船用中速柴油機(jī)曲軸軸頸的拋光與檢測研究

孫亞杰 殷輝

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

船用中速柴油機(jī)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(gè)柴油機(jī)最重要的部件之一，如圖1所示。

圖1 船用中速柴油機(jī)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(dòng)柴油機(jī)上其他附件工作。曲軸受力情況復(fù)雜，受到離心力、慣性力的共同作用，因此曲軸要有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)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(jī)械加工完成以后，在對(duì)曲軸的檢驗(yàn)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(yīng)重視曲軸在實(shí)際工作中，軸頸表面與滑動(dòng)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(dòng)軸瓦的接觸面不夠良好，接觸只是在某幾個(gè)小點(diǎn)或某一塊面積上，這樣就會(huì)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)軸瓦接觸得很好，各處受力均勻，摩擦面油膜完整，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，雖然也發(fā)出熱量，但熱量較小，而且分布在整個(gè)軸承上，這部分熱量很容易散失，因此軸承不會(huì)產(chǎn)生高熱。但是在裝配以后，軸頸表面與滑動(dòng)軸瓦接觸面積和接觸效果無法檢驗(yàn)，同時(shí)現(xiàn)有的加工工藝也難以保證曲軸軸頸表面與滑動(dòng)軸瓦能有理想接觸面積和接觸效果，對(duì)于船用中速柴油機(jī)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(jī)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(shí)力雄厚的企業(yè)也可采用車銑復(fù)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(yīng)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(duì)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(dòng)軸瓦接觸面積，最終都要落實(shí)到拋光工序。

目前比較常見的，利用包容在半個(gè)曲軸軸頸表面的砂帶圈對(duì)曲軸軸頸的面接觸進(jìn)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(shí)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(duì)曲軸軸頸的接觸面積過小，拋光效果難于達(dá)到理想的軸頸表面與滑動(dòng)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(duì)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(jì)拋光瓦，并將拋光工序分成粗拋光和精拋光兩個(gè)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(shí)，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(shí)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(dòng)車床，曲軸隨車床旋轉(zhuǎn)，拋光時(shí)拋光桿2可搭在機(jī)床工作臺(tái)上，利用拋光桿1的自重即可實(shí)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(fù)上述動(dòng)作拋光下一個(gè)軸頸，直到拋光全部完成。

為進(jìn)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(tái)；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(tái)上安裝支撐板，作為整個(gè)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(tái)，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(zhǔn)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(shí)在底板上對(duì)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(gè)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(tái)階孔內(nèi)穿入臺(tái)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(huì)帶動(dòng)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(yùn)動(dòng)，但是在腰形槽的長度方向上可以左右有一定的移動(dòng)量，當(dāng)旋轉(zhuǎn)手柄時(shí)，手柄帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，軸通過與壓塊2的螺紋副，進(jìn)一步帶動(dòng)支撐桿總成移動(dòng)，當(dāng)需要拋光曲軸時(shí)，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(gè)哈呋式拋光瓦可以浮動(dòng)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(shí)現(xiàn)浮動(dòng)。

112—平墊圈；113—六角頭螺栓；114—圓柱螺旋彈簧；其余標(biāo)號(hào)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(yīng)用，曲軸精拋光裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。開動(dòng)車床，曲軸隨車床旋轉(zhuǎn)，拋光時(shí)，拋光桿1穿過滑塊的孔，利用拋光桿1的自重即可實(shí)現(xiàn)力的施加，旋轉(zhuǎn)手柄，手柄帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，軸通過與壓塊2的螺紋副，進(jìn)一步帶動(dòng)支撐桿總成移動(dòng)，支撐桿總成的移動(dòng)使穿過滑塊的拋光桿1移動(dòng)，使整個(gè)哈呋式曲軸拋光瓦總成可以拋光整個(gè)曲軸軸頸寬度，可以實(shí)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(shí)操作安全，簡便。待曲軸此相位軸頸拋光完成后，重復(fù)上述動(dòng)作拋光下一個(gè)相位軸頸，直到拋光全部完成。

24—滑塊；其余標(biāo)號(hào)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(dòng)軸瓦接觸面積和接觸效果是無法直接進(jìn)行檢驗(yàn)的，為此在拋光完成以后需要對(duì)拋光效果進(jìn)行檢驗(yàn)，曲軸軸頸表面接觸面積的檢驗(yàn)方法和步驟如下[4]：

(1)按曲軸型號(hào)配作專用的軸頸標(biāo)準(zhǔn)塊和檢驗(yàn)瓦

以MAN B&W L27/38P曲軸為例，制作的曲軸軸頸標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，不允許存在內(nèi)凹情況，標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)瓦依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行配作，整個(gè)檢驗(yàn)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(yàn)過程中，檢驗(yàn)瓦擦傷曲軸軸頸表面，同時(shí)要求標(biāo)準(zhǔn)塊和檢驗(yàn)瓦的接觸面積≥95%以上，檢驗(yàn)瓦采用螺紋孔連接手柄，方便檢驗(yàn)操作。具體的L27/38P曲軸檢驗(yàn)瓦結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

圖6 L27/38P曲軸檢驗(yàn)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(yàn)時(shí)，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(lán)油，利用濕膜測厚儀測量油膜厚度。需要控制藍(lán)油油膜厚度在4 μm以內(nèi)，涂抹藍(lán)油油膜厚度達(dá)到要求后方可進(jìn)行后續(xù)檢驗(yàn)。

(3)利用檢驗(yàn)瓦和曲軸軸頸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，模擬曲軸軸頸和軸瓦的滑動(dòng)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(yàn)瓦緊貼在曲軸軸頸表面，手動(dòng)檢驗(yàn)瓦使其在曲軸軸頸表面120°范圍內(nèi)勻速滑動(dòng)，反復(fù)幾次，模擬曲軸軸頸和軸瓦的滑動(dòng)狀態(tài)。

(4)接觸面積和接觸效果的評(píng)判

通過衡量藍(lán)油在檢驗(yàn)瓦上的殘留面積和效果，來評(píng)判拋光曲軸是否達(dá)到規(guī)定的要求。要求藍(lán)油在整個(gè)檢驗(yàn)瓦上分布均勻，允許存在某幾個(gè)小點(diǎn)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(shí)施中可以封樣處理。同時(shí)為了保存檢驗(yàn)記錄，可以把藍(lán)油分布情況拓印在檢驗(yàn)記錄表上留存?zhèn)洳椋鳛榍S軸頸接觸面積和接觸效果驗(yàn)收合格的依據(jù)。

5 結(jié)束語

曲軸受力情況復(fù)雜，要有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)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(duì)曲軸的檢驗(yàn)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(yīng)重視曲軸在實(shí)際工作中，軸頸表面與滑動(dòng)軸瓦的接觸面積和接觸效果，如果接觸只是在某幾個(gè)小點(diǎn)或某一塊面積上，就會(huì)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)柴油機(jī)曲軸軸頸的拋光，使曲軸軸頸表面與滑動(dòng)軸瓦的接觸面積滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)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(shí)給出了拋光后曲軸軸頸表面接觸面積的檢驗(yàn)方法和步驟，利用此種哈呋式拋光工藝和檢驗(yàn)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(shí)踐價(jià)值巨大。