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數控（kòng）係（xì）統在船用柴油機曲軸（zhóu）加工中的應用

2021-2-7 來源（yuán）：無錫工藝職（zhí）業技術學院作者：鬱晗

摘要: 柴油機主軸（zhóu）是船舶動力係統的關鍵部件，起到（dào）傳遞力矩（jǔ）和作用力的效果，也是船舶生產和製造過程中，加工難（nán）度較大，加工精度要求較高（gāo）的零部件。由於柴油機（jī）主軸（zhóu）在工作過程中的受力非常複雜，其加工工藝直接決定了曲（qǔ）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（jù）有重要的意義。本文結（jié）合現有的（de）數控加工機床，設計（jì）了一種針對船（chuán）用柴油機曲（qǔ）軸的機床設備，並介紹相關性能（néng）。

關鍵詞：柴油（yóu）機主軸；加（jiā）工工藝；數控機床

0 引言

柴油主機（jī）是船舶動力係統的關鍵零部件，柴油主機利用柴油等化石燃（rán）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（chái）油主機是一個（gè）非常複雜的動力學（xué）係統，包含了上千個零部件，在（zài）這（zhè）些零部件中，曲軸作為柴油主機往複（fù）運動的關鍵結（jié）構件，將主機（jī）活（huó）塞產生的壓力（lì）轉化為力（lì）矩，傳遞柴油主機的（de）全部功率。在船舶的正常運行過（guò）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複雜，曲軸結構的強度和剛度也直接決定了柴油主機的使（shǐ）用壽命。由（yóu）於船舶柴油主機曲軸的加工難（nán）度較大，加工精度要求高，在世界範圍內，具備高精度、高強度曲軸加工（gōng）的企業為數不多，研究（jiū）曲軸（zhóu）的數控加工有非常重要的意義。傳（chuán）統曲軸的加工（gōng）方法是在普通（tōng）機床上（shàng）進行，不（bú）僅（jǐn）加工效率低，而且加工精度較差。比如采用車床進行船舶柴（chái）油主機的曲軸加工，受（shòu）到車床剛性的影響，可加工（gōng）的柴油機曲軸直徑和寬度受到限（xiàn）製。此（cǐ）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（de）振動導致（zhì）加工誤（wù）差增大，甚至導（dǎo）致曲軸產生變形。

本（běn）文研究的重點是一種基於數控係統的船用柴油（yóu）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係，設（shè）計了一種船用柴油機曲軸數控加工係統。

1、船舶柴（chái）油機曲軸的（de）結構與加工（gōng）工藝研究（jiū）現狀

船用柴油機主軸包含多個零部件，如（rú）齒輪，飛輪等，其示意圖如圖（tú） 1 所（suǒ）示。

圖 1 船舶柴油（yóu）機曲軸示意圖

目前，針對柴油主機曲軸（zhóu）的加工設（shè）備，主要（yào）以銑削和磨削設（shè）備為主，比如（rú）車床、車銑加工中心等加工設備。這些加工設備（bèi）主要作用於曲軸的（de）粗加工。曲軸要想（xiǎng）滿足質量要求，還需要進行多次的精加（jiā）工，這些精加工設備包括磨床、曲柄（bǐng）銷磨床等。由於（yú）曲軸結構（gòu）複雜（zá），加工難（nán）度（dù）和加工精度高，目前，國內外（wài）相關（guān）研究領域針對曲軸（zhóu）加工的研究非常廣泛。本文為了提高對船用柴油主機曲軸（zhóu）加工的質量，對曲軸加工的工藝進行了係（xì）統的研究。船用柴油機曲軸加工的工藝難點（diǎn）如下：

1）曲軸的直徑以及表麵粗糙度對於曲軸的強度有非常重要的影響，同時（shí），曲軸的圓柱度（dù）要求（qiú）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（xī）相關，因（yīn）此，在加工過程中，必須通過提高機床的穩（wěn）定性來提高曲軸加工的（de）圓跳度。

3）曲軸不同模塊相對於統一基準（zhǔn）的平行（háng）度要求較高，需要精確到（dào） 0.01 mm 級別。

4）法蘭是曲軸進行力（lì）矩傳輸的主要裝置，連（lián）接曲軸主體和（hé）齒輪，因此，法（fǎ）蘭的加工精度有重要意（yì）義。通常，法蘭的加工（gōng）需要兼具位置度和平麵度的要求，平麵度在 0.02 mm 以上，才能（néng）保（bǎo）證柴（chái）油主機曲軸（zhóu）的（de）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 、基於數控係統的船用柴油機曲軸加工技術研（yán）究

2.1 曲軸數控加工刀具（jù）的運動分析

在（zài）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（gōng）過程（chéng）中刀具的運行軌跡，刀具軌跡直接（jiē）決定了加工過（guò）程的材料去（qù）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（lǐ）器中，形成機床代碼，並規劃後續的刀具位置和進給量（liàng）。

數控機床中的工件加工過程（chéng），實（shí）際（jì）上就（jiù）是一個軸係的綜（zōng）合運動（dòng）變換過程（chéng）。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係如（rú）圖 2 所示。

圖 2 曲軸數（shù）控加工（gōng）過程的坐標（biāo）係

2.2 船用柴油（yóu）機主軸的數控加工係（xì）統設計

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

圖 3 基（jī）於五軸機床的曲軸數控加工機（jī）床

1）控製（zhì）係統

曲軸（zhóu）數控加工機床的控製係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。控製係統（tǒng）可以進（jìn）行曲軸加工過（guò）程的刀具軌跡插（chā）值運算（suàn），同時控製（zhì）工作台驅動（dòng）係（xì）統進行運動，進（jìn）行誤差補償。

2）軸係加工係統

軸係加工係統是（shì）柴油機主（zhǔ）軸材料（liào）去除的關鍵，本文我們采用（yòng）的五軸數控（kòng）加工機床，可以實現（xiàn）加工刀具6 個自由（yóu）度的運轉，完成曲軸加工的一次成型（xíng）。需要注意的是，軸係加工係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（jiā）工、半精加工、精加工等步驟（zhòu）。

3）工作台（tái）驅動係統

工作台驅動係統決定了加工過程的工件進給量，需（xū）要注（zhù）意（yì）材料（liào）進給的速度和穩定性。工作台驅動係統接收控製係統（tǒng）的指令，並將這些指令轉化為脈衝信號，進而控製步進電機（jī）的運轉。

4）切削液循環係統

船舶柴油機曲軸為了滿足較高的（de）強度和（hé）剛度（dù）要求，選用的材料多（duō）為鈦合金等高強度材料。這些材料在（zài）進行切削加工時會產（chǎn）生大量（liàng）的熱量，為了防止曲軸產生熱變形，必須要配備切削液循環係（xì）統。本文對該船用柴（chái）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（jìn）給速度下的精度（dù）誤差曲線如圖（tú） 4 所示。

圖 4 不同進給速度下的精度誤差曲（qǔ）線

3 、結語

船舶柴油主機的曲軸加工決定（dìng）了柴（chái）油主（zhǔ）機的使用壽命，研究柴油機曲軸的高效、高質量加工有（yǒu）重要的意義。本文研究的重點是基於曲軸的加工工藝與加（jiā）工坐標係，設計（jì）了一種（zhǒng）曲軸的（de）數控加工機床（chuáng），並對該機床的原理組成進行了詳細的介紹。

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