冷態(tài)反敲法在艦船艉軸校直中的應(yīng)用

崔利剛

(大連遼南船廠, 遼寧 大連 116041 )

冷態(tài)反敲法在艦船艉軸校直中的應(yīng)用

崔利剛

(大連遼南船廠, 遼寧 大連 116041 )

為解決艦船艉軸加工、裝配過程中發(fā)生彎曲問題，提出應(yīng)用冷態(tài)校直—冷態(tài)反敲法來解決艦船艉軸彎曲問題，通過實(shí)例詳細(xì)闡述運(yùn)用冷態(tài)反敲法在細(xì)長艉軸和空心艉軸校直過程中的成功應(yīng)用，論證冷態(tài)反敲法在解決艦船艉軸彎曲問題的可行性。

作用力；反作用力；塑性變形；失效；跳動(dòng)量；泠態(tài)反敲法；艉軸

0 前 言

艦船艉軸因各種原因在工作中易發(fā)生彎曲，徑向跳動(dòng)超差，尤其是小型艦船艉軸，此種情況更為普遍。它們的軸徑一般在Φ50～Φ120 mm，長度在4 000～7 000 mm，材質(zhì)為中碳鋼或中低碳合金鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。一些大型艦船艉軸也時(shí)常發(fā)生彎曲和徑向跳動(dòng)超差的情況，它們的軸徑一般在Φ150 mm以上，長度在10 m以上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為空心，材質(zhì)與小型艦船基本相同。針對這些徑向跳動(dòng)超差的艉軸，在過去的修理中，既沒有固定的校直方法，也沒有成型的工藝標(biāo)準(zhǔn)可供參考，通常由操作者憑經(jīng)驗(yàn)校直。使用最多的是熱校直法，細(xì)長艉軸有時(shí)也采用冷校直，但過程不規(guī)范，效果不佳，效率較低，由于不了解冷、熱校直的原理，也就無法了解這兩種校直方法對軸頸表面產(chǎn)生的危害性。隨著船廠艦船修理數(shù)量的增多，有必要對艉軸的校直進(jìn)行深入研究，并固化校直方法，形成工藝標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 艉軸冷校直原理

1.1 艉軸發(fā)生彎曲的原因

艉軸發(fā)生彎曲原因如下：

(1) 艉軸在加工過程中形成的內(nèi)應(yīng)力沒有完全消除，在工作中由于受到疊加的內(nèi)、外力作用，當(dāng)這種力超過軸的屈服極限時(shí)，軸就會(huì)產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。

(2) 受到突然的、超過屈服極限的外力作用，如被撞擊或被其他物體纏繞等，易導(dǎo)致軸發(fā)生彎曲。

(3) 由于裝配等原因，使艉軸在工作時(shí)，位于垂直軸上的某一點(diǎn)長時(shí)間受到不平衡力的作用，導(dǎo)致艉軸產(chǎn)生疲勞變形而彎曲。

1.2 冷態(tài)校直原理

1.2.1 冷態(tài)校直法

冷態(tài)校直法是指對于已經(jīng)熱處理后變形的零件，在室溫下對某一部位施加一種外力的作用，使歪扭、翹曲的零件矯正，包含有壓力校直、正敲、反敲等方法。

1.2.2 冷態(tài)反敲法

冷態(tài)反敲法是指針對高硬度的薄、細(xì)長工件，對其變形凹面，以硬質(zhì)合金小錘子仔細(xì)敲擊，使工件局部產(chǎn)生延展擠壓力，并產(chǎn)生小面積塑性變形，凹面伸長，從而校正變形。冷態(tài)反敲法所用的錘子，其硬質(zhì)合金錘面應(yīng)打磨光滑平整，被校工件應(yīng)正對敲擊部件墊實(shí)不得有空隙，否則將敲斷工件。反敲可在工件變形凹面多處進(jìn)行，直至將工件校直。

1.2.3 冷態(tài)反敲法在艉軸加工裝配中的應(yīng)用

眾所周知，當(dāng)給一個(gè)物體施加一個(gè)外力時(shí)，該物體內(nèi)必然產(chǎn)生一個(gè)與之相等的反作用力，當(dāng)外力大于該材料的屈服極限時(shí)，物體將發(fā)生彎曲，反之，物體不會(huì)發(fā)生彎曲，外力撤銷，反作用力也隨之消失。當(dāng)外力的作用導(dǎo)致物體表面發(fā)生局部塑性變形時(shí)，反作用力不會(huì)消失，將始終存在于物體內(nèi)部。艉軸的材質(zhì)都是經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的中碳鋼或中低碳合金鋼，具有較好的綜合機(jī)械性能，有屈服變形特點(diǎn)。因此，當(dāng)我們用手錘用力敲擊軸頸表面時(shí)，軸頸表面會(huì)出現(xiàn)“凹點(diǎn)”，該“凹點(diǎn)”即為作用點(diǎn)處發(fā)生塑性變形所致。外力作用造成的“凹點(diǎn)”會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)的壓應(yīng)力，與之相反，從軸內(nèi)部便產(chǎn)生一個(gè)向外的反作用力作用在“凹點(diǎn)”處。外部施加的外力所產(chǎn)生的壓應(yīng)力不具有累加的特性，而從內(nèi)部產(chǎn)生的反作用力，卻形成了累加。一個(gè)“凹點(diǎn)”會(huì)產(chǎn)生0.1～0.5 MPa的反作用力，幾百個(gè)“凹點(diǎn)”會(huì)產(chǎn)生幾百兆帕的反作用力。當(dāng)反作用力超過軸的屈服極限時(shí)，艉軸將向與反作用力方向相同的方向彎曲。也就是說，用錘子敲擊軸的凹處，當(dāng)敲擊的錘數(shù)達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，艉軸凹處就會(huì)在內(nèi)部反作用力的作用下逐漸平直起來，即可達(dá)到校直的目的。

1.3 敲擊點(diǎn)對軸頸表面可能產(chǎn)生的失效性

1.3.1 指向軸內(nèi)側(cè)的合力作用

敲擊產(chǎn)生的“凹點(diǎn)”發(fā)生了塑性變形，并形成冷作硬化(即在常溫下的塑性變形后，金屬的強(qiáng)度指標(biāo)如屈服點(diǎn)、硬度等提高，塑性指標(biāo)如伸長率降低的現(xiàn)象，稱之為冷作硬化)，同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)向心的壓應(yīng)力。艉軸在正常工作時(shí)受到的是表層扭力的作用，方向與圓周相切，與壓應(yīng)力垂直，兩個(gè)方向產(chǎn)生的合力指向軸的內(nèi)側(cè)方向(見圖1)。當(dāng)艉軸受到與壓應(yīng)力方向相同的外力作用時(shí)，兩個(gè)力疊加與工作扭力形成的合力仍然指向軸的內(nèi)側(cè)方向。此時(shí)“凹點(diǎn)”的存在起到了釘扎作用，使“凹點(diǎn)”周圍的金屬組織更加致密，抗扭曲變形能力增強(qiáng)，因此對正常工作的艉軸來說，因校正產(chǎn)生的凹點(diǎn)不但不會(huì)產(chǎn)生破壞作用，還會(huì)加強(qiáng)艉軸局部的強(qiáng)度。

圖1 指向軸內(nèi)側(cè)的合力

1.3.2 指向軸外側(cè)的合力作用

若艉軸受到與壓應(yīng)力方向相反、與反作用力方向相同的外力作用時(shí)，這個(gè)疊加的力與工作扭力形成的合力指向軸外側(cè)(見圖2)，會(huì)對“凹點(diǎn)”邊緣金屬組織形成撕裂，長時(shí)間作用就易在邊緣產(chǎn)生裂紋源，對艉軸造成破壞。這種破壞力在艉軸工作時(shí)一定存在，但正好與反作用力形成最大疊加的機(jī)會(huì)則非常小，即使出現(xiàn)也需要長時(shí)間的作用才能在“凹點(diǎn)”邊緣產(chǎn)生破壞性裂紋源。所以綜合分析確認(rèn)，“凹點(diǎn)”能給艉軸造成破壞的概率很小。

圖2 指向軸外側(cè)的合力

2 冷態(tài)反敲法在細(xì)長艉軸校直上的應(yīng)用

以某型船救生艇4根艉軸的校直為例，研究冷態(tài)反敲法在細(xì)長艉軸上的應(yīng)用。該艉軸的長度為4 500 mm，直徑為Φ60 mm，材質(zhì)為中低碳合金鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。下面闡述艉冷態(tài)反敲法校直的過程與方法。

2.1 檢測徑向跳動(dòng)

如圖3所示，將一根艉軸夾到機(jī)床上，軸的一端固定在機(jī)床床頭的卡盤爪內(nèi)，另一端用機(jī)床尾座頂尖頂在端面的中心孔內(nèi)，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)艉軸，架起百分表檢測a，i兩點(diǎn)的徑向跳動(dòng)量，并調(diào)整控制在不大于0.02 mm范圍以內(nèi)，再按圖樣上要求測定的各點(diǎn)，逐一檢測徑向跳動(dòng)情況。

圖3 細(xì)長艉軸示例

2.2 徑向跳動(dòng)檢測記錄

查看各點(diǎn)的徑向跳動(dòng)情況，將跳動(dòng)量最大點(diǎn)的最凹處朝上，檢測的結(jié)果如表1所示。

表1 細(xì)長艉軸徑向跳動(dòng)檢測結(jié)果 mm

2.3 冷態(tài)反敲法的應(yīng)用

用手錘用力敲擊(以不損壞手錘為宜)凹處，敲擊處應(yīng)選擇非工作軸頸處，由于不清楚敲擊能產(chǎn)生多大變化，建議第一次敲擊100次即可。然后用百分表測量各點(diǎn)的變化情況。通過第一次敲擊，發(fā)現(xiàn)各點(diǎn)徑向跳動(dòng)量發(fā)生了微弱的變化，證明冷態(tài)反敲法有效，且發(fā)生的變化與原理中的分析相吻合，說明第一次敲擊的方法正確，因此可繼續(xù)進(jìn)行校直實(shí)踐。按第一次敲擊的方法繼續(xù)后續(xù)校直，直到達(dá)到技術(shù)要求的范圍，至此，便完成了第1根艉軸的校直。按第1根艉軸的校直經(jīng)驗(yàn)，將其他3根艉軸也進(jìn)行校直，均達(dá)到技術(shù)要求的范圍。冷校直結(jié)束自然時(shí)效一周后測量，徑向跳動(dòng)量沒有變化。總結(jié)上述4根艉軸的冷校直規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)，又對多型船多根艉軸(均為細(xì)長軸)進(jìn)行了冷態(tài)反敲法校直，均獲得成功，證明冷態(tài)反敲法對細(xì)長軸校直有效。

3 冷態(tài)反敲法在空心艉軸校直中的應(yīng)用

以上針對的是實(shí)心細(xì)長艉軸的冷態(tài)反敲法校直，而空心軸從未嘗試過。以某型艇4根空心艉軸為例，該艉軸的直徑為Φ190 mm，長度為12 200 mm，材質(zhì)為35CrMo，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理為空心結(jié)構(gòu)。該形式的艉軸在以前的維修中曾用火焰校直法進(jìn)行過校直，但效果不佳。此次維修，參考細(xì)長艉軸冷態(tài)反敲法校直成功經(jīng)驗(yàn)，大膽嘗試，對這4根艉軸進(jìn)行冷態(tài)反敲法校直。若能取得預(yù)期效果，達(dá)到技術(shù)要求，將證明冷態(tài)反敲法校直對空心軸校直也有效，其結(jié)果將對船廠的艦船軸系修理工程有著重要的意義。

3.1 檢測徑向跳動(dòng)

如圖4所示，將一根艉軸夾到機(jī)床上，過程與2.1中的內(nèi)容相同，測量結(jié)果如表2所示。

圖4 空心艉軸示例

表2 空心艉軸徑向跳動(dòng)檢測結(jié)果 mm

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3.2檢測結(jié)論

觀察各點(diǎn)的徑向跳動(dòng)情況，將跳動(dòng)量最大點(diǎn)的凹處朝上。

3.3冷態(tài)反敲法的應(yīng)用

用手錘用力敲擊(以不損壞手錘為宜)最凹處表面，敲擊處應(yīng)選擇非工作軸頸處，根據(jù)整個(gè)軸的彎曲情況，建議第一次敲擊100次，然后用百分表測量各點(diǎn)的變化情況。經(jīng)過第一次敲擊后，發(fā)現(xiàn)各點(diǎn)徑向跳動(dòng)量均發(fā)生了數(shù)值不等的變化，即都變小，證明冷態(tài)反敲校直法對空心軸校直也起作用，且發(fā)生的變化與原理中的分析相吻合，可繼續(xù)進(jìn)行校直。按第一次敲擊的方法對艉軸繼續(xù)進(jìn)行校直，直到符合技術(shù)要求，成功完成了對第一根空心軸的校直。按第一根艉軸的校直經(jīng)驗(yàn)，將其他3根艉軸也進(jìn)行校直，結(jié)果均達(dá)到技術(shù)要求的范圍。采用冷態(tài)反敲校直法對4根空心艉軸進(jìn)行校直均獲得成功，證明冷態(tài)反敲校直法對空心軸校直有效。

4 冷態(tài)反敲法優(yōu)勢分析

冷態(tài)反敲法與冷態(tài)壓力校直(冷態(tài)正敲)法及熱態(tài)校直法相比，具有一定的優(yōu)勢：

冷態(tài)壓力校直(冷態(tài)正敲)法是在彎曲最大點(diǎn)的凸面施加一個(gè)壓力，使之產(chǎn)生反向變形，校正彎曲后還要產(chǎn)生一定的與原變形方向相反的變形，確保外力撤去回彈后彎曲變形在要求的范圍內(nèi)，其缺點(diǎn)一是施加的外力大小不好掌握，二是經(jīng)過一定時(shí)間的自然時(shí)效處理及使用后，可能會(huì)產(chǎn)生回彈變形。冷態(tài)反敲法施加的敲擊力大小可控并能隨時(shí)監(jiān)控校直情況，同時(shí)錘擊產(chǎn)生的塑性變形可以確保不會(huì)產(chǎn)生回彈變形。

熱態(tài)校直法是通過在彎曲最大點(diǎn)的凸面采用局部加熱的方法來消除彎曲變形，其缺點(diǎn)一是加熱溫度不好掌控，二是局部加熱對金屬內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)會(huì)帶來改變，存在一定的使用風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

通過積極研究和探索，逐步使冷態(tài)反敲校直法在艦船艉軸校直中得到廣泛應(yīng)用，尤其是對空心艉軸進(jìn)行冷態(tài)反敲校直研究獲得成功，更具有重要意義。冷態(tài)反敲校直法校正艉軸的成功，有力地提高了工廠的裝備保障能力。

ApplicationofColdStraighteningMethodduringProcessofShipSternShaftStraightening

CUI Ligang

(Dalian Liaonan Shipyard， Dalian 116041, Liaoning, China)

In order to solve the bending problem of ship stern shaft during the process of machining assembling, the cold straightening method is proposed to solve the bending problem of stern shaft. The successful application of cold straightening method in slender stern and hollow stern straightening process is elaborated. The feasibility of cold straightening method in solving the problem of ship stern shaft bending is demonstrated.

force; reactive force; plastic deformation; invalid; jeck value； cold straightening method; stern shaft

崔利剛(1973-)，男，工程師，主要從事船舶零部件機(jī)加工工藝管理工作

1000-3878(2017)06-0057-03

U671

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