曲軸質量定心機夾具改進研究

莫祖源 李鑫泉 李奮吉

摘要：為了確保曲軸的質心與其中心孔一致，首先要確定曲軸的質心位置，并將該信息傳遞至機器設備，由此定位數據對中心孔進行制造，這樣可以有效提高中心孔及質心的匹配度，提高曲軸的動態均衡性。在這一過程中，質心檢測器負責零件固定，防止因旋轉而導致零件移動，影響中心孔定位數據的精確性，導致質心檢測器故障或松脫。基于此，本文主要研究曲軸質量定心機夾具的改進，以供參考。

關鍵詞：曲軸；定心機；夾具彈簧；異常消耗

DOI：10.12433/zgkjtz.20233439

曲軸質量定心機工件夾緊靠扭轉彈簧變形扭轉勢能夾緊力夾緊（下文統稱彈簧），夾具靠氣缸打開，彈簧扭轉受力，夾具為打開狀態；夾具夾緊，氣缸松開，彈簧釋放扭轉力夾具將曲軸夾緊，設備回歸原位狀態；夾具打開，彈簧受力扭轉，夾具存在彈性勢能，有夾傷人的安全隱患，彈簧一直受力扭轉，將加劇彈簧疲勞斷裂，達不到夾具彈簧使用壽命。

一、工藝分析

曲軸加工工藝：05上料—10鉆中心孔—15銑平衡塊側面—18打標追溯—20車拉主軸頸—30銑連桿頸—40鉆油孔—45中間清洗機—48曲軸淬火—50軸頸滾壓—60鉆中心孔攻絲—70車止推面—80軸頸磨削—90加工工藝孔攻絲—100磨削油封—110動平衡—120機器人去毛刺—130軸頸拋光—140最終清洗—150終檢機—155下線。

從工藝流程上可以看到，曲軸的動平衡工序一般都安排在最終機械加工后，即110工序。然而，對曲軸的不平衡程度產生影響的關鍵環節是機械制造過程中的鉆中心孔部分，這是第10工序。因此，需要確保鉆出的中心孔位于曲軸旋轉質量的中點，降低半成品的最原始不平衡值，減輕去除不平衡重的負擔，保障曲軸機械加工線上的生產節奏和效率。傳統的方法是在曲軸鉆中心孔過程中使用軸頸的外圓作為基準點，基于幾何學的基本原則和原始工藝技巧尋找中心位置。然而，兩個外圓表面仍處于粗糙狀態，產生的幾何中心存在較大的偏移量。此外，曲軸的結構較為復雜且毛坯制作精度較低，導致用外圓確定的位置與實際的質心距離較大，造成110號工序中曲軸的初始不平衡值增大，可能過多地去除部分負荷，甚至需要從其他的負荷區域重新分配負荷。如此一來，可能對整個曲軸造成負面影響，因為超出了預定的減重范圍而破壞曲軸。同時，過于強烈的減重也會影響引擎運行的平穩性和震動情況。

二、曲軸質量定心機作用

質量定心是一個平衡過程，原理是找到曲軸的質心后，精準打磨曲軸的兩個末端，促使末端的質心點與當前的質心相一致。這一步驟作為額外的操作步驟被添加到整個曲軸制造過程中，目的是優化最后的曲軸的平衡效果。無論是鍛鋼制成的曲軸還是球鐵鑄造出的曲軸，目前都普遍采用了這種方法完成質心定位。在10工序使用專門設計的質心定位鉆頭制作中心孔，已實現了平衡。然而，當進入110工序時，由于機械加工的影響出現了新的不平衡現象。相比之下，利用幾何定心的曲軸在開始階段存在著更小的不平衡量，這是由于曲軸毛坯自身及機械加工導致的。同時，由于初始不平衡量相對較小，需要消除的重量也較有限，會減少鉆孔去除重量的次數和總量，降低平衡測試所需的時間，提高生產節奏感和外表面的質量，滿足曲軸滿足產品的性能需求，并在引擎內部正常運行且具有穩定的慣性質量。此外，有助于提升后續工藝流程中的曲軸高效率加工能力。采用德國申克生產的RFJZ0033型精確定位曲軸設備處理鍛造鋼制曲軸，在10工序步驟前引入08工序名為質量精準定位機器，以確保準確度，同時將這些信息傳遞至10工序即鉆取中心孔的位置，可以解決曲軸加工超節拍的問題。

三、曲軸質量定心工藝的相關要求

曲軸動平衡工藝分兩種：首先，在幾何中心處打出中心孔。這被稱為幾何定心的方式，優勢在于不需要使用高質量的定心機器，可以降低設備投入的費用；缺陷在于一旦中心孔被打出來，會影響曲軸的平衡性，導致最后階段的動態平衡儀出現過多偏差。其次，質量定心的方式。從質量中心開始打洞優勢在于夾持器設計簡潔，可以確保曲軸的高效平衡，并有效控制最后的動態平衡儀節奏，減少浪費的可能性，但也相應的帶來了一些挑戰，例如，需要更高的設備投資和維護成本，對夾具的一致性和精準度也有較高的需求。因此，如果需要在節奏和品質都達到標準，可以優先考慮幾何定心。

四、現狀及存在問題

曲軸質量定心機常年因為夾具而導致設備故障停機4次，測量數據不穩定8次，一次故障修復需要240min，故障原因是夾具彈簧斷裂。彈簧一年損壞4套，一套彈簧采購價格原裝彈簧1.4萬元，采購周期六個月以上，故存在以下問題：第一，彈簧屬設備易損件，需要定期（每年）檢查更換，設備總共用到四套彈簧，一次性更換四套彈簧需要5.6萬元備件成本，彈簧易損和原裝彈簧備件采購費用昂貴及采購周期長。第二，彈簧斷裂，夾具無法動作，工件夾緊不到位報錯，設備運行不穩定，影響下線產品輸出。第三，彈簧異常消耗，每年消耗8套彈簧，更換備件費用昂貴。質量定心機夾具示意圖如圖1所示，質量定心機夾具彈簧實物圖如圖2所示。

五、問題原因分析

結合曲軸質量定心機結構特點，采用彈簧實現機構動作，實現曲軸的夾具和松開動作。因此，對于彈簧的品質有較高的需求，包括標準與參數必須精確無誤，保證其穩定性和耐用性。據工廠反映，用于質量定心機夾具中的彈簧時常出現破損的情況，為了探究這一問題，利用掃描電子顯微鏡、硬度測試儀和化學元素分析等做深入研究，并配合實地考察，對彈簧的損壞情況做故障分析。由此得出，主要問題在于彈簧折斷的現象：所有彈簧的斷裂點都呈多層堆疊形狀，且部分邊角存在撕扯痕跡，兩端的斷裂表面都是筆直的，表明在斷裂過程中沒有過多的塑形變化；所有的斷裂源頭都在彈簧的兩側邊緣區域，而且這些點的分布是相互對應的，由此推測可能是因為彈簧過度旋轉導致疲勞脆弱進而引發斷裂。彈簧安裝部位及斷裂彈簧如圖3所示。

扭轉彈簧材質為65Mn鋼，其化學成份分析結果和該鋼的GB1222－84國際數據對比情況如表1所示，由此可知，彈簧材質65Mn鋼化學成份的質量分數滿足GB1222－84標準要求。

綜上所述，彈簧在使用過程中，第一，由于夾具設計要求，彈簧受反復扭轉力，扭轉角度大于180°，加工一個工件彈簧反復扭轉一次，一天加工1000個零件，反復扭轉1000次；第二，彈簧在停機關機狀態，彈簧處于最大角度扭轉狀態，持續時間長，彈簧受扭轉力長時間未得釋放；第三，測量彈簧洛氏硬度，符合國家標準。

六、改進方案

分析彈簧失效模式：彈簧片斷裂，夾具無法動作，工件夾緊NOK，將斷裂的彈簧送到實驗室檢測得知，斷裂原因是疲勞斷裂，針對彈簧易損和原裝彈簧備件采購費用昂貴及采購周期長問題，改進方案如下：

方案1：優化彈簧夾緊力，根據收集的夾緊力數據，在能夾緊工件的前提下，調整彈簧的扭轉行程，減小扭轉力，延長彈簧疲勞壽命，根據維護手冊要求和結合彈簧扭矩數據說明，調整彈簧的扭轉行程不滿足夾緊力要求，工件夾緊力需要≥90N.M，調整彈簧扭轉量后，工件夾緊力降低至45N.M，小于工件夾緊所需要夾緊力，工件可能夾不緊。因此，此方案不可行。彈簧夾緊數據如表2所示。

方案2：國產化彈簧報價456元/套，原裝彈簧1.4萬元/套，節約備件費用5萬元/年，第一，測量原裝彈簧尺寸，繪制國產化彈簧；第二，詢價、加工國產化彈簧一套驗證；第三，國產化彈簧上機測試夾緊數據；第四，國產化彈簧上機使用。經驗證，國產化彈簧可以滿足現場設備環境要求及工藝要求，此方案可行。原裝彈簧和國產彈簧夾緊數據對比如表3所示。

方案3：優化夾具動作邏輯，降低彈簧疲勞，減緩彈簧脆斷的速度。第一，改進前夾具動作邏輯。機床回原位后夾具是打開狀態，設備關機斷電后夾具仍是打開狀態，考慮安全因素，彈簧動作氣缸控制采用是三位五通中封閥，設備斷電斷氣氣缸是保壓狀態，因此彈簧扭轉受力存在勢能，彈簧一直被扭轉，有安全隱患和加劇彈簧疲勞斷裂。第二，改進后夾具動作邏輯。機床回原位后按下設備面板控制電斷電時夾具自動動作夾緊，前提條件是設備非自動模式、不在標定校準模式，設備安全門關閉、電柜主開關未拉閘、無工件狀態，設備急停不會觸發自動夾緊夾具，關機自動夾緊夾具，釋放彈簧勢能，使彈簧不受扭轉力，降低彈簧的疲勞程度，即減緩彈簧因疲勞而斷裂損壞的速度。經驗證，此方案可行。設備夾具動作邏輯優化程序如圖4所示。

圖4? ?設備夾具動作邏輯優化程序

七、應用效果

經過應用驗證，優化夾具動作邏輯，關機自動夾緊，可以降低彈簧疲勞，減緩彈簧脆斷的速度，消除安全隱患，帶彈性勢能檢修設備危險性極高，員工有被夾傷風險，優化前彈簧斷裂每年8套，優化后夾具邏輯動作后，彈簧斷裂每年1～2套，即優化夾具邏輯動作可以大大延長彈簧的使用壽命，原來彈簧2個月斷一次，優化夾具邏輯動作后，使用壽命可達到8個月或更長時間，提升彈簧壽命每年節約金額（按原裝彈簧計算）約10萬元人民幣：備件節約=彈簧價格1.4萬×損壞數量7套=9.8萬元；國產化彈簧，每年節約購買彈簧費用約5萬元人民幣；減少設備故障停機時間節約金額約4萬元人民幣。改進后的彈簧即可節約金額約19萬元人民幣：每年總節約=壽命提升每年節約100000+國產化節約50000+減小停線節約38976=189976元人民幣。

八、結語

第一，優化彈簧夾緊力，根據收集的夾緊力數據，在能夾緊工件的前提下，調整彈簧的扭轉行程，減小扭轉力，延長彈簧疲勞壽命，調整彈簧扭轉行程，經實驗驗證，扭轉行程調小后零件夾緊不穩定，無法準確測量，造成測量誤差，故此方法不可行。

第二，國產化彈簧，降低采購成本，經過夾緊數據對比和實際應用，此方法可行。

第三，優化夾具動作邏輯，降低彈簧疲勞，減緩彈簧脆斷的速度，消除安全隱患，經實驗驗證，此方法可行。

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作者簡介：莫祖源（1990），男，廣西壯族自治區玉林市人，工程師，主要研究方向為汽車發動機制造業的設備維護與管理；李鑫泉（1996），男，廣西壯族自治區平南縣人，助理工程師，主要研究方向為汽車發動機制造業的設備維護與管理；李奮吉（1996），男，廣西壯族自治區貴港市人，助理工程師，主要研究方向為汽車發動機制造業的設備維護與管理。