曲軸幾何定心和質量定心對加工的影響

吳明杰 謝安

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

為了深層次對“幾何定心”和“質量定心”進行剖析，本文主要從“幾何定心”和“質量定心”的定義，以及這兩種定心方式在實際加工過程中對刀具使用壽命、工件加工質量、工件初始不平衡量等方面的影響進行論證，為后續曲軸生產線項目建造中曲軸定心方式的選擇提供理論和實踐支持。

2 幾何中心和質量中心定義

幾何中心是一個幾何概念，與物體的質量無關，只和物體的形狀有關，曲軸的幾何中心是指主軸頸外圓中心，曲軸兩端主軸頸外圓中心連線則是曲軸的幾何中心線；質量中心則是一個質量概念，是指物體質量的中心，曲軸的質量中心通過質量定心機測量獲得，質量中心的連線則是曲軸的質量中心線。當一個物體幾何形狀旋轉均勻對稱，各個點的質量密度完全一致，則這個物體的幾何中心線和質量中心線是重合的。但是，實際上曲軸的形狀不可能是完全旋轉均勻對稱的，質量密度也不是一致的，所以，曲軸的幾何中心線和質量中心線不完全重合，如圖1所示。

圖1 質量中心線和幾何中心線

通過幾何中心和質量中心的定義可知，曲軸使用不同的定心方式所加工出來的中心孔位置是不一樣的，使用質量定心加工將會導致后工序加工各軸頸圓周切削余量存在較大差異，刀具在切削過程中刀具切深會產生較大變化，刀具受力也會發生較大的變化，從而導致刀具過快磨損；使用幾何定心則會導致曲軸最終動平衡前的初始不平衡量大，動平衡節拍增加，工件報廢率上升。

3 幾何定心和質量定心對刀具壽命的影響

曲軸幾何定心是以曲軸外端主軸頸幾何中心為基準加工中心孔，曲軸質量定心是以曲軸外端主軸頸質量中心為基準加工中心孔，由于幾何中心和質量中心不重合，中心孔加工的位置也會不同，總體來說，以幾何中心加工的中心孔位于軸頸幾何形狀的中心上，后工序加工在軸頸圓周上的切削余量均勻，如圖2所示，刀具受力變化小，壽命相對來說要高一些。相對而言，以質量中心加工的中心孔常常由于工件的形狀差異、質量密度差異而偏離軸頸幾何形狀的中心，后工序加工在軸頸圓周上的切削余量不均勻，如圖3所示，質量中心偏離幾何中心越大，切削余量不均勻程度越大，刀具加工過程中受力變化、振動也越大，刀具的使用壽命越低。

圖2 幾何定心加工特征

圖3 質量定心加工特征

以我司目前運行的兩條生產線為例，一線采用的是幾何定心加工，二線采用的是質量定心加工，在OP15粗銑主軸頸、連桿頸工位，通過加工狀態可以看出，采用幾何定心加工的工件軸頸圓周切削余量都比較均勻，如圖4所示；而采用質量定心加工的工件，無論是主軸頸還是連桿頸加工，軸頸圓周切削余量都會存在明顯差異，如圖5所示。

圖4 幾何定心——切削余量均勻

圖5 質量定心——切削余量不均勻

圖6 幾何定心刀具磨損狀態

使用同批次刀片、相同的加工工藝，一、二線加工的刀具在加工1000件工件后道刀具的磨損存在明顯的差異，如圖6、圖7所示，這就導致了使用質量定心加工的刀具壽命低于幾何定心加工，見表1。

表1 一、二線刀具耐用度明細表

圖7 質量定心刀具磨損狀態

4 幾何定心和質量定心對加工質量的影響

幾何定心由于軸頸圓周切削余量均勻，刀具受力平穩，工件加工表面無震紋，加工尺寸比較穩定；質量定心則可能會由于工件形狀變化、質量密度不均勻等原因，使質量中心偏離幾何中心較大，導致刀具在切削過程中受力變化大，致使加工過程中異常振動，工件表面加工會存在震紋，并且由于受力的變化，工件加工過程中會產生較大的變形，工件加工表面圓度、軸頸跳動都會變大，如圖8、圖9所示。

5 幾何定心和質量定心對初始不平衡量的影響

采用幾何定心加工，隨著曲軸材料去除面積和材料去除量的增加，曲軸繞著中心線圓周方向的質量分布逐漸趨于一致，初始不平衡量會減少，但是相對質量定心來說，曲軸的初始不平衡量還是比較大，這就導致了曲軸最終動平衡時需要去重較多，導致平衡孔數量增加、平衡孔深度加深，從而造成加工節拍超差，嚴重的還會導致曲軸無法去重到工藝要求的不平衡量范圍之內，導致工件報廢。一般的做法需要根據最終動平衡加工的數據反饋，調整中心孔加工的位置，如圖10所示，通過補償中心孔的位置度，減少工件動平衡前的初始不平衡量，從而降低動平衡加工節拍。

圖8 幾何定心加工軸頸跳動情況

圖9 質量定心加工軸頸跳動情況

圖10 根據動平衡加工數據反饋調整中心孔位置

圖11 根據粗加工不平衡量和最終動平衡數據反饋調整中心孔位置

采用質量定心加工，由于質量定心機已經把毛坯工件的質量中心線找出來，中心孔根據質量定心機反饋的數據進行加工，所以，曲軸在加工中心孔后所獲得的初始不平衡量相對來說會小很多，但是隨著后工序車削主軸頸、銑削連桿頸等工序的加工，工件獲得的初始不平衡量也會發生變化，甚至會變得更大，而且，工件以質量定心方式加工，切削余量可能存在嚴重的不均勻，工件加工表面會產生“黑皮”。因此，通常需要在粗加工完成后重新測量工件初始不平衡量，根據粗加工后是否存在“黑皮”以及所獲得的不平衡量大小和角度，對質量定心機進行補償，以使工件完成粗加工后能獲得更恰當的初始不平衡量。此外，為了兼顧曲軸最終動平衡加工節拍、降低動平衡報廢率，通常還需要根據最終動平衡的生產情況對加工兩端中心孔的位置度進行適當補償，如圖11所示，使整線生產的加工成本、生產效率、工件報廢率達到最優的狀態。

6 結束語

幾何定心和質量定心的差異主要受工件的幾何形狀以及質量分布均勻性的影響，生產線采用幾何定心還是質量定心，除了考慮設備投資成本以外，主要考慮生產線生產的產品品種多樣性、差異性以及同種產品不同模號的一致性。通常多產品共線或共線產品差異大宜采用質量定心，單一產品或共線產品差異性小，宜采用幾何定心。