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數控係統在船用柴油機曲軸加工中的應用

2021-5-25 來源：無錫工（gōng）藝（yì）職業技術學院作者：鬱晗

摘要: 柴油機主軸是船舶（bó）動力係（xì）統的關鍵部件，起到傳遞力矩和作用力的效果，也是船舶（bó）生產和製造過程中，加工難度（dù）較大，加工精度要求較（jiào）高（gāo）的零部件。由於柴油機（jī）主軸在工作過程中（zhōng）的受力非常（cháng）複雜（zá），其加工工藝直接決定了曲軸的強度，因此，研究船用柴油（yóu）機曲軸（zhóu）的（de）加工工藝，以及數控加（jiā）工設備具有重要的意義。本文結合現有的數控加（jiā）工機床，設計了（le）一種針對（duì）船用柴油機曲軸的機床（chuáng）設（shè）備，並介紹相關性能。

關鍵詞：柴（chái）油（yóu）機主軸；加工工藝（yì）；數控機床

0 引言

柴油主機是船舶動力（lì）係統的關鍵零部件，柴油主機利用柴油（yóu）等化石燃料資源（yuán）燃燒產生的（de）熱能，將其轉化為（wéi）曲軸的動能，進而推動船舶螺旋槳轉動，使（shǐ）船（chuán）舶產生前進的動（dòng）力。柴油主機是一個非常（cháng）複（fù）雜的動力學係統，包（bāo）含了上千個零部件（jiàn），在這些零部件中，曲軸作為柴（chái）油主機往複運動的關鍵結構件，將主機活塞產（chǎn）生的壓力轉化（huà）為力矩，傳遞柴（chái）油主機的全部功（gōng）率。在船舶的正常運行過程中，柴油主機產生源源不斷的動力，柴油主機的動（dòng）力通過曲軸傳遞（dì）給螺旋槳，因此，曲軸的受力狀態非常複雜，曲（qǔ）軸（zhóu）結構的強度和剛度也直接決定了柴油主機的使用壽命。

由於船舶柴油主機曲軸的加工難度較大，加工精度要求高，在世界範圍內，具備高（gāo）精度、高強度曲軸加（jiā）工（gōng）的企業為數不多，研究曲軸的（de）數控加工有非常重要的意義。傳統曲軸的（de）加工方法是在普通機床上（shàng）進行，不僅加工效率低，而且加工精度較差。比如采（cǎi）用車床進行船舶柴油主機的曲（qǔ）軸加工，受到車床剛（gāng）性的影響，可加工的柴（chái）油機曲軸直（zhí）徑和寬度（dù）受到限製。此外，普通機床進行柴油主機曲軸加（jiā）工（gōng）時，還會由於機床的振動導致加工誤差增大（dà），甚至（zhì）導致曲（qǔ）軸產生變形。本文研究的重點是一（yī）種（zhǒng）基於數控係統的船用柴油機曲軸加工機床，通過分（fèn）析（xī）柴油（yóu）主機的加工工藝，建立曲軸加工的（de）坐標係，設計了一種船用柴油機曲軸數控加（jiā）工係統。

1、船舶柴油機曲軸的（de）結構與加工工藝研究現狀

船用柴油機主（zhǔ）軸包含多個零部件，如齒輪，飛輪等（děng），其示意圖如圖 1 所示。

圖 1 船舶柴油機曲軸示意圖

目前，針對柴油主機曲軸的加工設備，主要以銑削和磨削設備為主，比（bǐ）如車床、車銑加工中（zhōng）心等加工設備。這些加工設備主要作用於曲軸的粗加工。曲軸要想滿足質量要求，還需要進行多次的（de）精加工，這些精加工設備包括（kuò）磨床、曲柄銷磨（mó）床（chuáng）等。

由於（yú）曲軸（zhóu）結構複雜，加工難度和加工精度（dù）高，目前，國內（nèi）外（wài）相關研究（jiū）領域針對曲軸加工的研究非常（cháng）廣泛（fàn）。本（běn）文（wén）為（wéi）了提高對船用柴油主（zhǔ）機曲軸加工的質量（liàng），對曲軸加工（gōng）的工（gōng）藝（yì）進（jìn）行了係統的（de）研究。船用柴油機曲軸加工的工藝難點如下：

1）曲軸的（de）直徑以及表麵粗（cū）糙度對於曲軸的強度有非常重要的影響，同時，曲軸（zhóu）的圓柱度要求也較高，普通機床難以滿足。

2）曲軸的傳動（dòng）比與曲軸加工（gōng）過程的圓跳度息息相關，因此，在加工過程中，必須通過提高機床（chuáng）的穩定性來提高曲軸加工的圓跳度。

3）曲（qǔ）軸不（bú）同模塊相對於統一基準的（de）平行度要求較高，需要精確到 0.01 mm 級（jí）別。

4）法蘭是曲軸進行（háng）力矩傳輸的主要（yào）裝置，連接曲軸主體和齒輪，因此，法蘭的（de）加（jiā）工精度有重要意義。通（tōng）常，法蘭的加工需要兼具位置度（dù）和平麵度的要求（qiú），平麵度在 0.02 mm 以上，才能保證柴油主機曲軸的裝配精度。

5）曲軸安裝孔的（de）加工精度必須要滿足±0.1 的偏差以及形位公差要（yào）求。

2 、基於數控（kòng）係統的船用柴油機曲軸加工技術研究

2.1 曲（qǔ）軸數控加工刀具的運（yùn）動分（fèn）析

在進行船用柴油主機曲軸的數控加工機床設計之前，必須要（yào）對加工過程的刀具軌跡進行研究。所謂刀具軌跡，是數（shù）控機床在加工過程中刀具的運行（háng）軌跡（jì），刀具軌跡（jì）直接決定了（le）加（jiā）工過程的材料去除量（liàng），以及加工的（de）精度。在數控機床設計時，刀具軌跡以文件的形

式存儲在處理器中，形成機床代碼，並規（guī）劃後續的刀具位置和進給量。

數控機床（chuáng）中的工件加工過程，實際（jì）上就是一個軸係的綜（zōng）合運（yùn）動變換過程。針對船用柴油主機曲軸（zhóu）的特點，本文建立曲軸數（shù）控加工過（guò）程的坐標係如圖 2 所示。

圖 2 曲軸數控加工過程的坐標係

2.2 船用柴油機主軸的數控加工係統設計

結合曲軸加工的工藝要求，本文設計（jì） 1 種（zhǒng）基於五軸機床的曲軸（zhóu）數控加工機床，該機床包括（kuò）軸係加工係統、控製係統、切削液循環係統、工作台驅動係統等，具體原理圖如圖3 所示。

圖 3 基於五軸機床的曲軸數控加工機（jī）床

1）控製（zhì）係統

曲軸數控加工（gōng）機床的（de）控製係統是整個數控機（jī）床（chuáng）的核心，主要（yào）包括中央處理器、內存以及數據采集板卡等。控製係統可以進行曲軸加工過程的刀具軌跡（jì）插值運算，同時控製工作台驅動係統進行動，進行誤差的補償。

2）軸係加工係統

軸係加工係統是柴油機主軸材料去除的關（guān）鍵，本文我們采用的五軸數控加工機床，可以實現加工刀（dāo）具6 個自由（yóu）度（dù）的運轉，完成曲軸加工（gōng）的一次成型。需要注意的是，軸係加工係統的刀（dāo）具有多種分類，分別（bié）進行曲（qǔ）軸加工過程（chéng）的材料去除、粗加工、半精加工、精加工等步驟。

3）工（gōng）作台驅動係統

工作台驅動（dòng）係統決（jué）定了（le）加（jiā）工過程的工件進（jìn）給量，需要注意材料進給的速度和（hé）穩定性。工作台驅動係統（tǒng）接收控製係統的指令，並將這些指令轉化為脈衝信號，進而控製步進電機的運轉。

4）切削液循環（huán）係統

船舶柴油機曲軸為了滿足較高的強度和（hé）剛度（dù）要求，選用的材料多為鈦合金等高強度材（cái）料。這些材料在（zài）進行切削加工時（shí）會產生大量的（de）熱量，為了防止曲軸（zhóu）產生熱變形，必須要配（pèi）備切削液循環係統。本文對該船用柴油機（jī）主機的數控（kòng）機床加工精度進行了誤差統計，得到不同進給速度下的精度誤差曲線如圖 4 所示。

圖 4 不同進給（gěi）速度下的精度誤差曲線

3、結語

船舶柴油主機的曲軸加工決定了柴油主（zhǔ）機的使用（yòng）壽命，研究柴（chái）油機曲（qǔ）軸的高效（xiào）、高質（zhì）量加工有重要的意義。本（běn）文研（yán）究的重點是基於曲軸的加工工藝（yì）與加工坐標係，設計了一種曲軸的數控加工（gōng）機床，並對該機床的原（yuán）理組成進行（háng）了詳細的介紹。

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