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数控系统在船用柴油机曲轴加工中的应用
Feb 7, 2021  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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