基于质量定心技术的曲轴加工制造

覃建方 卢双桂

【摘 要】为保证曲轴的中心孔和质量中心尽可能重合，在加工中心孔之前，先测量质量中心的位置，然后将质量中心位置数据发送给CNC，CNC根据相应的位置数据来加工中心孔，可提高中心孔和质量中心的重合度，进而提升曲轴的动平衡。

【关键词】发动机;曲轴;加工制造;质量定心

【中图分类号】U464.133.3 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）02-0072-02

0 前言

高速旋转运动类零件在加工制造时要有动平衡工艺，以保证其质量中心和回转几何中心尽可能重合，提高动平衡。曲轴在发动机里不可或缺，它属于旋转类零件，其加工质量直接决定发动机的性能。发动机正常工作时，曲轴转速在1 000～5 000 rpm之间，在如此高的转速下，如果质量中心偏离回转中心太大，会造成各个角度的离心力不平衡，旋转运动时，这种失衡的离心力导致曲轴震动加剧，造成发动机异常震动、异响、轴瓦磨损加剧，进一步造成发动机寿命降低及影响客户的体验，本文介绍的质量定心工艺可提高动平衡性能。

1 曲轴质量定心的作用

曲轴回转中心位置是由两端中心孔的位置确定的，轴类零件的加工工艺规程中，一般都是先加工两端中心孔，再以两端中心孔作为轴向和径向定位基准来加工其余特征。如果加工中心孔的位置和质量中心不重合，会造成曲轴动不平衡。

为保证曲轴的中心孔和质量中心尽可能重合，在加工中心孔之前，先测量质量中心的位置，然后将质量中心位置数据发送给CNC，CNC根据相应的数据来加工中心孔，可提高中心孔和质量中心的重合度。所以质量定心的作用是找出质量中心，然后把中心孔加工到质量中心的位置，提升曲轴的动平衡。

2 曲轴质量定心的原理

曲轴质量定心机的原理示意图，通过旋转头架驱动曲轴旋转，旋转过程中产生不平衡的离心力，平衡传感器通过检测不平衡离心力得到动不平衡量，以及通过参数相位发生器识别质心的角度，平面电路分离器把不平衡量分配到曲轴两端平面，再由测量电路将不平衡量转化为X轴和Y轴方向的质心位置数据。

X轴方向质心位置计算公式：X = I / M G cosθ

Y轴方向质心位置计算公式：Y = I / M G Sinθ

注：I为动不平衡量，由平衡传感器测量获得;M为曲轴重量，由锻造和铸造控制在一定公差范围内;G为万有引力加速度，9.8 N/kg。

3 影响曲轴质量定心精度的因素

在理想状态下的理论计算可以实现中心孔与质量中心位置的重合，但实际生产过程中总会受到各种因素的影响，无法实现完全重合，主要影响因素有以下6个方面：锻造和铸造毛坯各部分材料的均匀性;毛坯几何形状的误差;质量定心机本身的精度;厂房其他设备加工时震动造成传感器的波动;加工中心设备的精度;？譾？訛锻造和铸造毛坯的模具。

如果质量定心机要求的公差太严，则容易造成不必要的毛坯报废，如果要求太宽，则最终动平衡机无法将动平衡量校正到图纸要求的范围内。受以上各种因素的影响，质量定心的动平衡量要求在200 g·cm以内，该动平衡量在最终动平衡机上可进一步校正为10 g·cm，以满足曲轴产品的要求。

4 质量定心工艺的相关要求

曲轴动平衡工艺分两种。第一种是几何定心，即直接在几何中心上钻中心孔。该方案的优点是无需质量定心机，设备投资成本低，缺点是钻中心孔后曲轴的动平衡量不好，容易导致最终动平衡机节拍超差，动平衡量超差报废率较高。第二种是质量定心，即在质量中心上钻中心孔。该方案优点是夹具结构简单，工件的动平衡好，保证最终动平衡机的节拍，且报废率低，缺点是设备投资及维护成本高，夹具的一致性和精度要求高。质量定心和几何定心应用场合如表1所示，在节拍和质量满足要求的前提下，尽量选几何定心工艺。

采用质量定心工艺时，必须注意质量定心机的夹具与配套的CNC夹具定位夹紧位置、定位夹紧覆盖面积保持一致，这样才能保证曲轴在两台设备中有相同的零点和定位夹紧误差，这样质量定心机传输给CNC的数据才能得到准确的应用。

5 质量定心工艺的现场应用方案

（1）将质量定心机放在线下，只检测一部分曲轴毛坯的质量中心位置。此方案基于来料毛坯的质量中心位置较为稳定，毛坯上线之前，先随机测量一定数量的毛坯，找出质量中心位置的平均值，然后将该平均值设置到CNC机床里，CNC机床加工时对每个零件都调用该平均值进行补偿。该方案的优点是设备结构简单，运行成本低，缺点是无法保证每个零件的中心孔与质量中心的重合度，容易出现动平衡超差的问题。锻造和铸造毛坯的模具对质量中心的位置影响很大，应用该方案时，还要求对毛坯按模具号分开包装，以保证同一批物料的质量中心位置的稳定性。

（2）将质量定心機放在生产线上，对所有来料毛坯的质量中心位置进行检测。该方案在检测完质量中心位置后，直接将每个毛坯的检测数据发给CNC，CNC根据不同零件的相应数据进行加工，能最大程度保证所有零件的中心孔和质量中心的重合度。该方案需要质量定心机与CNC进行数据交互，对来料毛坯的要求不高，但对质量定心机和CNC的夹具一致性要求较高。

6 结论

曲轴零件的加工，采用质量定心工艺可以提高动平衡性能，降低发动机的噪音，提升发动机的寿命。应用质量定心工艺时，需要保证质量定心机和CNC夹具的定位夹紧位置、定位夹紧覆盖面积保持一致。质量定心机可在线上或线下使用，两种方案有不同的优、缺点，使用时需综合考虑现场条件和相关要求，以使质量定心工艺获得良好的效果。

参 考 文 献

[1]吴建华.汽车发动机原理[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1995.

[3]田广奎.质量中心孔和几何中心孔在曲轴加工中的优化[J].柴油机设计与制造，2012（2）.

[责任编辑：钟声贤]