑范圍（曲軸沖程）：0～250 mm

(2)規(guī)格

中心高：750mm

頭架頂尖（公制）：100

尾架頂尖（公制）：100

砂輪最大線速度：35m/s（有級恒線速）

(3)工作精度

圓度：0.01mm

縱截面內(nèi)一致性：0.012mm

工件表面粗糙度：外圓/軸肩端面/圓角

Ra0.32/0.63/0.63μm

圖1 機床外觀

2.機床主要部件

(1)頭、尾架

機床的頭、尾架傳動結(jié)構(gòu)基本相同，但頭架的頂尖不能伸出。機床的頭、尾架分別通過螺栓安裝在前床身左端及右端的導(dǎo)軌上。

主軸的前后軸承為薄膜反饋液體靜壓軸承，不僅有高的回轉(zhuǎn)精度，而且主軸有安全可靠的保護措施。當有一定壓力后，壓力繼電器能發(fā)訊使頭尾架啟動，以保證主軸在良好潤滑條件下進行啟動。若突然遇到斷電，具有一定能量的蓄能器，能自動供油進行潤滑以保證主軸不會產(chǎn)生抱軸現(xiàn)象。為最大限度體現(xiàn)主軸靜壓軸承的功能，機床配有液體靜壓軸承專用的油箱和冷凍機。頭尾架的同步旋轉(zhuǎn)是由伺服系統(tǒng)保證的。

圖2 尾架

(2)工件夾具——卡盤

曲軸磨床與普通外圓磨床最大的一個區(qū)別點在于工件夾具（簡稱卡盤）。普通外圓磨床夾具的夾持工件部分與頭、尾架的主軸都是同軸線回轉(zhuǎn)，而由于曲軸的連桿頸與主軸頸不同心，所以要求工件夾具應(yīng)該具有偏心調(diào)節(jié)機構(gòu)，當磨削曲軸連桿頸時，夾具夾持在主軸頸，而需要磨削的連桿頸可以調(diào)節(jié)至與頭、尾架的主軸同軸線回轉(zhuǎn)。同時為了方便磨削調(diào)整，卡盤還具有分度的功能。

機床的卡盤有兩套，分別安裝在頭架和尾架主軸上，稱為頭架卡盤和尾架卡盤。尾架卡盤和頭架卡盤結(jié)構(gòu)基本一致，都具有偏心調(diào)整和分度功能。

本系列機床的工件夾具實現(xiàn)了一次裝夾，無須松開工件，就能完成工件所有連桿頸的加工，使加工效率提高了近一倍。

(3）拖板及墊板結(jié)構(gòu)

圖3 頭架卡盤

拖板安裝在機床后床身上，用于砂輪架的縱向移動。拖板與后床身的移動導(dǎo)軌為貼塑靜壓導(dǎo)軌。導(dǎo)軌貼塑的材料為自行開發(fā)設(shè)計的特殊導(dǎo)軌專用材料，其特點是摩擦系數(shù)小、材質(zhì)穩(wěn)定、強度高。導(dǎo)軌粘合劑按照配方由各種原料配置而成。

墊板通過螺釘固定在拖板上。磨削工件時，伺服電機帶動減速器驅(qū)動滾珠絲杠推動砂輪架作橫向進給運動。

圖4 拖板墊板及砂輪架機構(gòu)

(4)砂輪架及砂輪主軸系統(tǒng)

砂輪架安裝在墊板上。導(dǎo)軌為靜壓導(dǎo)軌。砂輪架分上下兩層。砂輪主軸由裝在體殼上的電機，通過三角皮帶驅(qū)動。電機帶有變頻器，砂輪可以有級恒線速磨削工件。砂輪架可以配備光柵尺，實現(xiàn)砂輪架進給閉環(huán)控制。

砂輪主軸軸承為高壓力的液體靜壓軸承，具有很好的剛度和平穩(wěn)性。主軸后端皮帶輪安裝有卸荷裝置，可以減少電機的轉(zhuǎn)動不平衡和振動對主軸精度的影響。

(5)砂輪自動修整器

砂輪架體殼的后側(cè)安裝有兩軸砂輪自動修整裝置。該裝置通過兩軸數(shù)控插補實現(xiàn)砂輪外圓和圓弧的修整。該修整器的十字滑臺導(dǎo)軌均采用直線導(dǎo)軌，伺服電機通過滾珠絲杠副實現(xiàn)軸線運動。

圖5 砂輪架三維模型

3.理論研究

(1)機床整機虛擬樣機狀態(tài)下的仿真分析

圖6 砂輪自動修整器

為了確保曲軸磨床一次試制成功，該項目基于PhD/ENGINEER軟件系統(tǒng)，采用Pro/MECHANICA分析平臺對磨床進行了建模和有限元分析，在計算機上建立了曲軸磨床整機的三維幾何模型，研發(fā)了可以模擬實際工作狀態(tài)的整機虛擬樣機模型。該虛擬樣機特別考慮到結(jié)合面的摩擦特性、阻尼特性、螺栓的預(yù)緊力特性、熱特性、運動動力學(xué)特性以及它們之間的耦合仿真等，解決了多學(xué)科仿真之間的信息流的無縫連接，可以完全模擬實際磨床工作狀態(tài)的特性。在設(shè)計階段，進行了大量整機虛擬樣機狀態(tài)下的仿真分析與虛擬試驗，確保曲軸磨床的一次試制成功。

(2)整機動靜態(tài)性能仿真技術(shù)

整機仿真技術(shù)是仿真分析的尖端技術(shù)之一。它的特點是全面有效地反映了實際物理樣機的各種受載狀況，物理力學(xué)邊界條件以及約束條件等，因而仿真解析結(jié)果能夠較真實地反應(yīng)實際情況（圖10及圖11）。通過整機仿真技術(shù)，在設(shè)計階段，就可以評估磨床應(yīng)該達到的精度，確保了在低成本條件下達到預(yù)期的設(shè)計制造要求。

圖10 磨床整機靜態(tài)剛度分析的一個結(jié)果

(3)機床主軸熱誤差測量系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計方法

在精密和超精密加工條件下，研究機床的熱變形誤差測量與補償技術(shù)對于提高機床的加工精度起著極其重要的作用。數(shù)控機床熱誤差補償?shù)倪^程一般分為誤差測量、建模和補償三個階段。本項目給出了數(shù)控機床最優(yōu)熱誤差測量系統(tǒng)的設(shè)計方法，通過數(shù)控磨床主軸系統(tǒng)的計算說明了具體的計算方法。計算結(jié)果表明，該方法可以在有限元分析的基礎(chǔ)上，計算出最優(yōu)的溫度測點位置以及多個溫度測點的最優(yōu)組合。

(4)砂輪直徑磨損測量及補償技術(shù)

數(shù)控磨床在工件磨削過程中，不可避免地會產(chǎn)生砂輪的磨損現(xiàn)象，為了保證加工精度，需要及時對砂輪的直徑變化或磨損量進行檢測。由于磨削加工是一種高精度的加工方法，限于較高測量精度的要求，目前還難以直接對砂輪直徑進行精密的在線測量。利用安裝在砂輪架上的聲發(fā)射傳感器，可以測量砂輪相對于機床某一基準的相對位置，通過測量該相對位置的變化，間接地檢測砂輪的磨損量，并將測量結(jié)果反饋至數(shù)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)砂輪磨損的自動補償。

圖11 磨床整機模態(tài)分析的一個結(jié)果

三、 產(chǎn)品創(chuàng)新點

MK82125系列數(shù)控曲軸磨床加工的連桿頸圓度已經(jīng)達到0.010mm，縱截面內(nèi)直徑一致性0.012 mm，連桿頸外圓母線對主軸頸軸線的平行度可以達到0.010mm，加工表面粗糙度為Ra0.32μm。該產(chǎn)品目前為止已申請9項專利證書，其中5項發(fā)明專利。

主要創(chuàng)新點為：

(1)整機仿真技術(shù)

整機仿真技術(shù)是CAE仿真技術(shù)中較有效的一種仿真技術(shù)。采用整機動平衡仿真技術(shù)、整機動靜態(tài)性能仿真技術(shù)以及整機條件下的機床剛度優(yōu)化技術(shù)，確保機床具備良好的動靜態(tài)性能，減小曲軸在裝夾后的變形，保證床頭箱具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度。該項技術(shù)已經(jīng)申報國家發(fā)明專利。

(2)用于工件支撐的大直徑高壓力液體靜壓軸承

由于曲軸是個撓性體，磨削過程中對驅(qū)動軸產(chǎn)生很大的變載荷徑向力。傳統(tǒng)的軸系支撐多數(shù)使用滾動軸承，但是滾動軸承都是點接觸或線接觸，長時間的交變載荷很容易磨損，使用壽命短。對于重載情況下，軸承的損壞尤為嚴重。本項目采用液體靜壓軸承，主軸由油膜支撐，基本沒有接觸磨損，并且靜壓軸承有很好的吸振性，支撐剛度好，壽命長。通過對液壓靜壓軸承工作載荷的分析，提出了重載荷靜壓軸承的設(shè)計方案,解決了大型曲軸磨床頭、尾架主軸低速、重載、高回轉(zhuǎn)精度的實際問題，該項技術(shù)已獲得國家實用新型專利。

(3)曲軸磨床工件同步驅(qū)動系統(tǒng)

曲軸由于是個撓性體，在磨削加工時為了防止曲軸的扭曲變形，大型曲軸磨床都是采用頭、尾架夾持工件，同步回轉(zhuǎn)，同步精度要求達到6"。本項目采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)。為了滿足曲軸的磨削精度，在此系統(tǒng)上研發(fā)了高同步精度的控制程序。該項技術(shù)已獲得國家實用新型專利。

(4)大型曲軸的夾持與分度夾具

曲軸夾具必須集成偏心調(diào)節(jié)裝置、偏心校正裝置、精確分度以及工件夾緊功能，可以實現(xiàn)曲軸一次裝夾即可磨削所有連桿軸頸的功能。該項技術(shù)已獲得國家實用新型專利。

(5)大型曲軸磨床高剛度中心架

曲軸加工必須要有中心架支撐，但大型曲軸的各個軸頸檔寬相對較小，故中心架必須在有限支撐寬度的條件下，具有足夠的剛度滿足至少10t曲軸的支撐。

四、效益

本系列大型數(shù)控曲軸磨床產(chǎn)品性能指標達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平，填補了國內(nèi)大型數(shù)控曲軸磨削加工設(shè)備的空白，經(jīng)濟效益顯著。

到目前為止，MK82125系列大型數(shù)控曲軸磨床共簽訂訂單30多臺套，用戶有陜西柴油機重工有限公司、上海壓縮機有限公司、濟南新聯(lián)機電設(shè)備有限公司、青島淄柴博洋柴油機股份有限公司、濰坊生建機械廠、上海環(huán)海實業(yè)有限公司、遼寧五一八內(nèi)燃機配件有限公司、杭州中高發(fā)動機有限公司、寧波天豪機電設(shè)備有限公司、鎮(zhèn)江蘇潤船用機械有限公司、鎮(zhèn)江中船設(shè)備有限公司、四川省博實機械有限責任公司等十多家曲軸制造企業(yè)，目前已經(jīng)完成銷售10臺套，實現(xiàn)近5千萬元的銷售收入，用戶均反映良好。

采用MK82125數(shù)控曲軸磨床加工的6PC2-6L曲軸類零件單件銷售價可以達到120萬元人民幣，相對加工前半成品80萬元的價格，增加了二分之一多，相對于法國Pielstick 的6PC2-6約600萬元的價格減少了五分之四，顯著降低了生產(chǎn)6PC柴油機的成本。采用2臺曲軸磨床，可月加工8件曲軸，每根安裝于6PC柴油機后整機售價達到1200萬元以上，也就是說購買兩臺MK82125系列的大型曲軸磨床一年可為柴油機制造企業(yè)實現(xiàn)近12億元銷售收入。

表 國內(nèi)外相關(guān)磨床產(chǎn)品對比