小型擴孔機在大型船舶舵葉機構修理中的應用

吳祝華

（中交廣州航道局有限公司船舶維修分公司，廣東 廣州510000）

0 引言

船舶在航行中保持航向或改變航向主要依靠舵來實現。船舶的轉舵是由舵機作為動力源，通過轉舵裝置將力矩傳遞給舵桿，從而帶動舵葉轉動。而舵桿舵葉機構是由6根緊配螺栓將兩者連接合成（圖1），螺栓起到定位連接、固定的作用。船舶在使用一定時間之后，由于受到海水的腐蝕作用，螺栓與孔的連接會出現松動，并且會越來越嚴重。為了確保轉舵效果和安全性，舵桿舵葉機構應進行擴孔修理，重配緊配螺栓。但由于其較高的加工精度要求（表1）和較大的構件外形，一般的鏜床無法完成加工，如果配置大型鏜床，又成本過高。為了解決上述問題，公司組織了專業的技術人員對加工現場進行分析、探索，自行設計出了一臺小型擴孔機，用于加工舵桿和舵葉配合連接的螺栓孔，并在生產實踐中取得了良好的使用效果。

圖1 舵桿舵葉機構圖

表1 螺栓、螺栓孔加工精度要求 單位：mm

1 小型擴孔機的構造和各部件功能

為了適應現場加工的要求，在確保擴孔機有足夠的切削動力和加工穩定性的前提下，盡量減輕擴孔機的重量，更能適應現場實地的作業要求，從而減輕勞動強度。基于上述原則設計的小型擴孔機的基本組成和功能如下：

1．1 小型擴孔機的基本組成結構

小型擴孔機主要由電機、齒輪箱、蝸桿傳動機構、主軸、進給輔助機構、電機正反轉開關及機體等部分組成，如圖2所示。

圖2 擴孔機的基本結構圖

（1）機體的下底面是一塊主體底座板，用來支撐整個機體，其中的4個螺絲孔用于機體和夾具的安裝連接；（2）主軸筒3焊接在主體底座板7上，主軸2安裝在主軸筒3內，由3個銅套軸承定位；（3）機體的頂部平板用于安裝電機；（4）齒輪箱5和進給輔助機構9分別位于主軸筒的兩側，正反轉開關4安裝在主軸筒進給機構的上部；（5）蝸桿傳動機構6連接在齒輪箱5的后面，和主軸筒緊密相連。這樣簡單實用的組成結構使得擴孔機具有體積小、便于操作、結構緊湊合理的特點。

1．2 小型擴孔機主軸的動力結構

在擴孔機的頂部安裝一臺小型三相異步電動機（型號為YS－90L2，1 400r／min）作為動力源，通過皮帶輪將動力傳遞給位于其下方的齒輪箱，為了減小擴孔機的重量和體積，齒輪箱只安裝一組齒輪（起傳動和減速作用），經過齒輪組的減速后，把動力傳送給蝸輪蝸桿機構，蝸輪通過平鍵和主軸連接，帶動主軸作旋轉運動。經過皮帶輪、齒輪、蝸桿蝸輪的三級減速后，主軸的轉速減少到30r／min，大大提高了切削動力。

1．3 擴孔機的自動進刀功能

為了盡量滿足擴孔機輕便、適合現場加工操作的需要，自動進刀功能的結構設計原理如圖3所示。

（1）在擴孔機旋轉主軸的后半部分和齒輪C內孔加工相同螺距和導程的右旋傳動螺紋，并連接安裝；（2）將齒輪A和齒輪B做成牙嵌式離合器機構，齒輪A與軸固定安裝，齒輪B與軸滑動裝配，通過控制齒輪A和齒輪B的離合器機構扣合，使齒輪A帶動齒輪B作同向旋轉運動，而齒輪B帶動齒輪C作反方向旋轉運動，正好與主軸旋轉方向相同；（3）通過計算控制蝸輪D和齒輪A、齒輪A和齒輪B、齒輪B和齒輪C的各級傳動比，最終使齒輪C的轉速高于主軸轉速；（4）由于齒輪C在橫向方向上左右各有一個平面軸承固定限位，所以產生不了橫向位移，而主軸橫向位移只受與齒輪C連接的傳動螺紋限制，所以，當齒輪C和主軸作轉向相同、角速度不同的旋轉時，電機正轉主軸產生向前進給；電機反轉主軸產生向后進給，每分鐘產生的進給量＝（V2－V1）×P，其中V1為主軸每分鐘轉速，V2為齒輪C每分鐘轉速，P為傳動螺紋導程（mm）。

圖3 進給機構圖

1．4 擴孔機的裝夾機構

在擴孔機底部設計安裝一個裝夾機構，如圖4所示，夾具由1個V字型槽架和2塊壓板組成，三者通過4根螺栓連接。加工時將V字型槽架套入舵桿，通過調整底部螺母和調節螺母來調整加工位置。

圖4 夾具安裝示意圖

1．5 刀具裝夾

將擴孔機的主軸前端加工成莫氏4#的錐孔，在錐孔內安裝帶小刀頭的刀把，裝上刀具便可進行切削加工。

2 螺栓孔的擴孔加工工藝及如何保證擴孔質量

舵桿舵葉連接螺栓孔擴孔的加工工藝可依次分為裝夾校正→粗加工→半精加工→精加工四大工序。

2．1 裝夾校正

步驟如下：（1）測量分析每一個待加工螺栓孔，找出螺栓孔的幾個可以作為同心度校正的基準點，并做好標記；（2）將擴孔機V字型槽架套入舵桿，先通過調整調節螺母將擴孔機的軸線調到和待加工螺栓孔的中心線大概相同的位置，將夾具的4個鎖緊螺母擰至半緊狀態；（3）在擴孔機的主軸上安裝一個百分表，以舵桿軸的表面為基準，手搖移動主軸（百分表測量頭表面與基準面接觸），通過讀取百分表的讀數來檢測擴孔機的主軸與舵桿軸是否平行，如不平行，則應調整夾具中的鎖緊螺母，使擴孔機的軸線和舵桿軸的軸線平行；（4）在擴孔機的主軸（軸頭）上用黃油粘上一枚大頭針（針頭指向標記好的基準點），用手轉動主軸，檢測主軸與待加工孔是否同心，如不同心，則應通過調整調節螺母和轉動夾具，使主軸與待加工孔同心；（5）校正完畢后，對角同步擰緊夾緊螺母，裝上刀具后，進行擴孔加工。

2．2 粗加工

粗加工的主要任務是去除螺栓孔內的腐蝕點和修正舵桿和舵葉兩者對接后的錯位量，要求刀具要具有較好的抗沖擊能力和較高的硬度，選用YT5硬質合金90°鏜刀效果較好，切削深度1～2mm為宜。另外，在鏜孔過程中要用刷子往連接螺栓孔內加注冷卻液，降低切削溫度，提高刀具的連續工作時間。

2．3 半精加工

半精加工的目的是去除粗加工后剩余的大部分加工余量，并起到提高加工質量的作用。選用高速工具鋼車刀可以提高加工表面的粗糙度。刀具設計為主偏角90°，副偏角取8°～10°，后角取20°左右為宜，刃磨2mm寬的卷屑槽，切削深度0．2～0．3mm為宜。在加工過程中，也要不斷地加注冷卻液降溫。

2．4 精加工

精加工時，為提高加工表面的光潔度和加工精度，刀具選用高速工具鋼車刀，切削深度為0．05mm。刀具的角度與半精加工時大致相同，但需要用油石進行人工修磨刀具。切削過程中要不斷地往加工孔內加入白厚漆和機用潤滑油的混合液體進行潤滑、降溫。另外，由于舵葉機構的螺栓孔較長，在擴孔過程中鐵屑容易在孔內積聚，將繞著刀具刮花已加工好的內孔表面，影響加工表面質量，可使用壓縮空氣清理孔內積聚的鐵屑，消除這一不利影響。最后，考慮到現場加工存在的不穩定因素較多，為了保證每對螺栓孔的同軸度，加工完一個孔后，應立刻配車一支緊配螺栓（過渡配合），并連接安裝好，然后進行第二個孔的擴孔加工，確保舵桿和每一個螺栓孔的同軸度。另外，為保證擴孔的質量，現場應清除振動較大的敲打作業。

3 結語

經過實踐檢驗，小成本設計出來的小型擴孔機在現場加工擴孔過程中加工出來的孔能達到要求的加工精度，并且大大縮短了加工時間，降低了勞動強度。6個螺栓孔用一天時間就能加工完畢，與傳統的手工鉸孔相比，工作效率提高了5～6倍，對節省修理成本、縮短船舶修期和提高修理質量起到了積極的促進作用。另外，小型擴孔機具有低成本、高效率、靈活、輕便等特點，可進一步探討其使用在其他同類型大型工件加工中的優勢。

［1］王忠．船舶結構與設備［M］．大連海事大學出版社，2007

［2］趙冬梅．機械設計基礎［M］．西安電子科技大學出版社，2004