船舶主機曲軸和軸帶發電機驅動軸法蘭高精度鉸制螺栓孔的加工

洪 星，龔江華

（南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226000）

船舶主機通過曲軸向中間軸和螺旋槳軸輸出動力，進而驅動軸帶發電機和螺旋槳旋轉，主機曲軸和中間軸之間、中間軸和軸帶發電機之間都是通過法蘭連接，而法蘭螺栓一般采用鉸制螺栓。為了確保鉸制螺栓在旋轉和振動的環境下不松動，要求鉸制螺栓和法蘭之間過盈配合。另一方面，考慮到以后軸帶發電機修理和船舶大修時需要拆卸螺栓，螺栓孔的精度必須在一個比較高的精度范圍之內，才能確保螺栓和螺栓孔不受損傷。

本文結合生產實踐，基于曲軸和中間軸廠家常規生產設備下，實現船舶主機曲軸法蘭、中間軸法蘭鉸制螺栓孔高精度加工的方法。下文以曲軸法蘭為例進行說明。

1 曲軸法蘭鉸制螺栓孔精度要求

為了確保螺栓拆卸時不損傷螺栓和螺栓孔，曲軸法蘭孔的加工精度需達到以下技術要求：①孔徑。以連接曲軸的中間軸法蘭孔直徑實際加工結果為基礎尺寸（D0），曲軸側的孔徑基礎尺寸要求為（D0±0.005）mm，不同船舶設計的螺栓孔直徑不同，常見的直徑從50 mm～110 mm 不等；②圓柱度<0.005 mm；③位置度<0.005 mm；④粗糙度Ra<0.8 μm。

為了實現以上技術要求，必須對常規的加工工藝進行改進，減小各環節的加工誤差。

2 常規內孔加工方法比較

一般來說，法蘭內孔加工手段有鉆、鏜、鉸等方法。首先用鉆、粗鏜等方法，將曲軸法蘭孔粗加工到接近目標尺寸的數值，再對孔進行精加工[1]。精加工是內孔加工的關鍵步驟，對孔的精度起到決定性的作用。精加工有精鏜和精鉸2 種，2種方法各有特點，結合實際試驗結果，精鏜和精鉸加工工藝對比如表1所示。

表1 精鏜和精鉸加工工藝對比

由表1 知，2 種方法都無法達到既定的技術要求，只有對常規的方法進行改善，才能提高加工精度。考慮到精鏜具有刀具成本低、刀具規格單一的優點，因此，選擇精鏜方法進行研究。

3 鏜孔設備和工件的準備

加工螺栓孔所采用的設備為落地銑鏜床。鏜孔前將曲軸放置在支架上，調整位置，使曲軸法蘭平面和鏜軸垂直，鏜床和曲軸位置布置示意圖如圖1所示。為了保證曲軸法蘭孔和中間軸法蘭孔的位置度，使用鉆模加工工藝，曲軸和中間軸法蘭孔在加工時使用同一個鉆模。把鉆模的曲軸側止口卡在曲軸法蘭上，曲軸法蘭上安裝鉆模示意圖如圖2 所示。調整鉆模位置，使鉆模止口上、下、左、右4 個位置與曲軸法蘭之間的間隙一致。在進行孔加工前，調整鏜軸中心和對應的鉆模孔中心，使兩者對中。

圖1 鏜床和曲軸位置布置示意圖

圖2 曲軸法蘭上安裝鉆模示意圖

4 精鏜孔誤差分析

理論上，精鏜刀調整旋鈕的刻度可以精確讀取到0.001 mm 或0.002 mm，但實際上卻無法實現0.001 mm 或0.002 mm 精度的調整[2]。主要原因如下。

1）由于鏜刀機械結構上存在間隙，調整手法不同，調整結果會出現尺寸不同。

2）鏜床主軸存在一定的跳動量。

3）鏜床主軸存在一定的撓度，鏜孔時鏜床主軸是單邊受力，會出現一定的“讓刀”現象，特別是主軸伸出較長的時候，“讓刀”現象會更明顯。

4）加工時刀刃的磨損。

以上客觀因素無法完全消除，因此，必須通過加工方法的改進和優化來降低其影響，進而達到上述技術要求。

5 高精度鉸制孔的加工方法

綜合考慮上述因素，本文從以下6個方面對加工方法進行了優化和改進。

1）增加精鏜次數。與粗鏜相比，精鏜在精度控制上有明顯優勢，一般鏜床加工工藝中，只需要精鏜一次即可達到要求。由于精鏜時鏜刀調整幅度較小，調整產生的誤差絕對值也較小，與此同時，精鏜的吃刀深度比粗鏜要小，“讓刀”現象會減少，因此可以通過增加精鏜次數來進一步提高加工精度。

通過反復試驗，最終確定精鏜次數為3次，每次加工量為0.200 mm 左右，也就是粗鏜后預留的加工量為0.600 mm左右。

2）鏜刀調整。吃刀深度是通過鏜刀進行調整的，鏜刀上有鎖緊螺絲和調整螺絲。首先要松動鎖緊螺絲，調整好吃刀深度后再上緊鎖緊螺絲。為了減少機械結構間隙的影響，調整時遵循以下原則。

（1）每次松動鎖緊螺絲時，松動程度都保持基本一致，且松到可以調整得動調整螺絲即可，不宜太松。

（2）調整螺絲轉動方向保持單向，也就是不要先調大再調小。

（3）最后一次粗鏜以及3 次精鏜過程中不得更換鏜刀刀片，否則后續的調整將失去基準，需要提前確認刀片狀態，如磨損量過大，則提前更換。

在遵循以上原則的情況下，即使調整有偏差，其偏差量與偏差的方向基本一致，為下一步的尺寸修正提供了基礎。

3）吃刀深度修正。在第一次精鏜孔后對孔徑進行測量，計算出實際加工量，再按設定的吃刀深度計算出理論加工量，并計算出兩者之間的差值。第二次精鏜調整吃刀深度時，對此進行反向修正，以抵消第一次精鏜的加工誤差。這種修正可能一次無法修正完全，所以第三次精鏜在上一次修正值的基礎上再作類似修正，但需要注意計算第一次修正時的修正比例和最終誤差。

4）位置度調整。每一次精鏜前用千分表測量鉆模孔中心和加工的孔中心偏差量，修正鏜床主軸坐標。從實際試驗結果來看，由于孔的深度不到100 mm，在這個范圍內鏜床的主軸輸出十分穩定。第一次調整后，后續偏差較小。

5）量具精度提升。要測量0.005 mm 精度的孔，使用的量具也必須要達到相應精度。并不是量具的分度值達到0.001 mm 就代表著精度也能達到。是否真正達到要求的精度，要看該量具廠家說明書中的精度指標是否能夠滿足測量的精度要求。

6）增加珩磨工序。在精鏜之后增加一道珩磨工序。珩磨的目的有2個，一個是孔徑微調，另一個是降低粗糙度。所以珩磨時一般用油石或者240#以上的砂皮，太粗的砂皮會造成珩磨量過大，并增加粗糙度。

為了實施珩磨，精鏜時的孔徑目標值設定必須留有余量，從實際試驗結果來看，精鏜孔徑目標值比D0小0.005 mm左右比較合適。

6 鏜孔試驗結果

鏜孔試驗前，先準備1 個法蘭。按照圖2 安裝好鉆模，固定在支架上，調整法蘭平面，使其與鏜床主軸垂直。假設中間軸法蘭1號孔的加工結果為68.005 mm，根據技術要求計算，曲軸法蘭1 號孔的孔徑要求在68.000～68.010 mm 之間。因此，本次精鏜的孔徑目標值為68.000 mm，粗鏜的孔徑目標值為67.400 mm，分3 次精鏜，每次加工量約為0.200 mm。

粗鏜孔徑結果如表2 所示，其中位置度為：上下偏差0.003 mm，左右偏差0.002 mm。

第一次精鏜，吃刀深度0.100 mm，第一次精鏜鏜孔結果如表3，其中差值為-0.034 mm（67.560-67.394-0.200），所以第二次精鏜時吃刀深度的修正值為+0.017 mm。

表3 第一次精鏜鏜孔結果 mm

第二次精鏜，吃刀深度0.100 mm，再加上修正值+0.017 mm，最終吃刀深度是0.117mm，第二次精鏜鏜孔結果如表4所示。其中差值為0（67.760-67.560-0.200），所以可以認為每0.100 mm 吃刀深度，修正+0.017 mm恰好能抵消誤差。

表4 第二次精鏜鏜孔結果 mm

第三次精鏜，吃刀深度0.120 mm+0.020 mm，第三次精鏜鏜孔結果如表5 所示。測得Ra為0.895 μm，略大于技術要求的Ra<0.8 μm。

表5 第三次精鏜鏜孔結果 mm

采用油石珩磨修正，珩磨時間20 s，油石珩磨修正結果如表6 所示。測得Ra為0.515 μm，滿足技術要求的Ra<0.8 μm。位置度測量為：上下偏差0.002 mm，左右偏差0.002 mm。

表6 油石珩磨修正結果 mm

經過上述工藝優化，最終加工結果如表7 所示，由表7知，鉸制螺栓孔的加工精度有了顯著提升，各性能指標均達到甚至超出了技術要求，評判結果均合格。

表7 最終加工結果

7 結束語

鏜孔加工中存在各種引起誤差的因素，誤差因素的積累會大大降低產品的最終精度。但通過一些同一化的方法，把無序的誤差變成相對有序的誤差，再通過反向修正可以有效減小誤差。另外，珩磨可以作為修正微小誤差的最終手段，也可以降低粗糙度，但需要提前計算并預留珩磨余量。

通過多次試驗，得到的結果均和以上結果類似，輸出穩定，證明本文提出的加工方法是有效且可靠的。