基于幾何中心孔工藝的曲軸加工動平衡優化方法

東風日產乘用車公司 廣東廣州 510800

曲軸是發動機核心零件之一，其動平衡狀態關系到發動機壽命及司乘人員駕乘舒適性，為此研究動平衡具有重要意義。曲軸動平衡狀態最終在機加工線上完成，毛坯上線時需先在前后端打中心孔用于后續頂尖定位，俗稱“曲軸定心”，方法上分為幾何中心孔、質量中心孔兩種工藝，其區別如圖1所示。相比幾何中心孔工藝，質量中心孔的加工需要增加設備進行毛坯慣性主軸位置測量。

圖1 定心工藝

兩種定心工藝對最終動平衡工序來料的初始動不平衡量U0有較大的影響，采用質量中心孔工藝可以獲得更小的初始動不平衡量，且其離散情況相對幾何中心孔工藝可以大幅優化。

實踐表明，質量定心孔工藝有利于節約節拍，提高一次修整合格率并減少報廢。但是，質量定心孔工藝存在設備投資更大、軸頸黑皮發生率更高、刀具磨損更嚴重等問題。加之，隨著鋼材冶煉和鍛造技術的提高，材料均勻性和外形尺寸單批次穩定性得到很大改善，因此近年來新建加工線尤其是四缸機加工線采用幾何中心孔工藝的比例呈上升趨勢。

然而，不同批次毛坯的動平衡波動仍然是幾何中心孔工藝的一個難題，為此，行業內通常由人工補償幾何中心孔坐標，但多是對前后端頂尖孔單獨調整，必然存在著調整后頂尖孔不同軸的問題，影響后序加工跳動。此外，修正鉆孔有多種組合方式，而常規的經驗補償無法詳盡所有情況，當出現新的組合方式時往往只能嘗試性地調整，有較高的品質風險。也有部分廠家導入Q-DAS系統統計補償量，導致投資增加。

本文旨在針對四缸機曲軸的幾何中心孔工藝，提供一種量化、高效的優化算法。該算法在Excel中編程實現，具有很好的操作性。

動平衡原理

曲軸形狀特殊，擁有多個曲拐，因其質量分布非中心軸對稱的特點，旋轉時內部各質點的離心力系不能平衡，由此引起慣性力系不平衡狀態。一般乘用車四缸機曲軸長度400～550mm，撓性變形量小，分析動平衡問題時通常將其視為剛性轉子處理。質量為M（單位kg）的均勻圓盤繞其中心軸勻速轉動，當在距中心距離R（單位cm）處附加質量m（單位g）時，將引起不平衡量并對中心軸產生交變力，計算不平衡量U（單位g·cm）

進而導致整體質心位置的改變，計算偏心量e（單位mm）

因m相對M小很多，0.1m＜＜100M，因此可簡化為

曲軸設計狀態下是整體平衡的，但因鍛造過程中的彎曲、錯模、修邊變形及缺肉等影響，導致整體不平衡，因此需要在機加工環節加以修正。乘用車曲軸的動平衡修正普遍采用去重法，包括測量和修正作業，其原理如圖2所示。

圖2 動平衡修正原理圖

曲軸旋轉時對兩個測量支承產生周期性的作用力，通過拾振器獲取信號，再由工控機進行信號分離及運算，求出兩個測量面上的不平衡量大小、相位并給出最優修正方案，接著修正工位按照該方案執行修正，最后再次測量確認效果，期間設備將記錄保存上述數據，同時顯示在人機界面，必要時設備將進行二次修正。

動平衡測量一般利用兩端主軸頸進行支承，通過定義坐標系準確地顯示不平衡量的大小和相位。

動平衡修正只能在規定的平衡塊上實施，以市場上某款日系乘用車四平衡塊曲軸為例，只能在1#、4#、5#和8#平衡塊上鉆孔，即修正面只能設置1#、4#、5#和8#平衡塊所在的四個面。當不平衡量處在-45°～45°或270°～360°時，以1#和8#平衡塊上修正為主，當不平衡量落在90°～270°時，以4#和5#平衡塊上修正為主。

此外，受平衡塊形狀和尺寸影響，修正只能在一定的角度、深度及鉆孔直徑范圍內進行，考慮到二次修正孔，則需要在有限角度內設置兩組鉆孔參數。

定義修正方案后，就能確定出每個平衡塊的修正能力，用修正方法圖（又名“修正能力圖”）表示，由此可知一次修正能力范圍（粗實線）及兩次修正總的能力范圍（粗虛線）。當不平衡量落在粗實線封閉區內時僅需一次修正即可，當處在粗實線與粗虛線輪廓之間時需執行二次修正，而超出粗虛線封閉區域時設備將無法自動修正至合格狀態。

通過動平衡修正，發動機穩定工況運轉時，曲軸傳給支承的作用力大小和方向不隨時間變化而變化的狀態，就達到了理想動平衡狀態。但理想狀態非常難以滿足，因此產品圖規定了容許最大剩余不平衡量，只需將動平衡修正至此量值以內即可。

優化方法

1.修正方法圖繪制

設備交付時制造商提供的修正方法圖是最終結果呈現，無法準確地知道修正能力曲線中各點數值，當工藝參數如鉆頭直徑或角度調整時往往需要聯絡廠家更新繪制，因此其用于指導實際生產進行故障調查時有其不足之處。為此，基于Excel表格編程完成了修正方法圖的繪制。

旋轉時，曲軸某橫截面i上存在不平衡量Ui，其所產生的離心力作用于兩端檢測支承并被拾取，支承上感知到的不平衡量Uia、Uib滿足力平行分解原理，如圖3所示。

圖3 力平行分解原理

在已知平衡塊半徑、鉆頭直徑、鉆頭頂尖角或頂尖高度、最大鉆孔深度及材料密度的情況下，可以求得最大鉆孔深度時的去重質量m及其質心位置R，進而求得每個孔的去除動平衡量U。根據上述公式，進一步得到其分解至a、b測量面上的分量Ua、Ub。最終，可得到4個修正面上各孔的去除量分解至a、b測量面的分量Uia、Uib。

因各孔角度不同，所以所得分量Uia、Uib實際為與角度相關的向量，表示以（其中i表示修正面坐標，j表示鉆孔角度）。通過矢量疊加，即可求得等價至a、b測量面的修正能力范圍，原理如圖4所示。

圖4 矢量疊加原理

根據已知的修正方案，編程繪制曲線。在灰底區域輸入修正參數，自動繪出一次修正、二次修正及兩次修正累加的能力曲線，能力曲線封閉區域以內的部分即可修正。

2.初始不平衡量抽離

當動平衡發生修正NG彈出等異常情況時，往往需要調查來料動平衡狀態。此外，為對應毛坯批次變換時動平衡狀態波動的問題，更換毛坯批次時有必要進行小批量動平衡驗證，此時也需要事先掌握動平衡工序來料的狀態。

該方法以日本NAGAHAMA動平衡設備為例說明，旨在從動平衡機的眾多測量數據中檢索出目標時段內的初始不平衡量數據，用于調查來料狀態，并為后續的調整前序加工頂尖孔坐標補償量做準備。

操作步驟如下：

1）按照設備資料說明導出測量CSV文件，并在Excel中打開。

2）按序列號升序重排整個表格。可看到不同序列號出現的次數不同，只出現一次說明無需修正，出現兩次及以上時說明經過了鉆孔修正。

3）插入列并編程“=if(本行序列號＞上一行序列號，1，0)”賦值。將所有序列號首次出現時標記為“1”，再只篩選顯示“1”的數據即可初始不平衡量數據。選取所需時段內的“U1、P1、U2、P2”列數據即可，分別為測量面a測得的不平行量U1、角度P1，以及測量面b的不平衡量U2、角度P2。

3.圖形化顯示來料初始不平衡量

結合修正方法圖，將獲取的最終動平衡來料初始不平衡量數據進行圖形化顯示，以便清楚地知道以下信息。

1）來料能否被修正以及是否需要兩次修正。

2）來料初始不平衡量的集中程度。

3）來料初始不平衡量總體所處的位置（為補償中心孔加工坐標做準備）。

編程繪圖，將上述初始不平衡量數據輸入到對應區域，自動繪出散點圖，如圖5所示。由圖中可知，樣本分布在一次修正區域以內，表明經過一次修正就能達到要求。

圖5 動平衡修正能力

當頂尖孔加工設備有多臺時，該方法也可用于調查兩臺設備的差異，當圖形出現分團聚集時，則可以判斷設備大概率存在差異，以此指導保全人員進行故障調查。

當樣本初始不平衡量不理想，超出一次修正范圍甚至二次修正范圍時，則需要調整前序頂尖孔坐標。

編制公式，自動求出針對此樣本的中心孔坐標補償量，同時顯示按此調整后的初始不平衡量分布預期狀態，確認預期效果OK后便可對幾何中心孔加工工序實施補償。該方法已綜合考慮曲軸前后端的情況，因此實施補償時只需對曲軸前后端中心實施相同量的補償即可，確保補償不改變前后中心孔的同軸狀態。為便于現場操作員使用，引入宏參數編入NC程序中，將該值輸入到指定宏變量即可快速完成補償作業。優化效果如圖6所示。

圖6 優化效果

結語

針對幾何中心孔工藝下不同批次毛坯動平衡狀態波動問題，提出了一種基于Excel編程的優化方法。該方法具有低成本、高效率、高可靠性及操作便利的特點，為動平衡問題調整幾何中心孔提供了一個可視化輔助工具，彌補了傳統經驗操作中的不足。