大型船用组合式曲轴生产规划设计研究

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【摘 要】本文针对当前国内国际对大型船用组合式曲轴的制造现状和行业工艺特点，论述了大型船用组合式曲轴规划设计的相关内容，并结合工程项目实例说明了生产工艺流程和主要设备配置等要点。

【关键词】曲轴；工艺；规划设计

0 前言

大型船用曲轴是大型船用发动机中的关键部件，对柴油机的平稳、安全运行起着至关重要的作用，柴油发动机的强大动力是通过曲轴传递给螺旋桨推动轮船前进的。

曲轴也被誉为船用柴油机的“心脏”，大型船用曲轴寿命要求与船舶寿命相等，终身免维修，使用期限一般在二三十年以上。造价占一台柴油发动机总价的1/3，重量级达几十吨或上百吨以上。其设计和制造工艺相当复杂，对精加工要求非常高。正因为制造技术精度高，性能要求苛刻，工艺复杂，所以是否能自主研制大型船用曲轴代表着一个国家的造船工业水平。

2005年前日本、韩国、捷克、西班牙等少数几个具备制造大型船用半组合式曲轴能力的国家垄断着国际上大型船用曲轴市场。而我国在“十一五”期间，船舶工业呈现快速发展趋势，船用柴油机曲轴生产企业陆续投产，船用大功率低速柴油机半组合曲轴市场完全由国外企业所垄断的局面才有所改变。

1 船用组合式曲轴的生产现状

1.1 国际船用组合式曲轴的生产现状

目前国外生产大型船用曲轴的国家主要有日本、韩国、捷克、西班牙等少数几个国家，其中日、韩两国的产品约占世界产量的80%。截止至2007年，主要国家船用曲轴产能情况见表1。

随着近些年各国在船用曲轴制造方面的发展，斗山重工已具备了生产全部型号曲轴的能力，拥有曲轴车床8台。2007年生产曲轴170-180根，其中自需一半以上，2008年制造曲轴约250根。由于斗山重工拥有完整的曲轴热加工生产工艺，曲轴毛坯的供应无后顾之忧，在国际市场上具有较强的竞争力。

韩国现代具有年产400根的生产能力，拥有8台曲轴车床；日本神户制钢年产量近400根；捷克维特科维策股份公司也具有较强的实力，2008年生产达到150-180根。西班牙曲轴厂实力较弱，具备可以年产100根能力。波兰曲轴厂也具备了年产百根曲轴的能力，发展也很快。

1.2 国内船用组合式曲轴的生产现状

目前国内主要有四家规模比较大的半组合式船用曲轴制造厂家，上海船用曲轴有限公司、大连华锐船用曲轴有限公司、中船重工青岛海西重工有限公司及苏州恒鼎船舶重工有限公司四家大型船用曲轴生产企业，其生产能力见表2。

MAN曼恩（丹麦MAN B&W公司）和WARTSILA（瑞士W.NSD公司）两种柴油机由于其技术的领先和完善的全球服务网络，是世界远洋船舶普遍应用的主机，占世界市场90%以上。

MAN公司的MC和ME系列的船用低速大功率柴油机是目前生产和使用最多的机型，按气缸直径（cm）来划分，船舶配套需求主要集中在中缸径机型（50-70机），占到市场总量的近2/3，大缸径机型（80-98机）和小缸径机型（35-46机）分别只占1/7和1/5左右。预计今后低速机曲轴生产的发展一是大曲轴的制造，二是考虑全面覆盖，并提高生产效率，降低制造成本以满足国内市场需求和继续参与国际竞争。

2 组合式船用曲轴的制造工艺

2.1 组合式船用曲轴曲拐锻造工艺方法

对于全纤维小型曲轴，我国很早就掌握了其制造工艺，组合式船用曲轴的制造难度相对前者来说要大得多。单个大型组合式船用曲轴曲拐的锻造方法主要有：

（1）块锻法。先将毛坯锻成一个方块，再通过机加工将曲臂之间多余的金属除去，如图1所示。块锻法锻制出来的曲拐切断了曲拐的金属纤维，大大降低了大型船用曲轴的承载能力。总之，该锻造工艺生产的锻件不仅加工余量大，成本高，而且质量很难达标，废品率比较高。

（2）环锻法。该锻造方法首先制得环状毛坯，然后在中间将其分开，一次性制得两个曲拐锻件，生产流程如图2所示。该锻造方法的优点是锻件机加工余量小，材料利用率高，并且锻件内部有良好的金属流线纤维。其缺点是该工艺对设备和工人的操作技能要求很高，在生产中不易实现，而且锻件中仍然存有气孔的危险。

（3）模锻法。该锻造方法的生产流程见图3，即首先将钢锭压成类似块状毛坯，然后把它放进模具型腔中，盖上预压模，然后施加压，最后利用冲头的强迫作用使两个曲臂分开。利用模锻法生产大型船用曲轴曲拐的主要优点是曲拐内部可以得到良好不间断的金属流线，机加工量少，材料利用率高，产品合格率也高。其主要缺点是不同型号的曲拐需要用不同的模具，生产成本会相对较高，尤其利用模锻法生产大型船用曲轴曲拐时要求压力机有很高的吨位，此外对模具的强度也有非常高的要求，在实际生产中的应用不易实现。

图3 模锻法

（4）镦锻法。其成形工艺流程过程如图4所示，该工艺的优点为是机械加工量小、材料利用率高、金属锻造流线连续且流线方向分布与曲拐外形相吻合，进而大大提高了曲拐零件的综合力学性能。该方法的缺点是生产中的制造成本太高，不适合小批量生产。

图4 镦锻法

（5）弯锻法。弯锻法是目前我国船用曲轴生产厂家生产大型船用曲轴曲拐普遍采用的一种方法，该法主要包括弯曲和压平两个阶段，其工艺流程见图5。利用该工艺生产大型船用曲轴曲拐可以在曲拐内部得到良好的金属纤维，并且模具简单，所需成形力较小，在生产中容易实现。弯锻法的缺点是受弯曲变形特点的影响，容易出现影响锻件质量的缺陷。此外，利用该法进行生产时，坯料的材料利用率普遍不高。

综上所述，对大型组合式船用曲轴单个曲拐的锻造，采用环锻法成形比较困难，工艺复杂，不易操作，而且锻件中仍然存有气孔的危险。采用块锻法生产的曲拐质量很难得到保证，产品的合格率较低。模锻法受到锻压设备以及工模具的限制，不适合大型船用曲轴曲拐的生产。镦锻法与模锻法类似，所需投入设备很大，成本高，即使在拥有专利的日本制钢所也不多用。相比较，弯锻法是一种比较好的方法，利用该法生产的曲拐金属纤维流向好，模具简单，操作简便，所需设备功率相对较小。如果弯曲工序前的坯料形状尺寸设计合理，可保证成形质量，也可以有效的减少机加工量，从而提高材料利用率。弯锻法成形被应用于低速机半组合曲轴的曲拐毛坯生产中，这种方法生产的曲轴占世界产量的八成以上，弯锻法也是我国目前生产组合式船用曲轴曲拐应用最广的方法。