艉管衬套加工的温度修正方法

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(南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

艉管衬套(这里针对白合金衬套)为船舶轴系的重要组成部分。衬套通过外力压入艉轴管内[1]。压力过大会引起巴氏合金变形甚至损坏巴氏合金；压力过小配合不够紧密，会影响衬套的使用寿命，甚至于无法达到使用目的。衬套和艉管之间的过盈量在0.01～0.05 mm之间[2]。衬套的尺寸与时间、地点、环境温度、放置状态存在着一定的联系。衬套加工过程中的温度修正也成为必不可少的环节。本文拟推荐一种简单易行的温度修正方法。

1 测量时的温度记录

由于加工地点、加工时间与艉管地点、测量时间不同，衬套与千分尺的线膨胀系数不同，衬套与艉管的温度变化量不同，会导致衬套与千分尺的不同变化，所以要考虑温度修正[3]。

首先对艉管内径进行测量。测量时记录艉管的左右舷温度，左右舷温度相差过大(超过3 ℃)也不宜测量。同时记录测量时的大气温度，大气温度被认为是内径千分尺的温度。加工衬套时记录衬套的温度和环境温度。衬套的测量是用外径千分尺，必须与测量艉管的内径千分尺立即合尺，以内径千分尺的读数为准。艉管左右舷温度平均值记为t1；艉管测量时环境温度记为t2；衬套温度记为t3；衬套加工环境温度记为t4。

一些船厂仅记录环境温度，认为加工时环境温度的变化就代表了衬套的膨胀和收缩，这是不对的。因为衬套或者艉管和环境温度并不相同。

2 温度修正计算方法

根据所记录的温度，可以对衬套加工量进行修正计算。艉管与衬套的材料相当，按照中碳钢查出线性热膨胀系数，这里先用K1代替。千分尺的线性热膨胀系数用K2代替。那么可以通过式(1)计算得出衬套需要继续加工的修正当量，用X表示。

X=K1(t1-t3)+K2(t4-t2)

(1)

式(1)为参考日本川崎重工坂出工场资料，修正当量X为衬套直径为单位长度时继续切削的修正量。不同直径D的修正量为XD。

金属材料的线性热膨胀系数在不同的温度变化范围下，会有不同。这里主要利用常温下的线性热膨胀系数[4]。参考日本川崎重工坂出工场资料，式(1)中取K1(铸铁)= 10.5×10-61/℃，K2(工具钢)=11.5×10-61/℃。

3 温度修正图示法

使用方格纸，以艉管内径为横坐标，以温度修正量为纵坐标，绘制不同温度变化曲线。根据衬套或者千分尺的膨胀系数绘出对应各自温度变化量的膨胀率曲线，见图1。左侧为艉管或者衬套的膨胀曲线，右侧为千分尺的膨胀曲线，其中每条曲线对应每1 ℃。

根据图中曲线可以很直观地查出艉管与衬套的相对变化量Δ1、测量艉管和测量衬套时千分尺温度变化后千分尺的相对变化量Δ2, 定义：

图1 温度修正

(2)

式中：t1——艉管温度；

t2——测量艉管时千分尺温度；

t3——衬套温度；

t4——测量衬套时千分尺温度，此处千分尺温度指大气温度。

判断和修正方法见表1。

表1 切削量判断表

举例说明，10 000 TEU集装箱船衬套直径为1 300 mm。通过测量艉管温度t1为18 ℃，艉管测量千分尺温度t2=19 ℃，衬套温度t3=21 ℃，测量衬套时千分尺温度t4=23 ℃。从图1中作两条1 300 mm的垂线。计算出艉管的温度和衬套温度的差A=t1-t3=-3 ℃<0，则看左侧垂线与3 ℃线的交点的横坐标，查得0.041，即衬套的修正量为0.041 mm。再计算出测量艉管时千分尺的温度和测量衬套时千分尺的温度的差B=t4-t2=4 ℃>0，再看右侧垂线与4 ℃线的交点的横坐标，为0.06，即千分尺的修正量为0.06 mm。将0.041 mm与0.06 mm的修正量进行叠加，根据表1中的CASE4，得出总的修正量为-0.041+0.06=0.019 mm，从而判断衬套应该比预期更多切屑掉0.019 mm。

是继续切削还是留一定量不加工绝对不能弄错，如果搞反，将导致比不进行温度修正的误差更大。还有一种简易判断法：设C=A+B，如果C>0就继续切削；如果C<0就留一定量不加工；如果C=0就按照决定值直接加工，见表2。

而具体加工或不加工的量，同样需要根据图1查出Δ1和Δ2，然后根据A、B的符号，A、B同号则两者相加，A、B异号则两者相减。

表2 切削正负判断表

同样，上边的例子可按照表2进行判断。C=A+B=-3 ℃+4 ℃=1 ℃>0，而A<0，B>0即A、B异号，根据表2中的CASE2进行，应该切削0.041 mm与0.06 mm的差即0.019 mm。

但是表2的快速判断法，在温度变化不是很大的时候都是正确的。但是在温度变化很大且C的数值不大的情况下，也有出错的时候。

具体举例，10 000 TEU集装箱船衬套直径为1 300 mm。通过测量艉管温度t1=16 ℃，艉管测量千分尺温度t2=17.2 ℃，衬套温度t3=24 ℃，测量衬套时千分尺温度为t4=25 ℃。从图1中作两条1 300 mm的垂线。计算出艉管的温度和衬套温度的差A=t1-t3=-8 ℃<0，则看左侧垂线与8 ℃线的交点的横坐标，查得0.109，即衬套的修正量为0.109 mm。再计算出测量艉管时千分尺的温度和测量衬套时千分尺的温度的差B=t4-t2=7.8 ℃>0，再看右侧垂线与7.8 ℃线的交点的横坐标，为0.117，即千分尺的修正量为0.117 mm。那么0.109 mm与0.117 mm的修正量进行叠加，根据表1中的CASE4，得出总的修正量为-0.109 + 0.117=0.008 mm，从而判断衬套应该比预期多切屑掉0.008 mm。如根据表2，则C=A+B=-8 ℃+7.8 ℃=-0.2 ℃<0，而A、B异号，根据表2中的CASE4，继续预留0.008 mm,和表1算出的结果正好相反。

所以，温差大的时候还是按照表1判断才是准确的。包括表2中CASE5的情况，如果严格按照表1计算下来，修正量也不会是0，但是它的数值非常接近于0，一般可以忽略。所以，作为快速简易方法，还是推荐使用表2的判断方式。而且，当C接近于0时，就可以考虑不需要进行温度修正，这样作业更简单。

4 结论

本文基于温度对衬套和千分尺(材料不同)的线性膨胀影响，导致衬套加工过程中尺寸以及切屑量不能直接判断的问题，采用温度修正图表法，形成衬套机加工温度修正通用工艺，方便机加工过程中切屑量的控制，从而达到衬套机加工的重要过程控制目标，降低了衬套加工的风险。

由于衬套与艉管的配合为偶件配合，所以对经验的要求很大。衬套加工数据的确定，最终目的是为了把衬套顺利压入到艉管中。但是，衬套压入时同样存在温度影响，严格按照温度修正加工出来的衬套也不一定完全适合。所以今后应考虑通过以上方法更多地记录、总结经验数据，分析衬套加工过程中的各种影响因素，研究更准确的方法，最终实现无风险安装衬套。

[1] 王福根.船舶轴舵系装置[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003.

[2] 陆金铭.船舶动力装置安装工艺[M].北京：国防工业出版社，2006.

[3] 许宝森.船舶动力装置安装工艺[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4] 李立碑,孙玉福.金属材料的热膨胀系数[M].北京：机械工业出版社，2011.