第八章曲軸制造

第八章曲軸制造1我國是位列世界前三的造船大國，但卻不是造船強國，制約我國造船業(yè)發(fā)展的正是這種重量在40噸-400噸的大型曲軸，直到2005年我國才實現(xiàn)零的突破。我們能造出船體，但卻不能大量生產(chǎn)船用發(fā)動機；我們要批量生產(chǎn)船用發(fā)動機，卻制造不出船用發(fā)動機的主要部件——曲軸；我們要批量生產(chǎn)曲軸，卻沒有批量的大型曲軸毛坯件供應(yīng)，“船等機、機等軸、軸等坯”的等待背后蘊藏著的是一座巨大的金礦。統(tǒng)計資料顯示，1978年到1997年期間，中國在進口曲軸上花費高達9000多萬美元。而近年來，由于曲軸價格持續(xù)飛漲，以及中國造船業(yè)對曲軸需求量的增加，每年進口曲軸的費用已經(jīng)超過五千萬美元。而日本、韓國、捷克、西班牙等少數(shù)具備制造大型船用曲軸能力的國家高度壟斷著國際上大型船用曲軸市場，我們付出高昂的價格卻不一定能買的到這種船舶的心臟——大型船用曲軸。

我國大型船用曲軸的生產(chǎn)現(xiàn)狀2在船舶行業(yè)強勁發(fā)展的推動及高度壟斷的壓力下，2005年以來我國的大型船舶用曲軸取得了長足的發(fā)展。2005年1月我國第一根國產(chǎn)大型船用曲軸在上海船用曲軸廠問世，這根重71噸，長8.03米，被安裝在威海船廠為德國建造的850箱集裝箱船的柴油機主機上。2007年5月青島海西重工有限責任公司其第一根重量為72.5噸的船用曲軸成功下線發(fā)往韓國STX公司。截至2008年3月，該公司已經(jīng)生產(chǎn)了15根曲軸。2007年12月大連重工路起重集團有限公司大連華銳曲軸公司首根大型船舶曲軸成功下線，這根曲軸長6.7米、重41噸，將用在廣船國際出口意大利的50500噸油輪上。目前，我國僅以上三家公司可以生產(chǎn)曲軸，實現(xiàn)零的突破后，在巨大的需求拉動下，就是快馬加鞭的規(guī)劃與生產(chǎn)了。

我國大型船用曲軸的生產(chǎn)現(xiàn)狀3我國大型船用曲軸產(chǎn)量2007年前全部來自上海船用曲軸公司，2005年上海船用曲軸有限公司生產(chǎn)了5根曲軸，2006年生產(chǎn)了20根，2007年海西重工與大連華銳加入后，2007我國大型船用曲軸產(chǎn)量在50根左右，其中上海曲軸生產(chǎn)了40根。當然2008年會有明顯改觀，生產(chǎn)能力可達200根左右。而預(yù)計我國每年需要大型船舶用曲軸300-400根，雖然取得了快速發(fā)展，但還是需要進口來補充，目前我國的大型船用曲軸的進口主要來自于日本神戶鋼廠、韓國斗山重工、西班牙西德諾爾公司。據(jù)資料顯示：到2010年，中國需要大型船用半組合曲軸約310根，2015年將達473根。屆時，全世界的大型船用半組合曲軸仍將供不應(yīng)求。我國大型船用曲軸的生產(chǎn)現(xiàn)狀4大連重工·起重集團成功研制出國內(nèi)首支最大型號瓦錫蘭系列82T型船用曲軸，并順利通過設(shè)計專利公司和挪威船級社的聯(lián)檢。82T型曲軸屬瓦錫蘭系列，長13米，重235噸，為40萬噸礦砂船量身定制，這一曲軸檢測數(shù)據(jù)多達905個。56本章學習內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)曲軸加工特點與定位基準選擇第三節(jié)整體式曲軸制造第四節(jié)組合式曲軸制造第五節(jié)曲軸成品的檢驗7第一節(jié)概述曲軸在柴油機內(nèi)是一個高速旋轉(zhuǎn)的長軸，它將活塞的直線往復(fù)運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，進而通過飛輪把扭矩輸送給船舶傳動系，同時還驅(qū)動配氣機構(gòu)及其它輔助裝置，所以其受力條件相當復(fù)雜，除了旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力外，還承受周期性變化的氣體壓力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲與扭轉(zhuǎn)載荷。為保證工作可靠，曲軸必須要有足夠的強度和剛度，各工作表面要耐磨，而且潤滑良好。視頻：曲軸的結(jié)構(gòu)8曲軸由主軸頸，連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和后端等組成。概述9

為減輕質(zhì)量和離心力（為保證剛度要求，軸頸直徑較粗），有時將曲柄銷和主軸頸做成空心的，可兼做潤滑油道。

一個主軸頸、一個連桿軸頸和一個曲柄組成一個曲拐，直列式發(fā)動機曲軸曲拐的數(shù)目等于氣缸數(shù)；V型發(fā)動機曲軸的曲拐數(shù)等于氣缸數(shù)的一半。概述10概述11

主軸頸是曲軸的支承部分，通過主軸承支承在曲軸箱的主軸承座上，其數(shù)目不僅與發(fā)動機氣缸數(shù)有關(guān)，還取決于曲軸的支承方式。

連桿軸頸是曲軸與連桿的連接部分，連接處圓弧過渡以減少應(yīng)力集中。

曲柄是主軸頸和連桿軸頸的連接部分，斷面橢圓形，為平衡慣性力，曲柄處鑄有(或緊固)平衡重。

平衡重用來平衡發(fā)動機不平衡的離心力矩，有時還用來平衡一部分往復(fù)慣性力，從而使曲軸旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

曲軸前端裝有齒輪、驅(qū)動風扇、水泵的皮帶輪以及起動爪等。曲軸后端用來安裝飛輪。曲軸各部分的功用：12根據(jù)主軸頸的支撐方式不同，曲軸可分為：全支承曲軸：在相鄰曲拐之間都設(shè)置一個主軸頸的曲軸。多用于柴油機。優(yōu)點：曲軸剛性好，不易彎曲；缺點：缸心距加大，機體加長，制造成本增加。非全支承曲軸：主軸頸數(shù)等于或少于連桿軸頸數(shù)。多用于中小功率的汽油機。優(yōu)缺點與全支承曲軸恰好相反。曲軸分類13曲軸又可分為整體式和組合式兩類。整體式曲軸，采用整體制造，強度和剛度好，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，工作可靠，使用廣泛；組合式曲軸又分為圓盤組合式、套合式和分段式三種。這種曲軸系列產(chǎn)品制造簡單，使用中當某段損壞進行單獨更換，不致報廢整軸，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高。曲軸分類14曲軸的結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)細長多曲拐，剛性很差。連桿軸頸與主軸頸不同軸，相互平行。不同曲軸其曲拐之間的夾角可能不同。從而為加工連桿軸頸時的角度定位帶來困難。曲拐夾角180°曲拐夾角120°曲拐夾角90°15曲軸上加工有貫穿主軸頸、曲柄和連桿軸頸的油道，以便潤滑主軸頸和連桿軸頸。曲軸的結(jié)構(gòu)特點：16曲軸的結(jié)構(gòu)特點：171）尺寸精度與形狀精度主軸頸和曲柄銷直徑尺寸公差:低速機：IT7，中速機：IT6，高速機：IT6或IT５長度和厚度均按IT９加工曲柄半徑的偏差每100mm長不大于±0.15mm法蘭螺栓孔按IT7加工軸頸形狀公差（圓度和圓柱度）要求：低速機為尺寸精度IT9的1/4，中、高速機為尺寸精度IT7的1/4。1.曲軸的技術(shù)要求182）位置精度（1）主軸頸對曲軸軸線的徑向圓跳動：高速柴油機：0.02～0.04mm；大中型柴油機：0.04～0.08mm。（2）曲柄銷軸線與主軸頸軸線的平行度：0.015/100（3）各曲柄間夾角偏差不大于±15′（4）法蘭端面圓跳動：0.03（法蘭直徑小于300）0.05（直徑大于300）（5）法蘭外圓對曲軸軸線的徑向圓跳動：0.02~0.05（6）曲軸臂距差：每米活塞行程不大于0.075mm曲軸的技術(shù)要求193）表面粗糙度主軸頸與曲柄銷：低速機Ra1.6，中速機Ra0.8，高速機Ra1.6~0.8過渡圓弧、油孔Ra1.64）其他要求曲軸所有加工表面不允許有裂紋、麻點等缺陷非加工表面不允許有氧化皮、分層等缺陷高速柴油機曲軸動平衡精度為0.005N·m。曲軸的技術(shù)要求20某曲軸零件圖21曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂和軸頸嚴重磨損，其中彎曲疲勞斷裂約占80％。對曲軸的材料要求：優(yōu)良的綜合機械性能高的抗疲勞能力，防止疲勞斷裂良好的耐磨性2.曲軸的材料和毛坯22曲軸的材料和毛坯小型柴油機：球墨鑄鐵QT600-3，35、40、45鋼大型低速柴油機（半組合式曲軸）：主軸頸常用35、40鋼曲柄用鑄鋼ZG270-500，ZG310-570中高速柴油機（整體式曲軸）:35、40、45、40Cr、45Cr鋼，球墨鑄鐵QT600-323當選用鋼材時，用鍛造法制造曲軸毛坯：缸徑小于200mm：采用整體模鍛曲軸缸徑200~600mm：采用整體自由鍛或特殊鍛曲軸當選用球墨鑄鐵時，用鑄造法制造曲軸毛坯曲軸的毛坯24采用不同毛坯材料，曲軸的熱處理及加工工藝路線也不相同：鍛鋼曲軸的常規(guī)工藝路線：下料—鍛造—正火—粗加工—表面淬火及回火—精加工球鐵曲軸的常規(guī)工藝路線：鑄造—正火—回火—粗加工—表面淬火及回火—精加工曲軸的熱處理及加工工藝路線25為了改善坯料材料組織和機械性能，消除內(nèi)應(yīng)力。（1）對碳素鋼曲軸鍛件應(yīng)正火處理，粗加工后應(yīng)退火處理，硬度為HBS180-240。（2）對合金鋼曲軸鍛件應(yīng)正火處理，粗加工后應(yīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度為HBS207-286。（3）對合金銅曲軸，軸頸表面可淬火，HRC50以上，淬硬深度＞2～3mm。（4）對鑄鋼曲軸應(yīng)經(jīng)過兩次正火和回火處理，或高溫擴散退火、正火及回火處理，粗加工后應(yīng)退火處理。（5）對球墨鑄鐵曲軸應(yīng)正火處理，精加工前應(yīng)退火處理，硬度為HBS220-290。必要的熱處理26第二節(jié)曲軸加工特點與定位基準選擇1.曲軸加工的工藝特點1）曲軸形狀復(fù)雜曲軸有多曲柄，曲柄銷和主軸頸不在同一軸線上，多曲柄在空間互成120°，還存在不平衡回轉(zhuǎn)問題。2）曲軸剛性差曲軸類似細長軸，長徑比（L/D）=10～20。加工時應(yīng)采用中心架作輔助支承，還應(yīng)采用雙邊（床頭和尾座）同時轉(zhuǎn)遞扭矩的機床，以減少工件的扭曲變形。273）技術(shù)要求高a.曲柄銷和主軸頸平行度要求：以主軸頸為基準，加工曲柄銷。b.主軸頸徑向圓跳動要求：主軸頸應(yīng)在同一安裝中進行加工。c.曲柄夾角和曲柄半徑尺寸的要求：采用專用夾具。d.軸頸的高精度和低表面粗糙度的要求：嚴格劃分加工階段，采用必要的光整加工工序等。曲軸加工特點282.加工階段和定位基準的選擇曲軸加工分為：粗加工、半精加工、精加工和光整加工。曲軸加工的定位基準主要分為：徑向基準、軸向基準和角向基準。?徑向基準：一般選用兩端的主軸頸（兩邊主軸頸中心連線；兩端面中心孔連線)。中間熱處理1234567定位基準選擇29?軸向基準：曲軸為了防止軸向力作用而發(fā)生軸向竄動，采用止推結(jié)構(gòu)。加工的軸向基準一般選擇止推面。

定位基準選擇30?角向基準：粗加工連桿軸頸前，在曲柄上銑角向定位面或定位凸臺作為角向基準。角向定位面銑削角向定位基準面定位基準選擇31曲軸加工定位基準選擇：通常用頂針孔和主軸頸外圓面作為定位基準

小型模鍛式曲軸：主軸頸、法蘭外圓和端面加工，以頂針孔為定位基準。曲柄銷加工，以主軸頸與角度定位銷為定位基準。定位基準選擇32中大型自由鍛整體式曲軸：主軸頸、法蘭外圓和端面的粗加工以頂尖孔初定位，然后采用找正安裝工件，在以后的工序中則以主軸頸、法蘭外圓和端面為定位基準。鑄造整體式曲軸：主軸頸粗加工以頂針孔為定位基準；也可以法蘭外圓和小端頂針孔為定位基準。定位基準選擇33大型組合式曲軸：主軸頸的精加工和曲柄銷修正加工是以主軸頸和法蘭外圓為定位基準。曲柄銷粗加工，無論何種毛坯，都以主軸頸、法蘭外圓和端面以及曲柄銷的軸線為定位基準。曲柄夾角的角度公差是以曲柄銷加工專用夾具上的分度孔定位來達到要求的。定位基準選擇34第三節(jié)整體式曲軸制造曲軸加工工藝路線編制原則：先粗后精，先基準后其他，先面后孔，先主要表面后次要表面外圓粗加工其他表面加工粗基準加工精基準加工外圓精加工由于主軸頸要作為后續(xù)加工其他外圓的定位基準，因此，通常先加工主軸頸，而后加工連桿軸頸和其他外圓。35在確定曲軸的加工工藝路線時，還需注意以下問題：?

粗加工時由于切削余量大，切削力較大，可用中間托架增強剛性，減小變形和振動，同時機床刀具及夾具都應(yīng)有較高的剛度。中間托架整體式曲軸制造36?

加工時盡量使切削力的作用相互抵消，可用前后刀架同時橫向進給。切削力相互抵消整體式曲軸制造37?

合理安排工位次序以減少加工變形，按先粗后精的原則安排加工工序，逐步提高精度。?在有可能產(chǎn)生變形的工序后面增設(shè)校直工序。對于有7個主軸頸的曲軸。主軸頸加工順序為：4-7-1-6-2-5-31234567整體式曲軸制造381.小批量整體曲軸加工工藝過程(表8-1)（10）劃軸線和加工線（20）打兩端頂針孔（30）粗車各主軸頸、曲柄外側(cè)面及法蘭外圓和端面整體式曲軸制造39（40）劃法蘭螺栓孔，各軸頸減輕孔軸線，安裝曲柄銷加工夾具的找正線（50）鉆法蘭螺栓孔（60）粗加工曲柄銷及曲柄內(nèi)側(cè)面、曲柄臂外形整體式曲軸制造40（70）鉆、鏜軸頸減輕孔（80）熱處理（90）修正定位基準（兩端及中間主軸承、法蘭外圓）（100）半精車曲軸銷及曲柄內(nèi)側(cè)面整體式曲軸制造41（110）車曲柄臂外形至要求尺寸（120）半精車主軸頸、曲柄外側(cè)面及法蘭外圓和端面（130）精鏜減輕孔至要求尺寸（140）修正定位基準（兩端及中間主軸承、法蘭外圓）整體式曲軸制造42（150）精車曲柄銷及曲柄內(nèi)側(cè)至要求尺寸（160）精車主軸頸、曲柄外側(cè)面、法蘭外圓及端面至要求尺寸（170）精鏜法蘭螺孔至要求尺寸整體式曲軸制造43（180）銑鍵槽（190）鉆所有斜油孔和直油孔（200）主軸頸光整加工（210）鉗工修整油孔口倒角，去飛邊銳角（220）成品檢驗整體式曲軸制造視頻：車削曲軸442.曲軸加工主要工序分析1）主軸頸加工主軸頸精加工是曲軸加工最重要工序之一，對于六曲柄曲軸，可裝3～4個中心架，以提高加工時的剛性。支中心架處，主軸頸徑向圓跳動量＜成品尺寸的一半。主要工序分析45?加工主軸頸及與主軸頸同軸外圓面采用兩端中心孔定位，限制5個自由度。使用成型刀具，加工效率高，但刀具壽命低。主軸頸加工工序：粗車、精車、磨削主要工序分析462）曲柄銷加工曲柄銷加工是曲軸加工較難的工序，難度在于角度定位及旋轉(zhuǎn)時的不平衡。小批量生產(chǎn)中，曲軸曲柄銷一般在車床上加工，應(yīng)使曲柄銷軸線與車床回轉(zhuǎn)軸線同軸，通過偏心夾具來實現(xiàn)。加工時應(yīng)加裝平衡塊。視頻：加工長度8M重型臥車可加工大型曲軸主要工序分析47?加工曲柄銷曲柄銷加工工序：粗車、精車、磨削采用兩端主軸頸徑向定位，限制4個自由度；止推面軸向定位，限制一個移動自由度；第一平衡塊的側(cè)面定位面周向定位，限制一個旋轉(zhuǎn)自由度。主要工序分析48為了提高曲柄銷加工的生產(chǎn)率，對于中、大型柴油機的曲軸也可采用旋轉(zhuǎn)刀架的曲軸車床