大型船用組合式曲軸生產(chǎn)規(guī)劃設(shè)計研究

趙宏杰

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢430223)

0 前言

大型船用曲軸是大型船用發(fā)動機中的關(guān)鍵部件，對柴油機的平穩(wěn)、安全運行起著至關(guān)重要的作用，柴油發(fā)動機的強大動力是通過曲軸傳遞給螺旋槳推動輪船前進的。

曲軸也被譽為船用柴油機的“心臟”，大型船用曲軸壽命要求與船舶壽命相等，終身免維修，使用期限一般在二三十年以上。造價占一臺柴油發(fā)動機總價的1/3，重量級達幾十噸或上百噸以上。其設(shè)計和制造工藝相當復(fù)雜，對精加工要求非常高。正因為制造技術(shù)精度高，性能要求苛刻，工藝復(fù)雜，所以是否能自主研制大型船用曲軸代表著一個國家的造船工業(yè)水平。

2005年前日本、韓國、捷克、西班牙等少數(shù)幾個具備制造大型船用半組合式曲軸能力的國家壟斷著國際上大型船用曲軸市場。而我國在“十一五”期間，船舶工業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，船用柴油機曲軸生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)投產(chǎn)，船用大功率低速柴油機半組合曲軸市場完全由國外企業(yè)所壟斷的局面才有所改變。

1 船用組合式曲軸的生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 國際船用組合式曲軸的生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前國外生產(chǎn)大型船用曲軸的國家主要有日本、韓國、捷克、西班牙等少數(shù)幾個國家，其中日、韓兩國的產(chǎn)品約占世界產(chǎn)量的80%。截止至2007年，主要國家船用曲軸產(chǎn)能情況見表1。

表1 主要國家船用曲軸產(chǎn)能表

隨著近些年各國在船用曲軸制造方面的發(fā)展，斗山重工已具備了生產(chǎn)全部型號曲軸的能力，擁有曲軸車床8臺。2007年生產(chǎn)曲軸170-180根，其中自需一半以上，2008年制造曲軸約250根。由于斗山重工擁有完整的曲軸熱加工生產(chǎn)工藝，曲軸毛坯的供應(yīng)無后顧之憂，在國際市場上具有較強的競爭力。

韓國現(xiàn)代具有年產(chǎn)400根的生產(chǎn)能力，擁有8臺曲軸車床；日本神戶制鋼年產(chǎn)量近400根；捷克維特科維策股份公司也具有較強的實力，2008年生產(chǎn)達到150-180根。西班牙曲軸廠實力較弱，具備可以年產(chǎn)100根能力。波蘭曲軸廠也具備了年產(chǎn)百根曲軸的能力，發(fā)展也很快。

1.2 國內(nèi)船用組合式曲軸的生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)主要有四家規(guī)模比較大的半組合式船用曲軸制造廠家，上海船用曲軸有限公司、大連華銳船用曲軸有限公司、中船重工青島海西重工有限公司及蘇州恒鼎船舶重工有限公司四家大型船用曲軸生產(chǎn)企業(yè)，其生產(chǎn)能力見表2。

表2 國內(nèi)大型船用曲軸主要生產(chǎn)廠家制造量

MAN曼恩（丹麥MAN B&W公司）和WARTSILA（瑞士W.NSD公司）兩種柴油機由于其技術(shù)的領(lǐng)先和完善的全球服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，是世界遠洋船舶普遍應(yīng)用的主機，占世界市場90%以上。

MAN公司的MC和ME系列的船用低速大功率柴油機是目前生產(chǎn)和使用最多的機型，按氣缸直徑（cm）來劃分，船舶配套需求主要集中在中缸徑機型（50-70機），占到市場總量的近2/3，大缸徑機型（80-98機）和小缸徑機型（35-46機）分別只占1/7和1/5左右。預(yù)計今后低速機曲軸生產(chǎn)的發(fā)展一是大曲軸的制造，二是考慮全面覆蓋，并提高生產(chǎn)效率，降低制造成本以滿足國內(nèi)市場需求和繼續(xù)參與國際競爭。

2 組合式船用曲軸的制造工藝

2.1 組合式船用曲軸曲拐鍛造工藝方法

對于全纖維小型曲軸，我國很早就掌握了其制造工藝，組合式船用曲軸的制造難度相對前者來說要大得多。單個大型組合式船用曲軸曲拐的鍛造方法主要有：

（1）塊鍛法。先將毛坯鍛成一個方塊，再通過機加工將曲臂之間多余的金屬除去，如圖1所示。塊鍛法鍛制出來的曲拐切斷了曲拐的金屬纖維，大大降低了大型船用曲軸的承載能力?？傊撳懺旃に嚿a(chǎn)的鍛件不僅加工余量大，成本高，而且質(zhì)量很難達標，廢品率比較高。

（2）環(huán)鍛法。該鍛造方法首先制得環(huán)狀毛坯，然后在中間將其分開，一次性制得兩個曲拐鍛件，生產(chǎn)流程如圖2所示。該鍛造方法的優(yōu)點是鍛件機加工余量小，材料利用率高，并且鍛件內(nèi)部有良好的金屬流線纖維。其缺點是該工藝對設(shè)備和工人的操作技能要求很高，在生產(chǎn)中不易實現(xiàn)，而且鍛件中仍然存有氣孔的危險。

圖1 塊鍛法

圖2 環(huán)鍛法

（3）模鍛法。該鍛造方法的生產(chǎn)流程見圖3，即首先將鋼錠壓成類似塊狀毛坯，然后把它放進模具型腔中，蓋上預(yù)壓模，然后施加壓，最后利用沖頭的強迫作用使兩個曲臂分開。利用模鍛法生產(chǎn)大型船用曲軸曲拐的主要優(yōu)點是曲拐內(nèi)部可以得到良好不間斷的金屬流線，機加工量少，材料利用率高，產(chǎn)品合格率也高。其主要缺點是不同型號的曲拐需要用不同的模具，生產(chǎn)成本會相對較高，尤其利用模鍛法生產(chǎn)大型船用曲軸曲拐時要求壓力機有很高的噸位，此外對模具的強度也有非常高的要求，在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用不易實現(xiàn)。

圖3 模鍛法

（4）鐓鍛法。其成形工藝流程過程如圖4所示，該工藝的優(yōu)點為是機械加工量小、材料利用率高、金屬鍛造流線連續(xù)且流線方向分布與曲拐外形相吻合，進而大大提高了曲拐零件的綜合力學性能。該方法的缺點是生產(chǎn)中的制造成本太高，不適合小批量生產(chǎn)。

圖4 鐓鍛法

（5）彎鍛法。彎鍛法是目前我國船用曲軸生產(chǎn)廠家生產(chǎn)大型船用曲軸曲拐普遍采用的一種方法，該法主要包括彎曲和壓平兩個階段，其工藝流程見圖5。利用該工藝生產(chǎn)大型船用曲軸曲拐可以在曲拐內(nèi)部得到良好的金屬纖維，并且模具簡單，所需成形力較小，在生產(chǎn)中容易實現(xiàn)。彎鍛法的缺點是受彎曲變形特點的影響，容易出現(xiàn)影響鍛件質(zhì)量的缺陷。此外，利用該法進行生產(chǎn)時，坯料的材料利用率普遍不高。

圖5 彎鍛法

綜上所述，對大型組合式船用曲軸單個曲拐的鍛造，采用環(huán)鍛法成形比較困難，工藝復(fù)雜，不易操作，而且鍛件中仍然存有氣孔的危險。采用塊鍛法生產(chǎn)的曲拐質(zhì)量很難得到保證，產(chǎn)品的合格率較低。模鍛法受到鍛壓設(shè)備以及工模具的限制，不適合大型船用曲軸曲拐的生產(chǎn)。鐓鍛法與模鍛法類似，所需投入設(shè)備很大，成本高，即使在擁有專利的日本制鋼所也不多用。相比較，彎鍛法是一種比較好的方法，利用該法生產(chǎn)的曲拐金屬纖維流向好，模具簡單，操作簡便，所需設(shè)備功率相對較小。如果彎曲工序前的坯料形狀尺寸設(shè)計合理，可保證成形質(zhì)量，也可以有效的減少機加工量，從而提高材料利用率。彎鍛法成形被應(yīng)用于低速機半組合曲軸的曲拐毛坯生產(chǎn)中，這種方法生產(chǎn)的曲軸占世界產(chǎn)量的八成以上，彎鍛法也是我國目前生產(chǎn)組合式船用曲軸曲拐應(yīng)用最廣的方法。

2.2 組合式船用曲軸生產(chǎn)工藝流程

文中規(guī)劃建設(shè)的企業(yè)按外購鋼錠送入生產(chǎn)車間考慮，其大型船用半組合曲軸產(chǎn)品彎鍛法工藝流程如下：

外購鋼錠→檢測原材料→加熱→鍛造制坯→加熱→彎鍛成型（彎曲和壓平）→第一熱處理（擴氫）→粗加工（粗加工外表面、氣割大孔）→最終熱處理（性能熱處理，調(diào)質(zhì)）→檢驗→精加工（各個部件加工、整體紅套、整體精加工、拋光打磨）→成品檢驗→包裝入庫

由上述工藝流程可看出，大型船用曲軸每個軸和曲拐部分的毛坯首先要進行單獨加工，再通過熱裝配的方式裝配成一個整體繼續(xù)加工。在毛坯件加工階段，非工作表面就已經(jīng)加工完成，工作表面則必須在熱裝配之后再進行精加工。

3 船用組合式曲軸加工設(shè)備配置

在曲軸毛坯的加工過程中，國內(nèi)的機床是完全能夠保證的，以車削加工為主的曲軸加工也需要鏜、銑加工作為輔助加工工序，比如平面、斜面以及端面孔的精確加工。而為保證加工精度，對于曲拐及曲軸的精加工，目前國內(nèi)的幾個主要曲軸生產(chǎn)廠家設(shè)備配置以引進設(shè)備為主，國產(chǎn)設(shè)備為輔。

大缸徑曲軸車床的加工周期是中缸徑曲軸車床的1.4倍時間，而小缸徑機曲軸約為0.8左右，為滿足全系列船用曲軸制造，其曲軸車床按大、中和小配比，其最佳比例約為1.1:3.2:1。

文中規(guī)劃建設(shè)的企業(yè)配備的典型加工設(shè)備包括：加熱爐、熱處理爐、自由鍛壓機、數(shù)控曲拐專用立車、數(shù)控曲軸車床、數(shù)控落地銑鏜床、龍門銑床、各類重型臥式車床及紅套裝置等。

4 總結(jié)

盡管近幾年我國船用低速柴油機發(fā)展迅速，但是相應(yīng)的曲軸制造技術(shù)還處于不斷發(fā)展中，必須依靠成熟、先進的生產(chǎn)規(guī)劃設(shè)計理念推動行業(yè)良性發(fā)展。在我們?nèi)〉矛F(xiàn)有成績的基礎(chǔ)上，還需要船舶業(yè)、曲軸制造企業(yè)、專家、學者們的大力關(guān)注和努力探索，以促進我國成為曲軸技術(shù)強國。

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