[发明专利]研究船用曲轴红套过程结构变形的方法和预防变形的措施

说明书

技术领域

本发明属于机械制造领域，具体地说就是一种研究船用曲轴红套过程结构变 形的方法和预防变形的措施，它适用于大型船用曲轴红套的设计和制造过程。

背景技术

大型半组合船用曲轴是低速大马力柴油发动机最核心的部件之一，是大型船 舶的“心脏”。半组合式曲轴由曲拐、主轴颈、推力轴、法兰轴几部分组成。曲轴 制造流程主要包括真空冶炼、真空浇注、锻造、热处理、粗加工、红套和整轴精 加工。这些流程中最关键的环节是如何制造具有良好冶金质量的锻件和如何将曲 拐和主轴等各部分连接在一起。实际过程中，在对各部分零件进行粗加工后，常 常采用红套的方法将低速柴油机曲轴的各部分连接起来。由于各部分零件体积巨 大(单拐重量在5～15吨)，红套过程要求使用主轴将各曲拐以一定的角度分布连 接在一起，组装精度要求很高，因此实施该过程需要相当的技巧和耐心。

红套是利用金属的热胀冷缩原理，加热外部零件使零件上的孔扩大，然后插 入具有一定过盈量的轴，随后冷却，通过表面接触压力将几部分同质或异质材料 永久连接地在一起，是一种既经济又可靠的重要连接方式。许多无法通过整体铸 造或锻造方法制造的大型轴类零件，均采用红套方法实现各部分的连接。与红套 过程的重要性相反的是，目前关于这方面的三维研究分析却很少，这是因为对于 两个或多个实体之间的接触分析是一个复杂的非线性问题，红套过程涉及零件加 热和冷却过程，以及材料热膨胀变形、弹性变形和塑性变形。因此，红套过程是 一个耦合了传热、变形、接触等物理过程的综合问题。尤其对于像曲轴这样非轴 对称的几何体来说，在加热和冷却过程中，由于零件几何形状上的不对称会造成 主轴与曲拐之间发生难以预料的变形和偏移，这些变形和偏移会给随后的曲轴整 体精加工带来很大的困难，使得曲轴制造的生产周期延长，严重的甚至会因各主 轴之间同轴度相差过大而导致整根曲轴报废，造成巨大损失。

曲轴的红套过程为：如图1和图2所示，首先将曲拐10放平，加热曲臂4 一侧内表面，使温度升高，红套孔7发生膨胀，当膨胀后的红套孔7直径超过主 轴直径约1mm左右时，停止加热，然后缓慢插入主轴1，直到主轴1上的挡环2 与放置在曲臂4表面上的挡块3相接触为止，最后整体冷却到室温，实现曲拐10 与主轴1之间的紧密连接，这个过程称为单套。然后，将所有单套在一起的各部 分采用相似的红套方法连接起来，直到各部分曲拐10和主轴1都被连接在一起， 成为整体的曲轴，这个过程称为复套。在整根曲轴9的一端用推力轴11安装于曲 拐10的一曲臂4上，在整根曲轴9的另一端用法兰轴12安装于曲拐10的一曲臂 4上。

在现有工艺的曲轴红套工艺过程中，基本不采取任何预防零件结构变形的措 施，红套后的曲轴往往存在较大的结构变形。由于担心结构变形会引起加工余量 不足，造成整轴报废，因此在粗加工时主轴上的加工余量往往预留很大，一般在 6mm以上(直径方向)。这给后续的整轴精加工带来很大困难，严重增加了机加 工的难度，并降低了加工效率，目前加工一支船用曲轴往往需要15天以上时间。

随着现代工程力学理论和计算机模拟技术的发展，采用模拟技术预测大型零 件的结构变形已经进入实用阶段。国际上开发出很多模拟软件(如：ABAQUS， ANSYS，MARC等)来模拟金属的在加工过程的结构变形。根据模拟结果，可以 预先观察到零件的变形情况，定量研究和分析过程中的变形规律，最终得到零件 的最终形状和尺寸，由模拟得到的零件不同位置所受的应力和应变的变化情况， 以及传热情况等。在此基础上，通过在计算机平台上的反复试验，可以确定一种 最佳的制造工艺。采用计算机模拟技术对工艺进行设计和优化，可明显缩短产品 试制的周期，降低废品率，进而降低生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究船用曲轴红套过程结构变形的方法和预防变 形的措施，采用该方法对曲轴的红套过程进行分析，可定量获得红套孔的膨胀和 收缩规律，采用设计进行红套得到的大型船用曲轴，能够显著减轻(甚至消除) 由于红套孔周围几何形状不对称引起的结构变形，减少零件粗加工时预留的加工 余量，降低后续冷加工的难度，缩短曲轴产品的生产周期。

本发明的技术方案是：

本发明开发了一种研究船用曲轴红套过程结构变形的方法和预防变形的措 施，其主要内容包括：

1)采用计算机模拟技术研究曲轴零件红套过程的结构变形规律：