一、引言

2010年1～2 月份，我國(guó)造船完工量及新接訂單指標(biāo)均居全球第一。今后三年船舶工業(yè)預(yù)計(jì)將保持平穩(wěn)較快增長(zhǎng)，2011年造船產(chǎn)量力爭(zhēng)達(dá)到5000萬(wàn)t，船用低速機(jī)產(chǎn)量達(dá)到906萬(wàn)kW。2011年造船完工占世界市場(chǎng)份額35%以上，高技術(shù)高附加值船舶達(dá)到20%，海洋工程裝備達(dá)到10%。三大主流船型國(guó)產(chǎn)設(shè)備裝船率達(dá)到65%以上。同時(shí)船舶的配套能力將明顯提高，船用低速機(jī)、中速機(jī)、甲板機(jī)械等配套設(shè)備的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)滿足率從不足50%提高到80%以上。船舶工業(yè)調(diào)整和振興需要大批大中型數(shù)控金屬切削機(jī)床。

造船業(yè)對(duì)于磨床的需求主要集中在曲軸加工上，造船業(yè)的曲軸主要分為低速以及中高速兩大類。其中由于對(duì)精度要求不高，船用低速柴油機(jī)主要采用以車削代替磨削，便于降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率；而中高速柴油機(jī)由于精度要求較高，仍需要使用曲軸磨床進(jìn)行磨削，且單臺(tái)具有較高的經(jīng)濟(jì)附加值。目前，國(guó)內(nèi)只有上海機(jī)床廠有限公司具備制造中高速船用曲軸磨床的能力，但是進(jìn)口機(jī)床在技術(shù)先進(jìn)性、自動(dòng)化、可靠性、精度保持性上仍具備優(yōu)勢(shì)。

目前國(guó)際上已有德國(guó)Naxos以及美國(guó)Landis等幾家較大的廠商向國(guó)內(nèi)提供大型整體式曲軸的磨削加工設(shè)備。但由于技術(shù)封鎖，這些廠商向國(guó)內(nèi)提供的產(chǎn)品一般精度不是很高，且產(chǎn)品的價(jià)格很高。這就造成國(guó)內(nèi)多數(shù)廠商都選擇直接進(jìn)口曲軸成品。MK82125/H大型數(shù)控曲軸磨床的研制成功解決曲軸的磨削加工問題。

二、 MK82系列大型數(shù)控曲軸磨床

MK82125數(shù)控曲軸磨床適用加工磨削各種大型船用柴油機(jī)、機(jī)車內(nèi)燃機(jī)、大型壓縮機(jī)的曲軸主軸頸及連桿頸，還可作工廠維修曲軸之用。

該系列數(shù)控曲軸磨床可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾，完成整個(gè)曲軸的磨削加工，其技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型數(shù)控曲軸磨削加工設(shè)備的空白，節(jié)省了國(guó)內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高了我國(guó)大型曲軸加工的效率和加工精度，促進(jìn)了我國(guó)船舶、壓縮機(jī)以及石油勘探等行業(yè)的快速發(fā)展。該產(chǎn)品已獲9項(xiàng)專利證書。

從2000年到目前，該產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)訂單額達(dá)18 000萬(wàn)元，市場(chǎng)占有率達(dá)到80%以上。

1.機(jī)床的規(guī)格

MK82系列數(shù)控曲軸磨床的技術(shù)參數(shù)

(1)機(jī)床工作范圍

最大工件回轉(zhuǎn)直徑：1 400 mm

最大工件安裝長(zhǎng)度： 卡盤間8 000 mm

頂尖間8 500 mm

最大工件重量：10 t

頭尾架卡盤夾持范圍：?100～?400 mm

中心架上可磨直徑范圍：?100～?400 mm

縱磨外圓直徑范圍 ：0～?400 mm

曲軸曲柄半徑范圍（曲軸沖程）：0～250 mm

(2)規(guī)格

中心高：750mm

頭架頂尖（公制）：100

尾架頂尖（公制）：100

砂輪最大線速度：35m/s（有級(jí)恒線速）

(3)工作精度

圓度：0.01mm

縱截面內(nèi)一致性：0.012mm

工件表面粗糙度：外圓/軸肩端面/圓角

Ra0.32/0.63/0.63μm

圖1 機(jī)床外觀

2.機(jī)床主要部件

(1)頭、尾架

機(jī)床的頭、尾架傳動(dòng)結(jié)構(gòu)基本相同，但頭架的頂尖不能伸出。機(jī)床的頭、尾架分別通過螺栓安裝在前床身左端及右端的導(dǎo)軌上。

主軸的前后軸承為薄膜反饋液體靜壓軸承，不僅有高的回轉(zhuǎn)精度，而且主軸有安全可靠的保護(hù)措施。當(dāng)有一定壓力后，壓力繼電器能發(fā)訊使頭尾架啟動(dòng)，以保證主軸在良好潤(rùn)滑條件下進(jìn)行啟動(dòng)。若突然遇到斷電，具有一定能量的蓄能器，能自動(dòng)供油進(jìn)行潤(rùn)滑以保證主軸不會(huì)產(chǎn)生抱軸現(xiàn)象。為最大限度體現(xiàn)主軸靜壓軸承的功能，機(jī)床配有液體靜壓軸承專用的油箱和冷凍機(jī)。頭尾架的同步旋轉(zhuǎn)是由伺服系統(tǒng)保證的。

圖2 尾架

(2)工件夾具——卡盤

曲軸磨床與普通外圓磨床最大的一個(gè)區(qū)別點(diǎn)在于工件夾具（簡(jiǎn)稱卡盤）。普通外圓磨床夾具的夾持工件部分與頭、尾架的主軸都是同軸線回轉(zhuǎn)，而由于曲軸的連桿頸與主軸頸不同心，所以要求工件夾具應(yīng)該具有偏心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，當(dāng)磨削曲軸連桿頸時(shí)，夾具夾持在主軸頸，而需要磨削的連桿頸可以調(diào)節(jié)至與頭、尾架的主軸同軸線回轉(zhuǎn)。同時(shí)為了方便磨削調(diào)整，卡盤還具有分度的功能。

機(jī)床的卡盤有兩套，分別安裝在頭架和尾架主軸上，稱為頭架卡盤和尾架卡盤。尾架卡盤和頭架卡盤結(jié)構(gòu)基本一致，都具有偏心調(diào)整和分度功能。

本系列機(jī)床的工件夾具實(shí)現(xiàn)了一次裝夾，無(wú)須松開工件，就能完成工件所有連桿頸的加工，使加工效率提高了近一倍。

(3）拖板及墊板結(jié)構(gòu)

圖3 頭架卡盤

拖板安裝在機(jī)床后床身上，用于砂輪架的縱向移動(dòng)。拖板與后床身的移動(dòng)導(dǎo)軌為貼塑靜壓導(dǎo)軌。導(dǎo)軌貼塑的材料為自行開發(fā)設(shè)計(jì)的特殊導(dǎo)軌專用材料，其特點(diǎn)是摩擦系數(shù)小、材質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度高。導(dǎo)軌粘合劑按照配方由各種原料配置而成。

墊板通過螺釘固定在拖板上。磨削工件時(shí)，伺服電機(jī)帶動(dòng)減速器驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠推動(dòng)砂輪架作橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

圖4 拖板墊板及砂輪架機(jī)構(gòu)

(4)砂輪架及砂輪主軸系統(tǒng)

砂輪架安裝在墊板上。導(dǎo)軌為靜壓導(dǎo)軌。砂輪架分上下兩層。砂輪主軸由裝在體殼上的電機(jī)，通過三角皮帶驅(qū)動(dòng)。電機(jī)帶有變頻器，砂輪可以有級(jí)恒線速磨削工件。砂輪架可以配備光柵尺，實(shí)現(xiàn)砂輪架進(jìn)給閉環(huán)控制。

砂輪主軸軸承為高壓力的液體靜壓軸承，具有很好的剛度和平穩(wěn)性。主軸后端皮帶輪安裝有卸荷裝置，可以減少電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡和振動(dòng)對(duì)主軸精度的影響。

(5)砂輪自動(dòng)修整器

砂輪架體殼的后側(cè)安裝有兩軸砂輪自動(dòng)修整裝置。該裝置通過兩軸數(shù)控插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)砂輪外圓和圓弧的修整。該修整器的十字滑臺(tái)導(dǎo)軌均采用直線導(dǎo)軌，伺服電機(jī)通過滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)軸線運(yùn)動(dòng)。

圖5 砂輪架三維模型

3.理論研究

(1)機(jī)床整機(jī)虛擬樣機(jī)狀態(tài)下的仿真分析

圖6 砂輪自動(dòng)修整器

為了確保曲軸磨床一次試制成功，該項(xiàng)目基于PhD/ENGINEER軟件系統(tǒng)，采用Pro/MECHANICA分析平臺(tái)對(duì)磨床進(jìn)行了建模和有限元分析，在計(jì)算機(jī)上建立了曲軸磨床整機(jī)的三維幾何模型，研發(fā)了可以模擬實(shí)際工作狀態(tài)的整機(jī)虛擬樣機(jī)模型。該虛擬樣機(jī)特別考慮到結(jié)合面的摩擦特性、阻尼特性、螺栓的預(yù)緊力特性、熱特性、運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性以及它們之間的耦合仿真等，解決了多學(xué)科仿真之間的信息流的無(wú)縫連接，可以完全模擬實(shí)際磨床工作狀態(tài)的特性。在設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行了大量整機(jī)虛擬樣機(jī)狀態(tài)下的仿真分析與虛擬試驗(yàn)，確保曲軸磨床的一次試制成功。

(2)整機(jī)動(dòng)靜態(tài)性能仿真技術(shù)

整機(jī)仿真技術(shù)是仿真分析的尖端技術(shù)之一。它的特點(diǎn)是全面有效地反映了實(shí)際物理樣機(jī)的各種受載狀況，物理力學(xué)邊界條件以及約束條件等，因而仿真解析結(jié)果能夠較真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際情況（圖10及圖11）。通過整機(jī)仿真技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段，就可以評(píng)估磨床應(yīng)該達(dá)到的精度，確保了在低成本條件下達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)制造要求。

圖10 磨床整機(jī)靜態(tài)剛度分析的一個(gè)結(jié)果

(3)機(jī)床主軸熱誤差測(cè)量系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方法

在精密和超精密加工條件下，研究機(jī)床的熱變形誤差測(cè)量與補(bǔ)償技術(shù)對(duì)于提高機(jī)床的加工精度起著極其重要的作用。數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償?shù)倪^程一般分為誤差測(cè)量、建模和補(bǔ)償三個(gè)階段。本項(xiàng)目給出了數(shù)控機(jī)床最優(yōu)熱誤差測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過數(shù)控磨床主軸系統(tǒng)的計(jì)算說明了具體的計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果表明，該方法可以在有限元分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算出最優(yōu)的溫度測(cè)點(diǎn)位置以及多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的最優(yōu)組合。

(4)砂輪直徑磨損測(cè)量及補(bǔ)償技術(shù)

數(shù)控磨床在工件磨削過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生砂輪的磨損現(xiàn)象，為了保證加工精度，需要及時(shí)對(duì)砂輪的直徑變化或磨損量進(jìn)行檢測(cè)。由于磨削加工是一種高精度的加工方法，限于較高測(cè)量精度的要求，目前還難以直接對(duì)砂輪直徑進(jìn)行精密的在線測(cè)量。利用安裝在砂輪架上的聲發(fā)射傳感器，可以測(cè)量砂輪相對(duì)于機(jī)床某一基準(zhǔn)的相對(duì)位置，通過測(cè)量該相對(duì)位置的變化，間接地檢測(cè)砂輪的磨損量，并將測(cè)量結(jié)果反饋至數(shù)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)砂輪磨損的自動(dòng)補(bǔ)償。

圖11 磨床整機(jī)模態(tài)分析的一個(gè)結(jié)果

三、 產(chǎn)品創(chuàng)新點(diǎn)

MK82125系列數(shù)控曲軸磨床加工的連桿頸圓度已經(jīng)達(dá)到0.010mm，縱截面內(nèi)直徑一致性0.012 mm，連桿頸外圓母線對(duì)主軸頸軸線的平行度可以達(dá)到0.010mm，加工表面粗糙度為Ra0.32μm。該產(chǎn)品目前為止已申請(qǐng)9項(xiàng)專利證書，其中5項(xiàng)發(fā)明專利。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：

(1)整機(jī)仿真技術(shù)

整機(jī)仿真技術(shù)是CAE仿真技術(shù)中較有效的一種仿真技術(shù)。采用整機(jī)動(dòng)平衡仿真技術(shù)、整機(jī)動(dòng)靜態(tài)性能仿真技術(shù)以及整機(jī)條件下的機(jī)床剛度優(yōu)化技術(shù)，確保機(jī)床具備良好的動(dòng)靜態(tài)性能，減小曲軸在裝夾后的變形，保證床頭箱具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利。

(2)用于工件支撐的大直徑高壓力液體靜壓軸承

由于曲軸是個(gè)撓性體，磨削過程中對(duì)驅(qū)動(dòng)軸產(chǎn)生很大的變載荷徑向力。傳統(tǒng)的軸系支撐多數(shù)使用滾動(dòng)軸承，但是滾動(dòng)軸承都是點(diǎn)接觸或線接觸，長(zhǎng)時(shí)間的交變載荷很容易磨損，使用壽命短。對(duì)于重載情況下，軸承的損壞尤為嚴(yán)重。本項(xiàng)目采用液體靜壓軸承，主軸由油膜支撐，基本沒有接觸磨損，并且靜壓軸承有很好的吸振性，支撐剛度好，壽命長(zhǎng)。通過對(duì)液壓靜壓軸承工作載荷的分析，提出了重載荷靜壓軸承的設(shè)計(jì)方案,解決了大型曲軸磨床頭、尾架主軸低速、重載、高回轉(zhuǎn)精度的實(shí)際問題，該項(xiàng)技術(shù)已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利。

(3)曲軸磨床工件同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

曲軸由于是個(gè)撓性體，在磨削加工時(shí)為了防止曲軸的扭曲變形，大型曲軸磨床都是采用頭、尾架夾持工件，同步回轉(zhuǎn)，同步精度要求達(dá)到6"。本項(xiàng)目采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)。為了滿足曲軸的磨削精度，在此系統(tǒng)上研發(fā)了高同步精度的控制程序。該項(xiàng)技術(shù)已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利。

(4)大型曲軸的夾持與分度夾具

曲軸夾具必須集成偏心調(diào)節(jié)裝置、偏心校正裝置、精確分度以及工件夾緊功能，可以實(shí)現(xiàn)曲軸一次裝夾即可磨削所有連桿軸頸的功能。該項(xiàng)技術(shù)已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利。

(5)大型曲軸磨床高剛度中心架

曲軸加工必須要有中心架支撐，但大型曲軸的各個(gè)軸頸檔寬相對(duì)較小，故中心架必須在有限支撐寬度的條件下，具有足夠的剛度滿足至少10t曲軸的支撐。

四、效益

本系列大型數(shù)控曲軸磨床產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型數(shù)控曲軸磨削加工設(shè)備的空白，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

到目前為止，MK82125系列大型數(shù)控曲軸磨床共簽訂訂單30多臺(tái)套，用戶有陜西柴油機(jī)重工有限公司、上海壓縮機(jī)有限公司、濟(jì)南新聯(lián)機(jī)電設(shè)備有限公司、青島淄柴博洋柴油機(jī)股份有限公司、濰坊生建機(jī)械廠、上海環(huán)海實(shí)業(yè)有限公司、遼寧五一八內(nèi)燃機(jī)配件有限公司、杭州中高發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司、寧波天豪機(jī)電設(shè)備有限公司、鎮(zhèn)江蘇潤(rùn)船用機(jī)械有限公司、鎮(zhèn)江中船設(shè)備有限公司、四川省博實(shí)機(jī)械有限責(zé)任公司等十多家曲軸制造企業(yè)，目前已經(jīng)完成銷售10臺(tái)套，實(shí)現(xiàn)近5千萬(wàn)元的銷售收入，用戶均反映良好。

采用MK82125數(shù)控曲軸磨床加工的6PC2-6L曲軸類零件單件銷售價(jià)可以達(dá)到120萬(wàn)元人民幣，相對(duì)加工前半成品80萬(wàn)元的價(jià)格，增加了二分之一多，相對(duì)于法國(guó)Pielstick 的6PC2-6約600萬(wàn)元的價(jià)格減少了五分之四，顯著降低了生產(chǎn)6PC柴油機(jī)的成本。采用2臺(tái)曲軸磨床，可月加工8件曲軸，每根安裝于6PC柴油機(jī)后整機(jī)售價(jià)達(dá)到1200萬(wàn)元以上，也就是說購(gòu)買兩臺(tái)MK82125系列的大型曲軸磨床一年可為柴油機(jī)制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)近12億元銷售收入。

表 國(guó)內(nèi)外相關(guān)磨床產(chǎn)品對(duì)比