[發明專利]研究船用曲軸紅套過程結構變形的方法和預防變形的措施

有效

• 申請號: 200910010395.2
• 申請日: 2009-02-18
• 公開（公告）號: CN101493856A
• 公開（公告）日: 2009-07-29
• 發明（設計）人: 孫明月;陸善平;李殿中;李依依
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明屬于機械制造領域，具體地說就是一種研究船用曲軸紅套過程結構變 形的方法和預防變形的措施，它適用于大型船用曲軸紅套的設計和制造過程。

背景技術

大型半組合船用曲軸是低速大馬力柴油發動機最核心的部件之一，是大型船 舶的“心臟”。半組合式曲軸由曲拐、主軸頸、推力軸、法蘭軸幾部分組成。曲軸 制造流程主要包括真空冶煉、真空澆注、鍛造、熱處理、粗加工、紅套和整軸精 加工。這些流程中最關鍵的環節是如何制造具有良好冶金質量的鍛件和如何將曲 拐和主軸等各部分連接在一起。實際過程中，在對各部分零件進行粗加工后，常 常采用紅套的方法將低速柴油機曲軸的各部分連接起來。由于各部分零件體積巨 大(單拐重量在5～15噸)，紅套過程要求使用主軸將各曲拐以一定的角度分布連 接在一起，組裝精度要求很高，因此實施該過程需要相當的技巧和耐心。

紅套是利用金屬的熱脹冷縮原理，加熱外部零件使零件上的孔擴大，然后插 入具有一定過盈量的軸，隨后冷卻，通過表面接觸壓力將幾部分同質或異質材料 永久連接地在一起，是一種既經濟又可靠的重要連接方式。許多無法通過整體鑄 造或鍛造方法制造的大型軸類零件，均采用紅套方法實現各部分的連接。與紅套 過程的重要性相反的是，目前關于這方面的三維研究分析卻很少，這是因為對于 兩個或多個實體之間的接觸分析是一個復雜的非線性問題，紅套過程涉及零件加 熱和冷卻過程，以及材料熱膨脹變形、彈性變形和塑性變形。因此，紅套過程是 一個耦合了傳熱、變形、接觸等物理過程的綜合問題。尤其對于像曲軸這樣非軸 對稱的幾何體來說，在加熱和冷卻過程中，由于零件幾何形狀上的不對稱會造成 主軸與曲拐之間發生難以預料的變形和偏移，這些變形和偏移會給隨后的曲軸整 體精加工帶來很大的困難，使得曲軸制造的生產周期延長，嚴重的甚至會因各主 軸之間同軸度相差過大而導致整根曲軸報廢，造成巨大損失。

曲軸的紅套過程為：如圖1和圖2所示，首先將曲拐10放平，加熱曲臂4 一側內表面，使溫度升高，紅套孔7發生膨脹，當膨脹后的紅套孔7直徑超過主 軸直徑約1mm左右時，停止加熱，然后緩慢插入主軸1，直到主軸1上的擋環2 與放置在曲臂4表面上的擋塊3相接觸為止，最后整體冷卻到室溫，實現曲拐10 與主軸1之間的緊密連接，這個過程稱為單套。然后，將所有單套在一起的各部 分采用相似的紅套方法連接起來，直到各部分曲拐10和主軸1都被連接在一起， 成為整體的曲軸，這個過程稱為復套。在整根曲軸9的一端用推力軸11安裝于曲 拐10的一曲臂4上，在整根曲軸9的另一端用法蘭軸12安裝于曲拐10的一曲臂 4上。

在現有工藝的曲軸紅套工藝過程中，基本不采取任何預防零件結構變形的措 施，紅套后的曲軸往往存在較大的結構變形。由于擔心結構變形會引起加工余量 不足，造成整軸報廢，因此在粗加工時主軸上的加工余量往往預留很大，一般在 6mm以上(直徑方向)。這給后續的整軸精加工帶來很大困難，嚴重增加了機加 工的難度，并降低了加工效率，目前加工一支船用曲軸往往需要15天以上時間。

隨著現代工程力學理論和計算機模擬技術的發展，采用模擬技術預測大型零 件的結構變形已經進入實用階段。國際上開發出很多模擬軟件(如：ABAQUS， ANSYS，MARC等)來模擬金屬的在加工過程的結構變形。根據模擬結果，可以 預先觀察到零件的變形情況，定量研究和分析過程中的變形規律，最終得到零件 的最終形狀和尺寸，由模擬得到的零件不同位置所受的應力和應變的變化情況， 以及傳熱情況等。在此基礎上，通過在計算機平臺上的反復試驗，可以確定一種 最佳的制造工藝。采用計算機模擬技術對工藝進行設計和優化，可明顯縮短產品 試制的周期，降低廢品率，進而降低生產成本。

發明內容

本發明的目的在于提供一種研究船用曲軸紅套過程結構變形的方法和預防變 形的措施，采用該方法對曲軸的紅套過程進行分析，可定量獲得紅套孔的膨脹和 收縮規律，采用設計進行紅套得到的大型船用曲軸，能夠顯著減輕(甚至消除) 由于紅套孔周圍幾何形狀不對稱引起的結構變形，減少零件粗加工時預留的加工 余量，降低后續冷加工的難度，縮短曲軸產品的生產周期。

本發明的技術方案是：

本發明開發了一種研究船用曲軸紅套過程結構變形的方法和預防變形的措 施，其主要內容包括：

1)采用計算機模擬技術研究曲軸零件紅套過程的結構變形規律：