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
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:
首先,测试材料的各项热物性参数和机械性能参数,根据公式设计红套的过盈量和操作工艺,红套的过盈量δ的设计公式为:
式中,δ代表红套的过盈量,a代表主轴的内半径,b代表红套界面处的半径,c代表红套孔区域的外半径,L代表主轴与红套孔在界面上的接触长度,Torque代表红套结构承受的额定扭矩,E代表主轴与红套孔材质的弹性模量,μ代表主轴与红套孔之间的摩擦系数,σs代表主轴与红套孔材质屈服强度;然后,建立有限元几何模型,剖分网格,定义火焰加热过程中火焰与零件之间的传热方式、加热后零件的散热方式、以及主轴与红套孔之间界面的接触和传热方式;接着,进行模拟,并通过加热实验对模型参数进行校核。根据校核后的模型再进行模拟,追踪加热过程中红套孔的扩张和收缩规律,确定插入主轴的最佳时刻,分析红套前、加热后、红套后零件的变形情况,定量得到红套孔中心线的偏移距离,以及主轴中心线的偏移距离和旋转角度。根据红套流程,在有限元模拟中将所有部件都组装在一起,得到整体曲轴的结构变形规律。
本发明计算机模拟技术为常规技术,参见文献[1]庄茁等编著;ABAQUS非线性有限元分析与实例;2005-3-1;科学出版社;ISBN:7030150880。本发明中,“建立有限元几何模型,剖分网格,定义火焰加热过程中火焰与零件之间的传热方式、加热后零件的散热方式、以及主轴与红套孔之间界面的接触和传热方式”的具体过程和参数如下:
首先,采用CAD软件绘制曲轴零件的三维模型,导入到有限元模拟软件中,并对实体进行网格剖分;然后,通过实验测试有限元模拟所必须的材料热物性参数,导入到有限元模拟软件中,接下来确定模型的边界条件,边界条件的具体参数为:火焰的温度以及火焰与零件之间的界面换热系数分别取为1000℃和50W/m2·K,主轴和红套孔之间的摩擦系数为0.2,界面换热系数取为:
h=1.75×10-4P+6.55×10-13P2(W/m2·K)
其中,P为红套界面接触压力,加热后的零件热辐射率为0.3,对流换热系数为5W/m2·K;最后,实施有限元模拟计算。
2)根据发明内容(1)获得的有限元模拟结论,提出能够预防船用曲轴红套结构变形的方法:1)预先调整粗加工时曲柄销轴与红套孔轴线之间的距离,以弥补由于红套而导致的主轴偏移;2)调整靠近曲臂圆头一侧挡块的高度,以弥补由于红套而导致的主轴旋转;3)预先在两曲臂之间放置标准垫块,以预防由于红套而导致的两曲臂之间距离减小。
根据大量有限元模拟结果,对于35~98机型号曲轴,应采取的具体预防措施为:1)粗加工时曲柄销轴与红套孔轴线之间的距离D0应预先减小(0.6~0.7)δ,δ为在半径上的红套过盈量;2)将靠近曲臂圆头一侧挡块的高度h0增大(0.0007~0.0008)D,D为红套孔直径;3)在两曲臂之间放置标准垫块,垫块的厚度H与红套前两曲臂之间的距离相等。
本发明的有益效果是:
1、本发明采用数值模拟技术确定了一种能够预防船用曲轴红套结构变形的方法,采用该方法设计进行红套得到船用曲轴,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。
2、采用计算机模拟技术制定红套过程的操作工艺和预防变形的措施,减少了试验次数,降低了研究费用。从而,可以根据计算模拟结果准确地预测红套后零件的最终形状及尺寸,确保生产出高质量的曲轴零件。
3、本发明建立的预防船用曲轴红套结构变形的方法适用于生产MAN B&W(曼恩比维)和WARTSILA(瓦锡兰)柴油机专利公司的全部机型曲轴曲拐部件,生产新型号曲拐零件时,只须根据零件加工图纸即可得出能够预防曲轴红套结构变形的具体操作方法,可大大减少设计时间,降低研制费用,缩短产品生产周期。
附图说明
图1为现有技术中的曲轴红套过程示意图。
图2a-b为本发明建立的曲轴红套过程有限元模型。图2a为整轴红套的有限元模型;图2b为图2a的局部放大,是曲轴单套过程有限元模型。
图3a-d为加热过程曲臂表面温度变化及两曲臂开档变化(模拟和试验比较);图3a为T1区域温度变化,图3b为T2(T4)区域温度变化,图3c为T3区域温度变化,图3d为两曲臂开档W的变化。
图4为加热过程中红套孔直径膨胀量的变化。
图5a-c为曲拐和主轴在红套前(图5a)、加热后(图5b)、红套后(图5c)的变形情况,变形程度被放大20倍。
图6为红套结束后红套孔上下中心点在X轴和Y轴方向的偏移。
图7为红套结束后主轴沿X轴正方向的偏移和旋转。
图8为整轴红套结束后的变形情况(变形程度被放大100倍)。
图9为预防曲轴红套结构变形的措施。图中,点划线代表红套孔的原始中心线,双点划线代表施加改进措施后的红套孔中心线,虚线代表红套孔的原始位置,实线代表施加改进措施后的红套孔的位置,D0代表原始红套孔轴线和曲柄销孔轴线之间的距离,D1代表施加改进措施后红套孔轴线和曲柄销孔轴线之间的距离,h0代表原始挡块的高度,h1代表施加改进措施后曲臂圆头一侧挡块的的高度,H代表施加改进措施后在两曲臂之间放置的标准垫块的厚度。
图10为简单红套过盈配合结构示意图。
图中,1-主轴;2-挡环;3-挡块;4-曲臂;5-曲柄销孔;6-曲柄销;7-红套孔;8-平台;9-整根曲轴;W-两曲臂之间距离;10-曲拐;11-推力轴;12-法兰轴;13-主轴轴线;14-曲柄销孔轴线;15-标准垫块。T1,T2,T3,T4-红套孔周围典型位置的温度。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详述本发明。
根据图1所示的曲轴红套流程,本发明所建立的研究船用曲轴红套后结构变形的方法和预防措施的具体步骤如下:
1)建立如图2a和2b所示的有限元模型:
首先,测试材料的各项热物性参数和机械性能参数,根据经验方法设计红套的过盈量和操作工艺,接下来建立有限元几何模型,剖分网格,模型的各部分中包括曲拐、主轴(或推力轴或法兰轴)。然后定义火焰加热过程中火焰与零件之间的传热方式,定义加热后零件的散热方式,以及定义主轴与红套孔之间界面的接触和传热方式,然后进行有限元模拟计算,获得温度场、应力场、应变场的变化。
参见图2a-b,整根曲轴9上的曲轴单套过程有限元模型包括主轴1、挡环2、挡块3、曲臂4、曲柄销孔5、曲柄销6、红套孔7等。两个曲臂4的一端通过曲柄销6连接,曲臂4表面两端分别开有曲柄销孔5和红套孔7,主轴1自红套孔7插入曲臂4,在主轴1上装有两道挡环2,在曲臂4表面的红套孔7周围装有挡块3,挡环2与曲臂4接触形成卡接,曲轴单套过程有限元模型置于平台8上。
2)根据有限元模拟结果,获得红套孔周围典型位置的温度演化和两曲臂之间具体的变化。再进行实验测量,实时记录红套孔周围典型位置的温度演化和两曲臂之间距离的变化,将模拟结果和实测结果进行比较,调整模型中的界面换热等参数,使得模拟结果与实测结果一致,实施例中的两者比较情况如图3a-d所示。
3)根据校核后的模型,计算加热过程中红套孔的扩张规律,进而确定插入主轴的最佳时机:当红套孔在不同方向上的扩张量相差最小时,最适合插入主轴。图4给出了实施例中红套孔上下边缘的扩张量和收缩量。
4)根据有限元模拟结果,确定红套前、加热后、红套后零件的变形情况,据此可以定量得到红套孔中心线的偏移距离,以及主轴轴线13的偏移距离和旋转角度。图5-7给出了实施例中曲拐和主轴的结构变形情况,红套孔中心线的偏移距离,以及主轴轴线13的偏移距离和旋转角度。
5)根据红套流程,在有限元模拟中将所有部件都组装在一起,得到整体曲轴的结构变形规律。图8给出了实施例中红套结束后整体曲轴的结构变形情况。
6)根据有限元模拟结果,提出预防结构变形的措施:预先调整粗加工时曲柄销轴与红套孔轴线之间的距离D0,以弥补由于红套变形而导致的主轴偏移;增加靠近曲臂圆头一侧挡块的高度h0,以弥补由于红套变形而导致的主轴旋转;预先在两曲臂之间放置标准垫块,以预防由于红套变形而导致的两曲臂之间距离减小。
实施例
红套的过盈量δ的设计公式为:
式中,δ代表红套的过盈量,a代表主轴的内半径,b代表红套界面处的半径,c代表红套孔区域的外半径,L代表主轴与红套孔在界面上的接触长度,Torque代表红套结构承受的额定扭矩,E代表主轴与红套孔材质的弹性模量,μ代表主轴与红套孔之间的摩擦系数,σs代表主轴与红套孔材质屈服强度;
如图10所示,本实施例的零件为MAN B&W专利公司的6S50MC-C型号曲轴曲拐,材质为S34MnV,曲拐圆头部分半径为c=475mm,主轴1的外半径为b=313.28mm,内孔半径为a=85mm,主轴与红套孔接触长度L=215mm,红套孔7内壁和主轴1表面的粗糙度均为Ra 6.3,额定扭矩Torque=2200kNm;主轴与红套孔之间的摩擦系数μ=0.2;主轴与红套孔材质屈服强度σs=360MPa。根据公式(1)计算可得,半径上的红套过盈量为δ=0.78mm,红套孔7的原始半径为(b-δ)=312.5mm,采用丙烷加热曲臂4下表面红套孔区域,曲拐加热时间、插入主轴操作时间和冷却时间分别为3小时、10分钟和34小时。
建立的有限元模型如图2a-b所示,共203,999个单元,火焰的温度以及火焰与零件之间的界面换热系数分别取为1000℃和50W/m2·K,主轴和红套孔之间的摩擦系数为0.2,界面换热系数取为h=1.75×10-4P+6.55×10-13P2(W/m2·K),其中P为红套界面接触压力,加热后的零件热辐射率为0.3,对流换热系数为5W/m2·K。
为验证有限元模拟结果的准确性,对加热过程零件的温度变化和膨胀变形情况进行了试验研究,记录了加热过程曲臂表面4个位置的温度(T1,T2,T3,T4)演化和两曲臂之间距离(W)的变化。共进行9次加热试验,所获得的实验数据与模拟结果的比较如图3a-d所示,从温度变化情况来看,零件的升温速度随着加热过程的进行而逐渐降低,模拟得到的温度较实测温度高约10~20℃,这是由于在加热后期零件表面氧化造成的测量误差所致;从变形情况来看,两曲臂之间的距离在加热初期(30min内)迅速增大,这是由于曲臂上下表面较大的温度梯度造成的膨胀量不同所致,在加热后期两曲臂之间距离几乎呈线性增长。从模拟结果与实验结果的对比来看,模型很好地预测了零件的传热和膨胀规律。因此,可依据本模型的模拟结果来进一步预测和分析整个红套过程的传热和变形规律。
由于红套孔周围几何形状的不对称性,在零件的加热和冷却过程中,红套孔将发生非均匀的变形而不能获得较好的圆整度,这为后续插入主轴增加了难度。为此,需要寻找一个恰当的时机,在该时刻红套孔的圆整度最好,此时最有利于插入主轴。通过有限元模拟对加热过程红套孔的扩张规律进行了研究,如图4所示,发现刚刚加热结束时红套孔的圆整度较差,沿不同直径方向上扩张量的最大差值可达约1mm,而在冷却约10分钟后,由于停止加热,曲拐零件上下表面温度梯度降低,红套孔直径在不同方向的扩张量偏差减小至约0.35mm,此时最有利于插入主轴。
红套前、加热后、红套后曲拐和主轴的结构变形情况如图5a-c所示(为方便比较,零件变形程度被放大20倍),图5a为红套前零件的原始形状,图5b为零件的加热3小时发生膨胀变形后的形状,图5c为插入主轴后冷却34小时零件的形状。由图可定性看出,在加热过程中,由于不对称的受热,曲臂向前上方弯曲,在插入主轴并冷却10小时后,弯曲程度逐渐减小并最终逐渐恢复到原始位置,继续冷却34小时至室温,曲臂将会轻微向下弯曲,两曲臂之间的距离会减小。图6定量给出了整个过程中红套孔上下圆心沿水平方向(X轴)和垂直方向(Y轴)的偏移情况,可见在红套结束后,红套孔中心朝远离曲柄销一侧水平移动了约0.5mm,这是由于曲臂圆头一侧较薄,容易变形,而靠近曲柄销一侧较厚,不容易变形,红套孔中心沿Y轴负方向垂直移动了约0.2mm。红套孔中心的这种偏差将造成主轴轴线与曲柄销孔轴线之间的距离增大约0.4~0.9mm,并且主轴将发生顺时针旋转约0.044°,如图7所示,主轴末端的最大偏移量可达0.9mm。
根据红套流程,在有限元模拟中将所有部件都组装在一起,得到整体曲轴的结构变形规律。图8给出了红套结束后整体曲轴的结构变形情况(为方便比较,零件变形程度被放大100倍),虚线代表期望得到的无结构变形的零件形状,实线代表红套结束后由于结构变形而得到的形状,由图可定量得到曲轴不同位置由于红套而产生的结构变形规律。
这些偏移和各主轴之间的不同轴性不但需要增加粗加工时的加工余量来弥补,而且不同轴性将造成整轴在精加工过程中产生意想不到的跳动和变形,从而给机加工带来难度。为此,基于有限元的模拟结果,针对本实施例的情况,提出了可以减轻(或消除)这些结构变形的的措施:如图9所示,第一,预先将红套孔轴线与曲柄销轴线之间的距离减小0.5mm,即(D0-D1)=0.5mm,以弥补由于红套而导致的主轴偏移;第二,增加靠近曲臂圆头一侧挡块的高度约0.25mm,即(h1-h0)=0.5mm,以弥补由于红套而导致的主轴旋转;第三,预先在两曲臂之间放置标准垫块15,垫块的厚度H与红套前两曲臂之间的距离相等,以预防由于红套而导致的两曲臂之间距离减小。
实践表明,红套后的曲轴变形程度大幅度降低,各主轴之间的同轴度得以提高,极大地减小了后续机加工难度,提高了制造效率。采用本发明方法可定量研究曲轴红套过程结构变形规律,并可根据相应的预防措施加以避免。本发明建立的预防船用曲轴红套结构变形的方法适用于生产MAN B&W(曼恩比维)和WARTSILA(瓦锡兰)柴油机专利公司的全部机型曲轴曲拐部件,采用该方法提出的预防措施进行红套得到船用曲轴,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。