數控系統在船用柴油機曲軸加工中的應用
2021-2-7 來源：無錫工藝職業技術學院 作者：郁晗
摘要: 柴油機主軸是船舶動力系統的關鍵部件，起到傳遞力矩和作用力的效果，也是船舶生產和制造過程中，加工難度較大，加工精度要求較高的零部件。由于柴油機主軸在工作過程中的受力非常復雜，其加工工藝直接決定了曲軸的強度，因此，研究船用柴油機曲軸的加工工藝，以及數控加工設備具有重要的意義。本文結合現有的數控加工機床，設計了一種針對船用柴油機曲軸的機床設備，并介紹相關性能。
關鍵詞：柴油機主軸；加工工藝；數控機床
0 引言
柴油主機是船舶動力系統的關鍵零部件，柴油主機利用柴油等化石燃料資源燃燒產生的熱能，將其轉化為曲軸的動能，進而推動船舶螺旋槳轉動，使船舶產生前進的動力。柴油主機是一個非常復雜的動力學系統，包含了上千個零部件，在這些零部件中，曲軸作為柴油主機往復運動的關鍵結構件，將主機活塞產生的壓力轉化為力矩，傳遞柴油主機的全部功率。在船舶的正常運行過程中，柴油主機產生源源不斷的動力，柴油主機的動力通過曲軸傳遞給螺旋槳，因此，曲軸的受力狀態非常復雜，曲軸結構的強度和剛度也直接決定了柴油主機的使用壽命。由于船舶柴油主機曲軸的加工難度較大，加工精度要求高，在世界范圍內，具備高精度、高強度曲軸加工的企業為數不多，研究曲軸的數控加工有非常重要的意義。傳統曲軸的加工方法是在普通機床上進行，不僅加工效率低，而且加工精度較差。比如采用車床進行船舶柴油主機的曲軸加工，受到車床剛性的影響，可加工的柴油機曲軸直徑和寬度受到限制。此外，普通機床進行柴油主機曲軸加工時，還會由于機床的振動導致加工誤差增大，甚至導致曲軸產生變形。
本文研究的重點是一種基于數控系統的船用柴油機曲軸加工機床，通過分析柴油主機的加工工藝，建立曲軸加工的坐標系，設計了一種船用柴油機曲軸數控加工系統。
1、 船舶柴油機曲軸的結構與加工工藝研究現狀
船用柴油機主軸包含多個零部件，如齒輪，飛輪等，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，比如車床、車銑加工中心等加工設備。這些加工設備主要作用于曲軸的粗加工。曲軸要想滿足質量要求，還需要進行多次的精加工，這些精加工設備包括磨床、曲柄銷磨床等。由于曲軸結構復雜，加工難度和加工精度高，目前，國內外相關研究領域針對曲軸加工的研究非常廣泛。本文為了提高對船用柴油主機曲軸加工的質量，對曲軸加工的工藝進行了系統的研究。船用柴油機曲軸加工的工藝難點如下：
1）曲軸的直徑以及表面粗糙度對于曲軸的強度有非常重要的影響，同時，曲軸的圓柱度要求也較高，普通機床難以滿足。
2）曲軸的傳動比與曲軸加工過程的圓跳度息息相關，因此，在加工過程中，必須通過提高機床的穩定性來提高曲軸加工的圓跳度。
3）曲軸不同模塊相對于統一基準的平行度要求較高，需要精確到 0.01 mm 級別。
4）法蘭是曲軸進行力矩傳輸的主要裝置，連接曲軸主體和齒輪，因此，法蘭的加工精度有重要意義。通常，法蘭的加工需要兼具位置度和平面度的要求，平面度在 0.02 mm 以上，才能保證柴油主機曲軸的裝配精度。
5）曲軸安裝孔的加工精度必須要滿足±0.1 的偏差以及形位公差要求。
2 、基于數控系統的船用柴油機曲軸加工技術研究
2.1 曲軸數控加工刀具的運動分析
在進行船用柴油主機曲軸的數控加工機床設計之前，必須要對加工過程的刀具軌跡進行研究。所謂刀具軌跡，是數控機床在加工過程中刀具的運行軌跡，刀具軌跡直接決定了加工過程的材料去除量，以及加工的精度。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，并規劃后續的刀具位置和進給量。
數控機床中的工件加工過程，實際上就是一個軸系的綜合運動變換過程。針對船用柴油主機曲軸的特點，本文建立曲軸數控加工過程的坐標系如圖 2 所示。
圖 2 曲軸數控加工過程的坐標系
2.2 船用柴油機主軸的數控加工系統設計
結合曲軸加工的工藝要求，本文設計 1 種基于五軸機床的曲軸數控加工機床，該機床包括軸系加工系統、控制系統、切削液循環系統、工作臺驅動系統等，具體原理圖如圖 3 所示。
圖 3 基于五軸機床的曲軸數控加工機床
1）控制系統
曲軸數控加工機床的控制系統是整個數控機床的核心，主要包括中央處理器、內存以及數據采集板卡等。控制系統可以進行曲軸加工過程的刀具軌跡插值運算，同時控制工作臺驅動系統進行運動，進行誤差補償。
2）軸系加工系統
軸系加工系統是柴油機主軸材料去除的關鍵，本文我們采用的五軸數控加工機床，可以實現加工刀具6 個自由度的運轉，完成曲軸加工的一次成型。需要注意的是，軸系加工系統的刀具有多種分類，分別進行曲軸加工過程的材料去除、粗加工、半精加工、精加工等步驟。
3）工作臺驅動系統
工作臺驅動系統決定了加工過程的工件進給量，需要注意材料進給的速度和穩定性。工作臺驅動系統接收控制系統的指令，并將這些指令轉化為脈沖信號，進而控制步進電機的運轉。
4）切削液循環系統
船舶柴油機曲軸為了滿足較高的強度和剛度要求，選用的材料多為鈦合金等高強度材料。這些材料在進行切削加工時會產生大量的熱量，為了防止曲軸產生熱變形，必須要配備切削液循環系統。本文對該船用柴油機主機的數控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機的使用壽命，研究柴油機曲軸的高效、高質量加工有重要的意義。本文研究的重點是基于曲軸的加工工藝與加工坐標系，設計了一種曲軸的數控加工機床，并對該機床的原理組成進行了詳細的介紹。
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