基于几何中心孔工艺的曲轴加工动平衡优化方法

2021-05-15

汽车工艺师 2021年4期

东风日产乘用车公司广东广州 510800

曲轴是发动机核心零件之一，其动平衡状态关系到发动机寿命及司乘人员驾乘舒适性，为此研究动平衡具有重要意义。曲轴动平衡状态最终在机加工线上完成，毛坯上线时需先在前后端打中心孔用于后续顶尖定位，俗称“曲轴定心”，方法上分为几何中心孔、质量中心孔两种工艺，其区别如图1所示。相比几何中心孔工艺，质量中心孔的加工需要增加设备进行毛坯惯性主轴位置测量。

图1 定心工艺

两种定心工艺对最终动平衡工序来料的初始动不平衡量U0有较大的影响，采用质量中心孔工艺可以获得更小的初始动不平衡量，且其离散情况相对几何中心孔工艺可以大幅优化。

实践表明，质量定心孔工艺有利于节约节拍，提高一次修整合格率并减少报废。但是，质量定心孔工艺存在设备投资更大、轴颈黑皮发生率更高、刀具磨损更严重等问题。加之，随着钢材冶炼和锻造技术的提高，材料均匀性和外形尺寸单批次稳定性得到很大改善，因此近年来新建加工线尤其是四缸机加工线采用几何中心孔工艺的比例呈上升趋势。

然而，不同批次毛坯的动平衡波动仍然是几何中心孔工艺的一个难题，为此，行业内通常由人工补偿几何中心孔坐标，但多是对前后端顶尖孔单独调整，必然存在着调整后顶尖孔不同轴的问题，影响后序加工跳动。此外，修正钻孔有多种组合方式，而常规的经验补偿无法详尽所有情况，当出现新的组合方式时往往只能尝试性地调整，有较高的品质风险。也有部分厂家导入Q-DAS系统统计补偿量，导致投资增加。

本文旨在针对四缸机曲轴的几何中心孔工艺，提供一种量化、高效的优化算法。该算法在Excel中编程实现，具有很好的操作性。

动平衡原理

曲轴形状特殊，拥有多个曲拐，因其质量分布非中心轴对称的特点，旋转时内部各质点的离心力系不能平衡，由此引起惯性力系不平衡状态。一般乘用车四缸机曲轴长度400～550mm，挠性变形量小，分析动平衡问题时通常将其视为刚性转子处理。质量为M（单位kg）的均匀圆盘绕其中心轴匀速转动，当在距中心距离R（单位cm）处附加质量m（单位g）时，将引起不平衡量并对中心轴产生交变力，计算不平衡量U（单位g·cm）

进而导致整体质心位置的改变，计算偏心量e（单位mm）

因m相对M小很多，0.1m＜＜100M，因此可简化为

曲轴设计状态下是整体平衡的，但因锻造过程中的弯曲、错模、修边变形及缺肉等影响，导致整体不平衡，因此需要在机加工环节加以修正。乘用车曲轴的动平衡修正普遍采用去重法，包括测量和修正作业，其原理如图2所示。

图2 动平衡修正原理图

曲轴旋转时对两个测量支承产生周期性的作用力，通过拾振器获取信号，再由工控机进行信号分离及运算，求出两个测量面上的不平衡量大小、相位并给出最优修正方案，接着修正工位按照该方案执行修正，最后再次测量确认效果，期间设备将记录保存上述数据，同时显示在人机界面，必要时设备将进行二次修正。

动平衡测量一般利用两端主轴颈进行支承，通过定义坐标系准确地显示不平衡量的大小和相位。

动平衡修正只能在规定的平衡块上实施，以市场上某款日系乘用车四平衡块曲轴为例，只能在1#、4#、5#和8#平衡块上钻孔，即修正面只能设置1#、4#、5#和8#平衡块所在的四个面。当不平衡量处在-45°～45°或270°～360°时，以1#和8#平衡块上修正为主，当不平衡量落在90°～270°时，以4#和5#平衡块上修正为主。

此外，受平衡块形状和尺寸影响，修正只能在一定的角度、深度及钻孔直径范围内进行，考虑到二次修正孔，则需要在有限角度内设置两组钻孔参数。

定义修正方案后，就能确定出每个平衡块的修正能力，用修正方法图（又名“修正能力图”）表示，由此可知一次修正能力范围（粗实线）及两次修正总的能力范围（粗虚线）。当不平衡量落在粗实线封闭区内时仅需一次修正即可，当处在粗实线与粗虚线轮廓之间时需执行二次修正，而超出粗虚线封闭区域时设备将无法自动修正至合格状态。

通过动平衡修正，发动机稳定工况运转时，曲轴传给支承的作用力大小和方向不随时间变化而变化的状态，就达到了理想动平衡状态。但理想状态非常难以满足，因此产品图规定了容许最大剩余不平衡量，只需将动平衡修正至此量值以内即可。

优化方法

1.修正方法图绘制

设备交付时制造商提供的修正方法图是最终结果呈现，无法准确地知道修正能力曲线中各点数值，当工艺参数如钻头直径或角度调整时往往需要联络厂家更新绘制，因此其用于指导实际生产进行故障调查时有其不足之处。为此，基于Excel表格编程完成了修正方法图的绘制。

旋转时，曲轴某横截面i上存在不平衡量Ui，其所产生的离心力作用于两端检测支承并被拾取，支承上感知到的不平衡量Uia、Uib满足力平行分解原理，如图3所示。

图3 力平行分解原理

在已知平衡块半径、钻头直径、钻头顶尖角或顶尖高度、最大钻孔深度及材料密度的情况下，可以求得最大钻孔深度时的去重质量m及其质心位置R，进而求得每个孔的去除动平衡量U。根据上述公式，进一步得到其分解至a、b测量面上的分量Ua、Ub。最终，可得到4个修正面上各孔的去除量分解至a、b测量面的分量Uia、Uib。

因各孔角度不同，所以所得分量Uia、Uib实际为与角度相关的向量，表示以（其中i表示修正面坐标，j表示钻孔角度）。通过矢量叠加，即可求得等价至a、b测量面的修正能力范围，原理如图4所示。

图4 矢量叠加原理

根据已知的修正方案，编程绘制曲线。在灰底区域输入修正参数，自动绘出一次修正、二次修正及两次修正累加的能力曲线，能力曲线封闭区域以内的部分即可修正。

2.初始不平衡量抽离

当动平衡发生修正NG弹出等异常情况时，往往需要调查来料动平衡状态。此外，为对应毛坯批次变换时动平衡状态波动的问题，更换毛坯批次时有必要进行小批量动平衡验证，此时也需要事先掌握动平衡工序来料的状态。

该方法以日本NAGAHAMA动平衡设备为例说明，旨在从动平衡机的众多测量数据中检索出目标时段内的初始不平衡量数据，用于调查来料状态，并为后续的调整前序加工顶尖孔坐标补偿量做准备。

操作步骤如下：

1）按照设备资料说明导出测量CSV文件，并在Excel中打开。

2）按序列号升序重排整个表格。可看到不同序列号出现的次数不同，只出现一次说明无需修正，出现两次及以上时说明经过了钻孔修正。

3）插入列并编程“=if(本行序列号＞上一行序列号，1，0)”赋值。将所有序列号首次出现时标记为“1”，再只筛选显示“1”的数据即可初始不平衡量数据。选取所需时段内的“U1、P1、U2、P2”列数据即可，分别为测量面a测得的不平行量U1、角度P1，以及测量面b的不平衡量U2、角度P2。

3.图形化显示来料初始不平衡量

结合修正方法图，将获取的最终动平衡来料初始不平衡量数据进行图形化显示，以便清楚地知道以下信息。

1）来料能否被修正以及是否需要两次修正。

2）来料初始不平衡量的集中程度。

3）来料初始不平衡量总体所处的位置（为补偿中心孔加工坐标做准备）。

编程绘图，将上述初始不平衡量数据输入到对应区域，自动绘出散点图，如图5所示。由图中可知，样本分布在一次修正区域以内，表明经过一次修正就能达到要求。

图5 动平衡修正能力

当顶尖孔加工设备有多台时，该方法也可用于调查两台设备的差异，当图形出现分团聚集时，则可以判断设备大概率存在差异，以此指导保全人员进行故障调查。

当样本初始不平衡量不理想，超出一次修正范围甚至二次修正范围时，则需要调整前序顶尖孔坐标。

编制公式，自动求出针对此样本的中心孔坐标补偿量，同时显示按此调整后的初始不平衡量分布预期状态，确认预期效果OK后便可对几何中心孔加工工序实施补偿。该方法已综合考虑曲轴前后端的情况，因此实施补偿时只需对曲轴前后端中心实施相同量的补偿即可，确保补偿不改变前后中心孔的同轴状态。为便于现场操作员使用，引入宏参数编入NC程序中，将该值输入到指定宏变量即可快速完成补偿作业。优化效果如图6所示。