數(shù)控系統(tǒng)在船用柴油機(jī)曲軸加工中的應(yīng)用
2021-5-25 來源：無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：郁晗
摘要: 柴油機(jī)主軸是船舶動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，起到傳遞力矩和作用力的效果，也是船舶生產(chǎn)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(jī)主軸在工作過程中的受力非常復(fù)雜，其加工工藝直接決定了曲軸的強(qiáng)度，因此，研究船用柴油機(jī)曲軸的加工工藝，以及數(shù)控加工設(shè)備具有重要的意義。本文結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)控加工機(jī)床，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)船用柴油機(jī)曲軸的機(jī)床設(shè)備，并介紹相關(guān)性能。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī)主軸；加工工藝；數(shù)控機(jī)床
0 引言
柴油主機(jī)是船舶動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，柴油主機(jī)利用柴油等化石燃料資源燃燒產(chǎn)生的熱能，將其轉(zhuǎn)化為曲軸的動(dòng)能，進(jìn)而推動(dòng)船舶螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，使船舶產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力。柴油主機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，包含了上千個(gè)零部件，在這些零部件中，曲軸作為柴油主機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，將主機(jī)活塞產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)化為力矩，傳遞柴油主機(jī)的全部功率。在船舶的正常運(yùn)行過程中，柴油主機(jī)產(chǎn)生源源不斷的動(dòng)力，柴油主機(jī)的動(dòng)力通過曲軸傳遞給螺旋槳，因此，曲軸的受力狀態(tài)非常復(fù)雜，曲軸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度也直接決定了柴油主機(jī)的使用壽命。
由于船舶柴油主機(jī)曲軸的加工難度較大，加工精度要求高，在世界范圍內(nèi)，具備高精度、高強(qiáng)度曲軸加工的企業(yè)為數(shù)不多，研究曲軸的數(shù)控加工有非常重要的意義。傳統(tǒng)曲軸的加工方法是在普通機(jī)床上進(jìn)行，不僅加工效率低，而且加工精度較差。比如采用車床進(jìn)行船舶柴油主機(jī)的曲軸加工，受到車床剛性的影響，可加工的柴油機(jī)曲軸直徑和寬度受到限制。此外，普通機(jī)床進(jìn)行柴油主機(jī)曲軸加工時(shí)，還會(huì)由于機(jī)床的振動(dòng)導(dǎo)致加工誤差增大，甚至導(dǎo)致曲軸產(chǎn)生變形。本文研究的重點(diǎn)是一種基于數(shù)控系統(tǒng)的船用柴油機(jī)曲軸加工機(jī)床，通過分析柴油主機(jī)的加工工藝，建立曲軸加工的坐標(biāo)系，設(shè)計(jì)了一種船用柴油機(jī)曲軸數(shù)控加工系統(tǒng)。
1、船舶柴油機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)與加工工藝研究現(xiàn)狀
船用柴油機(jī)主軸包含多個(gè)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(jī)曲軸示意圖
目前，針對(duì)柴油主機(jī)曲軸的加工設(shè)備，主要以銑削和磨削設(shè)備為主，比如車床、車銑加工中心等加工設(shè)備。這些加工設(shè)備主要作用于曲軸的粗加工。曲軸要想滿足質(zhì)量要求，還需要進(jìn)行多次的精加工，這些精加工設(shè)備包括磨床、曲柄銷磨床等。
由于曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度和加工精度高，目前，國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域針對(duì)曲軸加工的研究非常廣泛。本文為了提高對(duì)船用柴油主機(jī)曲軸加工的質(zhì)量，對(duì)曲軸加工的工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。船用柴油機(jī)曲軸加工的工藝難點(diǎn)如下：
1）曲軸的直徑以及表面粗糙度對(duì)于曲軸的強(qiáng)度有非常重要的影響，同時(shí)，曲軸的圓柱度要求也較高，普通機(jī)床難以滿足。
2）曲軸的傳動(dòng)比與曲軸加工過程的圓跳度息息相關(guān)，因此，在加工過程中，必須通過提高機(jī)床的穩(wěn)定性來提高曲軸加工的圓跳度。
3）曲軸不同模塊相對(duì)于統(tǒng)一基準(zhǔn)的平行度要求較高，需要精確到 0.01 mm 級(jí)別。
4）法蘭是曲軸進(jìn)行力矩傳輸?shù)闹饕b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(jī)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(shù)控系統(tǒng)的船用柴油機(jī)曲軸加工技術(shù)研究
2.1 曲軸數(shù)控加工刀具的運(yùn)動(dòng)分析
在進(jìn)行船用柴油主機(jī)曲軸的數(shù)控加工機(jī)床設(shè)計(jì)之前，必須要對(duì)加工過程的刀具軌跡進(jìn)行研究。所謂刀具軌跡，是數(shù)控機(jī)床在加工過程中刀具的運(yùn)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(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，刀具軌跡以文件的形
式存儲(chǔ)在處理器中，形成機(jī)床代碼，并規(guī)劃后續(xù)的刀具位置和進(jìn)給量。
數(shù)控機(jī)床中的工件加工過程，實(shí)際上就是一個(gè)軸系的綜合運(yùn)動(dòng)變換過程。針對(duì)船用柴油主機(jī)曲軸的特點(diǎn)，本文建立曲軸數(shù)控加工過程的坐標(biāo)系如圖 2 所示。
圖 2 曲軸數(shù)控加工過程的坐標(biāo)系
2.2 船用柴油機(jī)主軸的數(shù)控加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)
結(jié)合曲軸加工的工藝要求，本文設(shè)計(jì) 1 種基于五軸機(jī)床的曲軸數(shù)控加工機(jī)床，該機(jī)床包括軸系加工系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、切削液循環(huán)系統(tǒng)、工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，具體原理圖如圖3 所示。
圖 3 基于五軸機(jī)床的曲軸數(shù)控加工機(jī)床
1）控制系統(tǒng)
曲軸數(shù)控加工機(jī)床的控制系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)控機(jī)床的核心，主要包括中央處理器、內(nèi)存以及數(shù)據(jù)采集板卡等?？刂葡到y(tǒng)可以進(jìn)行曲軸加工過程的刀具軌跡插值運(yùn)算，同時(shí)控制工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)，進(jìn)行誤差的補(bǔ)償。
2）軸系加工系統(tǒng)
軸系加工系統(tǒng)是柴油機(jī)主軸材料去除的關(guān)鍵，本文我們采用的五軸數(shù)控加工機(jī)床，可以實(shí)現(xiàn)加工刀具6 個(gè)自由度的運(yùn)轉(zhuǎn)，完成曲軸加工的一次成型。需要注意的是，軸系加工系統(tǒng)的刀具有多種分類，分別進(jìn)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(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)決定了加工過程的工件進(jìn)給量，需要注意材料進(jìn)給的速度和穩(wěn)定性。工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)的指令，并將這些指令轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
4）切削液循環(huán)系統(tǒng)
船舶柴油機(jī)曲軸為了滿足較高的強(qiáng)度和剛度要求，選用的材料多為鈦合金等高強(qiáng)度材料。這些材料在進(jìn)行切削加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為了防止曲軸產(chǎn)生熱變形，必須要配備切削液循環(huán)系統(tǒng)。本文對(duì)該船用柴油機(jī)主機(jī)的數(shù)控機(jī)床加工精度進(jìn)行了誤差統(tǒng)計(jì)，得到不同進(jìn)給速度下的精度誤差曲線如圖 4 所示。
圖 4 不同進(jìn)給速度下的精度誤差曲線
3、 結(jié)語
船舶柴油主機(jī)的曲軸加工決定了柴油主機(jī)的使用壽命，研究柴油機(jī)曲軸的高效、高質(zhì)量加工有重要的意義。本文研究的重點(diǎn)是基于曲軸的加工工藝與加工坐標(biāo)系，設(shè)計(jì)了一種曲軸的數(shù)控加工機(jī)床，并對(duì)該機(jī)床的原理組成進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
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