数控系统在船用柴油机曲轴加工中的应用
2021-2-7 来源：无锡工艺职业技术学院 作者：郁晗
摘要: 柴油机主轴是船舶动力系统的关键部件，起到传递力矩和作用力的效果，也是船舶生产和制造过程中，加工难度较大，加工精度要求较高的零部件。由于柴油机主轴在工作过程中的受力非常复杂，其加工工艺直接决定了曲轴的强度，因此，研究船用柴油机曲轴的加工工艺，以及数控加工设备具有重要的意义。本文结合现有的数控加工机床，设计了一种针对船用柴油机曲轴的机床设备，并介绍相关性能。
关键词：柴油机主轴；加工工艺；数控机床
0 引言
柴油主机是船舶动力系统的关键零部件，柴油主机利用柴油等化石燃料资源燃烧产生的热能，将其转化为曲轴的动能，进而推动船舶螺旋桨转动，使船舶产生前进的动力。柴油主机是一个非常复杂的动力学系统，包含了上千个零部件，在这些零部件中，曲轴作为柴油主机往复运动的关键结构件，将主机活塞产生的压力转化为力矩，传递柴油主机的全部功率。在船舶的正常运行过程中，柴油主机产生源源不断的动力，柴油主机的动力通过曲轴传递给螺旋桨，因此，曲轴的受力状态非常复杂，曲轴结构的强度和刚度也直接决定了柴油主机的使用寿命。由于船舶柴油主机曲轴的加工难度较大，加工精度要求高，在世界范围内，具备高精度、高强度曲轴加工的企业为数不多，研究曲轴的数控加工有非常重要的意义。传统曲轴的加工方法是在普通机床上进行，不仅加工效率低，而且加工精度较差。比如采用车床进行船舶柴油主机的曲轴加工，受到车床刚性的影响，可加工的柴油机曲轴直径和宽度受到限制。此外，普通机床进行柴油主机曲轴加工时，还会由于机床的振动导致加工误差增大，甚至导致曲轴产生变形。
本文研究的重点是一种基于数控系统的船用柴油机曲轴加工机床，通过分析柴油主机的加工工艺，建立曲轴加工的坐标系，设计了一种船用柴油机曲轴数控加工系统。
1、 船舶柴油机曲轴的结构与加工工艺研究现状
船用柴油机主轴包含多个零部件，如齿轮，飞轮等，其示意图如图 1 所示。
图 1 船舶柴油机曲轴示意图
目前，针对柴油主机曲轴的加工设备，主要以铣削和磨削设备为主，比如车床、车铣加工中心等加工设备。这些加工设备主要作用于曲轴的粗加工。曲轴要想满足质量要求，还需要进行多次的精加工，这些精加工设备包括磨床、曲柄销磨床等。由于曲轴结构复杂，加工难度和加工精度高，目前，国内外相关研究领域针对曲轴加工的研究非常广泛。本文为了提高对船用柴油主机曲轴加工的质量，对曲轴加工的工艺进行了系统的研究。船用柴油机曲轴加工的工艺难点如下：
1）曲轴的直径以及表面粗糙度对于曲轴的强度有非常重要的影响，同时，曲轴的圆柱度要求也较高，普通机床难以满足。
2）曲轴的传动比与曲轴加工过程的圆跳度息息相关，因此，在加工过程中，必须通过提高机床的稳定性来提高曲轴加工的圆跳度。
3）曲轴不同模块相对于统一基准的平行度要求较高，需要精确到 0.01 mm 级别。
4）法兰是曲轴进行力矩传输的主要装置，连接曲轴主体和齿轮，因此，法兰的加工精度有重要意义。通常，法兰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，才能保证柴油主机曲轴的装配精度。
5）曲轴安装孔的加工精度必须要满足±0.1 的偏差以及形位公差要求。
2 、基于数控系统的船用柴油机曲轴加工技术研究
2.1 曲轴数控加工刀具的运动分析
在进行船用柴油主机曲轴的数控加工机床设计之前，必须要对加工过程的刀具轨迹进行研究。所谓刀具轨迹，是数控机床在加工过程中刀具的运行轨迹，刀具轨迹直接决定了加工过程的材料去除量，以及加工的精度。在数控机床设计时，刀具轨迹以文件的形式存储在处理器中，形成机床代码，并规划后续的刀具位置和进给量。
数控机床中的工件加工过程，实际上就是一个轴系的综合运动变换过程。针对船用柴油主机曲轴的特点，本文建立曲轴数控加工过程的坐标系如图 2 所示。
图 2 曲轴数控加工过程的坐标系
2.2 船用柴油机主轴的数控加工系统设计
结合曲轴加工的工艺要求，本文设计 1 种基于五轴机床的曲轴数控加工机床，该机床包括轴系加工系统、控制系统、切削液循环系统、工作台驱动系统等，具体原理图如图 3 所示。
图 3 基于五轴机床的曲轴数控加工机床
1）控制系统
曲轴数控加工机床的控制系统是整个数控机床的核心，主要包括中央处理器、内存以及数据采集板卡等。控制系统可以进行曲轴加工过程的刀具轨迹插值运算，同时控制工作台驱动系统进行运动，进行误差补偿。
2）轴系加工系统
轴系加工系统是柴油机主轴材料去除的关键，本文我们采用的五轴数控加工机床，可以实现加工刀具6 个自由度的运转，完成曲轴加工的一次成型。需要注意的是，轴系加工系统的刀具有多种分类，分别进行曲轴加工过程的材料去除、粗加工、半精加工、精加工等步骤。
3）工作台驱动系统
工作台驱动系统决定了加工过程的工件进给量，需要注意材料进给的速度和稳定性。工作台驱动系统接收控制系统的指令，并将这些指令转化为脉冲信号，进而控制步进电机的运转。
4）切削液循环系统
船舶柴油机曲轴为了满足较高的强度和刚度要求，选用的材料多为钛合金等高强度材料。这些材料在进行切削加工时会产生大量的热量，为了防止曲轴产生热变形，必须要配备切削液循环系统。本文对该船用柴油机主机的数控机床加工精度进行了误差统计，得到不同进给速度下的精度误差曲线如图 4 所示。
图 4 不同进给速度下的精度误差曲线
3 、结语
船舶柴油主机的曲轴加工决定了柴油主机的使用寿命，研究柴油机曲轴的高效、高质量加工有重要的意义。本文研究的重点是基于曲轴的加工工艺与加工坐标系，设计了一种曲轴的数控加工机床，并对该机床的原理组成进行了详细的介绍。
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