曲轴质量定心机在生产线上的应用

钟安飞　黄海　黎沙

【摘 要】随着发动机技术的发展和产品法规的要求，发动机技术的改进速度越来越快，同一生产线同时生产不同类型的产品的情况越来越多。为了提高产品曲轴生产线动平衡机的运行效率，文章分析采用质量定心和几何定心工艺对曲轴动不平衡量的影响。多产品生产线采用质量定心工艺，可以减少进入动不平衡机动不平衡量的值和减少动不平衡的波动范围，有效地提升最终动平衡机的加工效率。

【关键词】几何定心；质量定心；动不平衡量；动平衡

【中图分类号】TH161 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）07-0073-03

0 引言

随着我国经济持续发展和人民生活水平的提高，汽车已經成为人们日常生活中不可缺少的一部分。随着客户群体的增加，汽车的用途不断发生变化，从以前的货运逐步向乘用转变。随着汽车技术的发展和顾客对汽车舒适性要求的提高，整车噪音和振动的控制成为每个汽车制造企业的主要任务之一。传统发动机（汽油机和柴油机）都是通过曲柄连杆机构带动活塞在缸体内进行往复运动。曲轴把周期性的往复运动变为旋转运动，再通过发动机与变速箱的连接驱动汽车轮前轮或后轮运动。发动机在运转过程中，作用于曲轴上的旋转惯性力和往复惯性力呈周期性变化，如果曲轴质心偏离几何中心，会造成发动机产生振动，降低整车的舒适性。因此，如果在汽油机和柴油机设计和制造过程中，这些力不能被有效地消除，则会导致发动机运行过程产生周期性的噪音和振动，从而影响整车性能。具体的危害如下：？譹？訛引起车辆振动，影响乘坐舒适性和驾驶平顺性。？譺？訛产生振动噪音，消耗能量，降低发动机的总效率。？譻？訛引起紧固件的松动或过载，以及相关设备的异常损坏等。

现在曲轴的设计过程中都严格要求最终成品的动不平衡量。例如，某1.5 L发动机的最终动不平衡量要求小于10 g.cm。而现有曲轴的毛坯主要是通过铸造和锻造形成，无法保证曲轴的初始动不平衡量，且曲轴毛坯的初始动不平衡量远远大于成品的要求，一般都达到了500 g.cm，所以曲轴必须进行动平衡才能达到现代产品的要求。曲轴动平衡是曲轴制造过程中的重要工位，动平衡量的大小直接影响了发动机的性能和生产的效率。由于造成曲轴不平衡量的因素是随机的（如铸造缺陷、材料密度不均匀），所以无法计算得出，只能通过重力实验（静平衡）和旋转试验（动平衡）测定和校正，使它降低至允许的范围。但是，曲轴在发动机上是高速运动的，静平衡不能满足要求，必须经过动平衡。且随着现代发动机及其品种的更新越来越快，每条曲轴生产线存在同时生产不同类型的曲轴和由不同供应商提供毛坯，比如三缸、四缸曲轴共线生产。传统的曲轴生产线都是采用几何定心，由于不同类型的铸件（或锻件）的曲轴密度不均匀、材料不对称等，引起初始动不平衡量不稳定，造成动平衡机的节拍变化很大，降低了整个生产线的效率。采用质量定心工艺可以有效地减少曲轴进入动平衡机的动不平衡量，提高生产线效率。

1 轴类零件工艺概述

轴类零件是机器中最常见的一种零件，主要用于支承传动零件和传递动力。在机械的加工过程中，很多工艺都是以轴类两端中心孔进行定位，完成轴类零件外圆、端面等特征的加工。轴零件中心孔的加工有2种方式，一种方式是根据零件的几何形状定位，加工中心孔，即几何定心。另一种方式是根据零件的质量分布情况测量出质心的位置，再根据质心的坐标加工中心孔，即质量定心。

2 中心孔加工工艺对动不平衡量的影响

2.1 几何定心对成品动不平衡量的影响

传统的曲轴加工工艺都是用几何定心的定位方式，即以最外侧2个主轴颈定位夹紧，以最外侧2个平衡块进行分中，第一连杆颈为径向定位，图1为几何中心定心工艺的定位夹紧示意图。几何中心以曲轴毛坯表面为定位基准，由于曲轴铸造表面的形状误差大，造成加工中心孔的位置度的离散程度大，且受曲轴铸造（锻造）精度和复杂形状的影响，完成精加工后的曲轴动不平衡分布范围大。

假设：？譹？訛曲轴铸造（或锻造）完成后因锻造精度和曲轴形状的产生的初始动不平衡量为U0=m0r0。？譺？訛根据曲轴毛坯表面质量加工中心孔，产生的动不平衡量为U1=m0r1。其中，m0为曲轴毛坯质量，r0为质心和几何中心的距离。

采用几何定心工艺产生的动不平衡量偏差如下：

U=U0+U1=mr0+mr1=m（r0+r）（1）

因此，采用几何定心工艺加工的中心孔引起动不平衡量的偏差的主要原因如下：？譹？訛曲轴毛坯的锻造（或铸造）质量。曲轴毛坯本身的动不平衡量较难控制，本文采用测量某1.5 L四缸铸造曲轴的质心偏移量r0为0.7～1.4 mm，详见表1。？譺？訛加工中心孔的位置度。曲轴工艺一般要求为中心孔位置度小于0.5 mm，相当于r1≤0.25 mm；因此，某1.5 L曲轴完成中心孔后的动不平衡量可以控制在U=1.65×m0以内。

2.2 质量定心对成品动不平衡量的影响

质量定心工艺就是在加工曲轴两端中心孔前，先采用质量定心机测量曲轴毛坯的动不平衡量后，换算加工两端中心孔的坐标值，通过桁架机械手把中心孔的偏移量传输至下一个工位的加工中心，确保其加工中心两端的中心孔的轴线通过曲轴毛坯质心。申克质量质心设备测量4缸曲轴的精度能够达到0.04 mm，三缸曲轴的精度达到0.06 mm。两端中心孔的精度是靠后工序的加工中心的夹具予以保证，不受毛坯质量的影响。根据现场采用的加中心的夹具设计标准，其精度可以达到0.008 mm。因此，采用质量定心机后，曲轴加工完成中心孔后的动不平衡量理论上可以控制在U=0.068×m0以内。

2.3 采用几何定心和质量定心加工曲轴的动不平衡量分析

采用同一批次的某1.5 L曲轴毛坯，分别用质量定心和几何定心工艺加工某1.5 L四缸机曲轴根共125件。曲轴两端中心孔采用几何定心工艺加工的1.5 L曲轴，在OP120动平衡工位测量的动不平衡量分布范围为149.2 g.cm±140 g.cm，具体分布情况如图2所示，采用质量定心工艺加工的曲轴，在OP120动平衡工位测量的动不平衡量分布范围为62.4 g.cm±63 g.cm，如图3所示。

曲轴的动不平衡的修正方式有2种，以增加质量和曲轴质量修正质心的分布。但在小排量曲轴的生产过程中，为了提高生产效率和降低员工的技能准入程度，曲轴的动平衡都是采用去除材料的方法来实现最终的平衡。最终动平衡机的效率主要受动平衡量的多少和分布影响，这直接影响动平衡机的钻孔数量。动平衡机去除材料的动不平衡量计算方法如下。假设动平衡机钻孔直径为10 mm，钻尖角度为118°，球墨铸铁的密度为ρ=7.3 g/cm3。钻孔深度为20 mm。

（1）钻孔深度为H。

（2）r为曲轴理论的旋转半径，为常量，某1.5 L曲轴的旋转半径为68 mm。

因此，1个平衡孔的去除动平衡量值如下：

U1=ρVr（2）

根据公式（2），一个动平衡孔的最大去除量为74.4 g.cm；结合上述分析，采用质量定心工艺平均钻孔数量为1～3个，采用几何定心的工艺加工的平均钻孔数量为3～5个。采用质量定心工艺的动平衡机的效率可以提升50%以上。平衡孔示意图如图4所示。

3 总结

曲轴加工采用中心孔质量定心工艺，使曲轴最终进入动平衡机的动不平衡量的分布范围是几何定心的50%，甚至更小，动不平衡量的平均值也大幅度地减少，动平衡机的加工效率得到明显的提升（钻孔数量减少）。在实际的运行中，为了避免采用质量定心后，曲轴加工的余量分配不均匀，降低曲轴的性能及疲劳强度，不能够无限度地降低初始的动不平衡量，需要根据产品毛坯的制造质量和产品设计性能要求控制中心孔的位置度。但是，采用质量定心机的设备投入有所增加，建议适用于大批量生产。小批量生产还是采用传统的几何加工工艺保持生产的经济性和柔性程度。

参 考 文 献

[1]邓旺群，任兴民.高速转子动平衡技术[M].北京：科学出版社，2017.

[2]杨国安.转子动平衡实用技术[M].北京：中国石化出版社，2012.

[3]张抱建.发动机曲轴锻件动平衡性能研究[D].上海：上海工程技术大学，2013.

[责任编辑：陈泽琦]