盤類轉子立式平衡機夾具形式研究

孫強

摘要：隨著發動機技術的不斷發展，對發動機上一些盤類轉子的動平衡質量要求也越來越高，動平衡工藝已經成為機械制造領域中一項非常重要的內容。通過長期跟蹤我公司生產現場的動平衡工序的生產過程，我們對動平衡失效及平衡機故障情況進行了總結，分析了動平衡工裝夾具對動平衡測量精度及穩定性的影響，討論了適合不同類型盤類轉子的動平衡夾具結構及裝夾方式。

關鍵詞：盤類轉子；動平衡；工裝夾具；裝夾方式

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2016.08.057

中圖分類號：THl31

文獻標識碼：A

文章編號：1671-1580（2016）08-0181-03

進入現代社會后，為了滿足生產的需要，機械逐步向精密化、大型化、高速化的方向發展，這時出現的最大障礙就是振動問題，與過去的低速、小輸出的機械相比，現代高速高精度的機械由于振動而損害機械性能的比例要大得多。

在產生振動的各種原因中，無論是過去還是現在最主要的是“不平衡力”。在機械中必然存在運動的部分，這一部分的質量如果具有加速度，就會產生慣性力（旋轉質量的離心力等），這種慣性力如果在機械的運動部分內部沒有得到很好的平衡，則與不平衡相應的力就會作為動載荷作用于機械的靜止部分，從而引起振動、噪聲或性能的下降。為了避免產生這些現象，就需要改善運動的質量分布，消除不平衡力，這就是所謂平衡。

一、飛輪的平衡

汽車、客車、輪船和挖掘機等使用的發動機就是典型的精密化、高速化的現代機械。在發動機上有一些高速旋轉的轉子零件，如曲軸、飛輪、皮帶輪、離合器等。飛輪是裝在發動機曲軸后端的較大的圓盤狀零件，它具有較大的轉動慣量，具有以下功能：①將發動機做功行程的部分能量儲存起來，以克服其他行程的阻力，使曲軸均勻旋轉；②通過安裝在飛輪上的離合器，把發動機和汽車傳動系統連接起來；③裝有與起動機接合的齒圈，便于發動機起動；④調節共振頻率等功能。

伴隨著我國汽車工業的飛速發展，人們對轎車質量的要求不斷提高。增加安全、提高壽命、減少振動、降低噪聲已是當務之急。發動機可以說是各動力機械的心臟，其質量好壞、運行狀態直接影響整個機械系統的性能，因此汽車的發動機，不但整機需要進行振動測試和平衡，它內部的關鍵零部件也需要進行平衡。飛輪齒圈總成作為汽車發動機中質量最大的關鍵旋轉部件，對于汽車的平穩性起著至關重要的作用。

由于飛輪在鑄造、鍛造、滾軋、壓形、擠壓等過程中質量的分布不均勻（鑄造氣孔、砂眼等）；制造時型芯中心線與旋轉軸線不一致，或型芯與旋轉軸不對稱；在加工過程中機械加工表面的容許誤差產生質量分布的不均勻；由于設計或制造上的限制，旋轉體的組成部分不對稱；車加工、鉗加工過程的殘余應力逐漸消失后造成質心位置的改變，加熱裝配齒環時的受熱變形等因素，會造成飛輪在轉動時產生不平衡。飛輪是發動機的關鍵安全件，由飛輪的不平衡而產生的動壓力作用在軸承上，產生磨損和振動，縮短了發動機的使用壽命，并產生噪聲，進而造成發動機及車體各部件的損壞。需要強調的一點是，引起飛輪不平衡的原因雖然很多，但是，如果飛輪一制造出來就不平衡的話，想通過做動平衡以外的方式使飛輪平衡幾乎都是徒勞的，因此飛輪總成在裝機之前進行平衡檢測，在汽車制造行業是必不可少的工序。

二、影響平衡精度及穩定性的因素

為了改善飛輪的質量分布，消除不平衡力，在飛輪的加工制造過程中都存在著動平衡工序，有的如雙質量飛輪還有多道動平衡工序。飛輪的動平衡工序一般采用單面立式硬支撐平衡機。該類型平衡機的優點是：結構相對簡單，模塊化的設備構成形式，便于更換和維修；效率較高，主軸上安裝的夾具可以根據需要進行調換，裝夾快速，適合不同產品的成批量生產；單面立式硬支承平衡機的缺點是：穩定性欠佳，經常會發生工件180°轉位復測誤差大、去重修正后工件平衡量超差、反復啟動測量的重復性再現性差等失效模式，需要頻繁的對設備進行定標、電氣補償和參數調整。

影響測量穩定性、準確性的因素非常多，例如：有生產現場的環境問題（如周圍設備的干擾、現場的溫濕度條件等），有平衡機自身的測量精度和靈敏度的問題，有飛輪鑄件內部質量分布（密度不均勻）問題，有飛輪表面機械加工的精度、定位面的加工精度問題，還有工裝夾具的加工精度和裝夾形式等問題。

通過對我公司生產現場平衡工序的長期跟蹤，對所發生的失效、故障等情況進行總結分析可以發現，造成測量結果不準確、不穩定，有80%都是工裝夾具引起的，例如：工裝的零部件產生了松動、磨損、甚至斷裂；工裝與工件接觸的定位面選擇的不當、裝夾方式選擇不當；工裝的裝配與安裝沒有保證一定的精度；工裝自身的不平衡量沒有得到有效的控制或消除。因此，對動平衡工序的工裝夾具進行研究和實驗是非常有必要的。

三、動平衡工裝夾具的形式

（一）簡易的夾具結構

我公司初期使用的工裝夾具形式是工件由定位柱支撐，工件的中心孔與夾具的芯軸配合，上面由大的螺母來壓緊，防止工件與夾具發生相對運動。該種形式的夾具制造周期短，成本低，比較適合于產品開發階段的試生產。但是該種類型夾具的缺點也是顯而易見的，一個是效率特別低，每次裝夾都要進行螺母的擰緊與松開；再一個是這種夾具對工件中心孔徑的尺寸精度要求較高，一旦工件的中心孔直徑尺寸在加工時產生了波動，其對測量結果將產生巨大的影響；最后，這種夾具形式對芯軸的加工精度要求較高，尤其是芯軸與中心孔以及回轉中心的同軸度要求一般要控制在0.01以內。

（二）錐體作為定位座的夾具結構

由于第一種夾具形式的缺陷十分明顯，因此此類夾具形式在生產現場已經很難見到。目前采用比較廣泛的一種裝夾結構，與第一種形式一樣是由定位柱支撐工件，以工件的中心孔定位，但是采用了一種錐套與脹瓣的結構。夾具中的拉桿帶動脹瓣向下運動，受定位錐體與工件中心孔的影響，脹瓣將工件脹緊，便可以進行測量。這類結構只要保證定位錐體在回轉中心，脹瓣這種結構在脹緊的過程中會自定心，同時取消了人工的夾緊過程，采用氣動元件向下拉動拉桿即可實現裝夾，效率與測量的精度都得到極大的提高。

不過此種形式的夾具也存著一些缺陷，首先是結構復雜了，增加了許多零部件，每增加一個零部件就多了一個不穩定的因素，這就對夾具整體的裝配精度有了一定要求，經過長期的摸索，一般各部件間的同軸度與平行度保證在0.03以內，脹瓣內部與定位錐面的接觸面積要大于80%，就可以保證測量結果相對穩定；其次，為了工件取放的方便，就一定要求脹瓣與工件中心孔存在一定的間隙，而且長時間使用后這個間隙會越來越大，這就可能導致工件在裝夾時沒有放平，雖然脹瓣具有一定的自定心能力，但是受到工件自身重量、定位柱的磨損、工裝的裝配精度等因素的影響，仍然無法完全保證工件夾緊時是水平的。夾具精度較差時，在每次夾緊或松開時工件會因受力而跳動，這就很難保證重復測量結果的再現性與一致性；再次，這類夾具在夾緊的過程中，脹瓣與工件的中心孔有一個上下的相對運動，對于厚重的鑄鐵飛輪影響倒是不大，但是一旦應用到薄板類結構的撓性飛輪，這一相對運動就會造成撓性板的變形，而且變形量與變形的方式完全無法預測，這就直接導致了測量的結果有1g·cm到6g.cm左右的誤差，大大降低了平衡機測量的精度。

（三）脹瓣作為定位座的夾具結構

針對第二種夾具的不足，對脹瓣和錐體的結構進行調整，便得到第三種夾具形式。此種形式的夾具將脹瓣作為底座固定在托盤上，拉桿做成錐體，氣動元件帶動拉桿向下運動時，脹瓣受到錐面的擠壓進而將工件脹緊。該結構一方面減少了零部件的數量，減少了可能失效的模式；另一方面脹瓣與工件的接觸面不再有上下的相對運動，工件很難會因受力而發生跳動，薄板類的零件也不會因為受力而產生無法預計的變形，測量的穩定性得到很大的提高。

經過生產現場的使用，效果非常明顯，基本上可以保證轉位復測的精度在平衡機自身的精度范圍內（0-4g·cm）。經過MSA測試，其重復性再現形GR&R%<10%，量檢具準確精度能力系數CGK>1.33，完全符合我公司的使用要求。

可以說這種結構的夾具極大的消除了工裝夾具對測量結果和平衡機穩定性的影響，但是這種結構依然不夠完美，受到脹瓣結構的制約，拉桿與脹瓣底座之間沒有防轉定位銷，由于平衡機是測試高速旋轉工件的機械，長時間使用后難以保證拉桿與脹瓣不發生相對的轉動，這就需要定時對夾具自身的不平衡量進行電氣參數補償，并通過標準樣件的復測來驗證；另外，該結構的脹瓣定位座的結構較為精密和復雜，對加工精度的要求和加工的周期都有影響。

在下一步的夾具設計方案中，擬采用雙錐形結構，同樣可以起到避免夾緊時工件發生變形或產生位移，也可以降低拉桿與定位錐套發生相對旋轉的可能性。方案是否可行以及使用的具體效果還有待生產過程的驗證。

四、小結

綜合以上對三種夾具形式的分析與總結，我們可以得出如下結論：第二種形式的夾具適合自重較大，具有一定厚度的重型盤類轉子的動平衡測試，第三種夾具形式的夾具適合與重量較輕，薄板型盤類轉子的動平衡測試。

因盤類轉子的結構形式不同，夾具的形式也不盡相同，不管采用何種形式的夾具，基本的設計思路都是類似的。首先，要保證支撐面與定位面的加工精度和裝配精度，盡量減少零件的裝配，越多的裝配也意味著越多的誤差、越多的失效模式；其次，要盡可能的保證夾具各零部件的自由度要少，避免在高速旋轉過程中夾具的零部件松動而干擾測量；再次，盡可能的減少夾具與工件間的相對運動，夾具與工件的相對運動一方面對工件可能造成損害，另一方面每次夾緊后的位置與平行度都難以保證；最后，要控制夾具自身的不平衡量，多數的動平衡工裝夾具都采用對稱的結構，從設計上減少外形不對稱產生的不平衡量，根據我公司目前的生產情況來看，夾具自身的不平衡量必須控制在100g·cm以內，以30-50g·cm左右為最佳狀態。