曲軸質量定心機在生產線上的應用

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【摘 要】隨著發動機技術的發展和產品法規的要求，發動機技術的改進速度越來越快，同一生產線同時生產不同類型的產品的情況越來越多。為了提高產品曲軸生產線動平衡機的運行效率，文章分析采用質量定心和幾何定心工藝對曲軸動不平衡量的影響。多產品生產線采用質量定心工藝，可以減少進入動不平衡機動不平衡量的值和減少動不平衡的波動范圍，有效地提升最終動平衡機的加工效率。

【關鍵詞】幾何定心；質量定心；動不平衡量；動平衡

【中圖分類號】TH161 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）07-0073-03

0 引言

隨著我國經濟持續發展和人民生活水平的提高，汽車已經成為人們日常生活中不可缺少的一部分。隨著客戶群體的增加，汽車的用途不斷發生變化，從以前的貨運逐步向乘用轉變。隨著汽車技術的發展和顧客對汽車舒適性要求的提高，整車噪音和振動的控制成為每個汽車制造企業的主要任務之一。傳統發動機（汽油機和柴油機）都是通過曲柄連桿機構帶動活塞在缸體內進行往復運動。曲軸把周期性的往復運動變為旋轉運動，再通過發動機與變速箱的連接驅動汽車輪前輪或后輪運動。發動機在運轉過程中，作用于曲軸上的旋轉慣性力和往復慣性力呈周期性變化，如果曲軸質心偏離幾何中心，會造成發動機產生振動，降低整車的舒適性。因此，如果在汽油機和柴油機設計和制造過程中，這些力不能被有效地消除，則會導致發動機運行過程產生周期性的噪音和振動，從而影響整車性能。具體的危害如下：？譹？訛引起車輛振動，影響乘坐舒適性和駕駛平順性。？譺？訛產生振動噪音，消耗能量，降低發動機的總效率。？譻？訛引起緊固件的松動或過載，以及相關設備的異常損壞等。

現在曲軸的設計過程中都嚴格要求最終成品的動不平衡量。例如，某1.5 L發動機的最終動不平衡量要求小于10 g.cm。而現有曲軸的毛坯主要是通過鑄造和鍛造形成，無法保證曲軸的初始動不平衡量，且曲軸毛坯的初始動不平衡量遠遠大于成品的要求，一般都達到了500 g.cm，所以曲軸必須進行動平衡才能達到現代產品的要求。曲軸動平衡是曲軸制造過程中的重要工位，動平衡量的大小直接影響了發動機的性能和生產的效率。由于造成曲軸不平衡量的因素是隨機的（如鑄造缺陷、材料密度不均勻），所以無法計算得出，只能通過重力實驗（靜平衡）和旋轉試驗（動平衡）測定和校正，使它降低至允許的范圍。但是，曲軸在發動機上是高速運動的，靜平衡不能滿足要求，必須經過動平衡。且隨著現代發動機及其品種的更新越來越快，每條曲軸生產線存在同時生產不同類型的曲軸和由不同供應商提供毛坯，比如三缸、四缸曲軸共線生產。傳統的曲軸生產線都是采用幾何定心，由于不同類型的鑄件（或鍛件）的曲軸密度不均勻、材料不對稱等，引起初始動不平衡量不穩定，造成動平衡機的節拍變化很大，降低了整個生產線的效率。采用質量定心工藝可以有效地減少曲軸進入動平衡機的動不平衡量，提高生產線效率。

1 軸類零件工藝概述

軸類零件是機器中最常見的一種零件，主要用于支承傳動零件和傳遞動力。在機械的加工過程中，很多工藝都是以軸類兩端中心孔進行定位，完成軸類零件外圓、端面等特征的加工。軸零件中心孔的加工有2種方式，一種方式是根據零件的幾何形狀定位，加工中心孔，即幾何定心。另一種方式是根據零件的質量分布情況測量出質心的位置，再根據質心的坐標加工中心孔，即質量定心。

2 中心孔加工工藝對動不平衡量的影響

2.1 幾何定心對成品動不平衡量的影響

傳統的曲軸加工工藝都是用幾何定心的定位方式，即以最外側2個主軸頸定位夾緊，以最外側2個平衡塊進行分中，第一連桿頸為徑向定位，圖1為幾何中心定心工藝的定位夾緊示意圖。幾何中心以曲軸毛坯表面為定位基準，由于曲軸鑄造表面的形狀誤差大，造成加工中心孔的位置度的離散程度大，且受曲軸鑄造（鍛造）精度和復雜形狀的影響，完成精加工后的曲軸動不平衡分布范圍大。

假設：？譹？訛曲軸鑄造（或鍛造）完成后因鍛造精度和曲軸形狀的產生的初始動不平衡量為U0=m0r0。？譺？訛根據曲軸毛坯表面質量加工中心孔，產生的動不平衡量為U1=m0r1。其中，m0為曲軸毛坯質量，r0為質心和幾何中心的距離。

采用幾何定心工藝產生的動不平衡量偏差如下：

U=U0+U1=mr0+mr1=m（r0+r）（1）

因此，采用幾何定心工藝加工的中心孔引起動不平衡量的偏差的主要原因如下：？譹？訛曲軸毛坯的鍛造（或鑄造）質量。曲軸毛坯本身的動不平衡量較難控制，本文采用測量某1.5 L四缸鑄造曲軸的質心偏移量r0為0.7～1.4 mm，詳見表1。？譺？訛加工中心孔的位置度。曲軸工藝一般要求為中心孔位置度小于0.5 mm，相當于r1≤0.25 mm；因此，某1.5 L曲軸完成中心孔后的動不平衡量可以控制在U=1.65×m0以內。

2.2 質量定心對成品動不平衡量的影響

質量定心工藝就是在加工曲軸兩端中心孔前，先采用質量定心機測量曲軸毛坯的動不平衡量后，換算加工兩端中心孔的坐標值，通過桁架機械手把中心孔的偏移量傳輸至下一個工位的加工中心，確保其加工中心兩端的中心孔的軸線通過曲軸毛坯質心。申克質量質心設備測量4缸曲軸的精度能夠達到0.04 mm，三缸曲軸的精度達到0.06 mm。兩端中心孔的精度是靠后工序的加工中心的夾具予以保證，不受毛坯質量的影響。根據現場采用的加中心的夾具設計標準，其精度可以達到0.008 mm。因此，采用質量定心機后，曲軸加工完成中心孔后的動不平衡量理論上可以控制在U=0.068×m0以內。

2.3 采用幾何定心和質量定心加工曲軸的動不平衡量分析

采用同一批次的某1.5 L曲軸毛坯，分別用質量定心和幾何定心工藝加工某1.5 L四缸機曲軸根共125件。曲軸兩端中心孔采用幾何定心工藝加工的1.5 L曲軸，在OP120動平衡工位測量的動不平衡量分布范圍為149.2 g.cm±140 g.cm，具體分布情況如圖2所示，采用質量定心工藝加工的曲軸，在OP120動平衡工位測量的動不平衡量分布范圍為62.4 g.cm±63 g.cm，如圖3所示。

曲軸的動不平衡的修正方式有2種，以增加質量和曲軸質量修正質心的分布。但在小排量曲軸的生產過程中，為了提高生產效率和降低員工的技能準入程度，曲軸的動平衡都是采用去除材料的方法來實現最終的平衡。最終動平衡機的效率主要受動平衡量的多少和分布影響，這直接影響動平衡機的鉆孔數量。動平衡機去除材料的動不平衡量計算方法如下。假設動平衡機鉆孔直徑為10 mm，鉆尖角度為118°，球墨鑄鐵的密度為ρ=7.3 g/cm3。鉆孔深度為20 mm。

（1）鉆孔深度為H。

（2）r為曲軸理論的旋轉半徑，為常量，某1.5 L曲軸的旋轉半徑為68 mm。

因此，1個平衡孔的去除動平衡量值如下：

U1=ρVr（2）

根據公式（2），一個動平衡孔的最大去除量為74.4 g.cm；結合上述分析，采用質量定心工藝平均鉆孔數量為1～3個，采用幾何定心的工藝加工的平均鉆孔數量為3～5個。采用質量定心工藝的動平衡機的效率可以提升50%以上。平衡孔示意圖如圖4所示。

3 總結

曲軸加工采用中心孔質量定心工藝，使曲軸最終進入動平衡機的動不平衡量的分布范圍是幾何定心的50%，甚至更小，動不平衡量的平均值也大幅度地減少，動平衡機的加工效率得到明顯的提升（鉆孔數量減少）。在實際的運行中，為了避免采用質量定心后，曲軸加工的余量分配不均勻，降低曲軸的性能及疲勞強度，不能夠無限度地降低初始的動不平衡量，需要根據產品毛坯的制造質量和產品設計性能要求控制中心孔的位置度。但是，采用質量定心機的設備投入有所增加，建議適用于大批量生產。小批量生產還是采用傳統的幾何加工工藝保持生產的經濟性和柔性程度。

參 考 文 獻

[1]鄧旺群，任興民.高速轉子動平衡技術[M].北京：科學出版社，2017.

[2]楊國安.轉子動平衡實用技術[M].北京：中國石化出版社，2012.

[3]張抱建.發動機曲軸鍛件動平衡性能研究[D].上海：上海工程技術大學，2013.

[責任編輯：陳澤琦]