曲軸機(jī)加工動(dòng)平衡問題系統(tǒng)研究及解決

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

曲軸機(jī)加工動(dòng)平衡問題系統(tǒng)研究及解決

馮 波，章敏暉

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

對生產(chǎn)過程中影響曲軸不平衡量的加工設(shè)備、刀具、毛坯和工藝控制等因素的進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，制訂和實(shí)施了對應(yīng)的改進(jìn)措施，切實(shí)提高了零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

曲軸 機(jī)加工 動(dòng)平衡

1 前言

曲軸不平衡量是曲軸機(jī)加工工藝過程中的關(guān)鍵要素之一，它直接影響到整發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和可靠性等重要性能。在曲軸機(jī)加工工藝過程中先鉆質(zhì)量中心孔或幾何中心孔，再以2端中心孔為主要定位基準(zhǔn)完成曲軸軸頸的粗加工和精磨,在磨削工序完成后，最后用曲軸平衡塊上鉆孔去重的方法，保證成品曲軸的最終不平衡量要求，這是曲軸加工的典型工藝。本文針對EA113汽油機(jī)曲軸（見圖1）機(jī)加工過程中遇到的工件動(dòng)平衡問題，對影響曲軸機(jī)加工動(dòng)平衡的設(shè)備、毛坯、刀具、工藝因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并提出了針對性的具體解決方法。實(shí)施改進(jìn)措施后，系統(tǒng)地解決了EA113曲軸毛坯國產(chǎn)化后所遇到的機(jī)加工動(dòng)平衡問題，對生產(chǎn)線保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率起到重大作用。

2 2種中心孔加工工藝對工件動(dòng)平衡的影響

在曲軸加工過程中，曲軸2端的中心孔位置決定了后道工序的加工不平衡量。

圖1 EA113汽油機(jī)曲軸

在采用幾何中心孔加工工藝中，2端中心孔的位置由曲軸毛坯軸頸的幾何尺寸和幾何偏差決定。曲軸毛坯的不平衡量偏差程度將會(huì)在終平衡工序反映出來，通過終平衡工序統(tǒng)計(jì)出來的不平衡量及偏差角度，反饋、調(diào)整前道工序鉆幾何中心孔的加工位置。

在采用質(zhì)量中心孔的加工工藝中，2端中心孔的位置影響因素較多：

（1）曲軸毛坯的幾何中心和質(zhì)量中心的偏差影響因素。如果毛坯的回轉(zhuǎn)幾何中心和回轉(zhuǎn)質(zhì)量中心偏差小，經(jīng)過質(zhì)量中心孔加工后中心孔的位置比較正，后道工序的切削余量比較均勻；反之中心孔的位置比較偏，后道工序的切削余量不均勻，容易造成刀具異常損耗。

（2）質(zhì)量中心孔專機(jī)的平衡框架不平衡量的偏差影響因素。每次在執(zhí)行專機(jī)標(biāo)定程序前應(yīng)該先校準(zhǔn)平衡框架的不平衡量，否則框架的不平衡量將傳遞到加工工件上，造成工件的終平衡工序不平衡量增大。

（3）質(zhì)量中心孔專機(jī)的標(biāo)定情況。質(zhì)量中心孔專機(jī)在正式生產(chǎn)前必須對自身的靈敏度、背景振動(dòng)量、不平衡量精度和重復(fù)性進(jìn)行評價(jià)。設(shè)備預(yù)先編好標(biāo)定程序，每次設(shè)備調(diào)整和維修后必須執(zhí)行標(biāo)定程序，只有標(biāo)定評價(jià)合格后才能進(jìn)行正常加工，否則無法保證工件質(zhì)量中心孔的正確性，會(huì)造成終平衡工序由于工件不平衡量過大而無法加工。

（4）中心鉆刀柄的不平衡量的影響因素。質(zhì)量中心孔專機(jī)的2端加工用中心鉆刀柄一般都布置在平衡框架內(nèi)，會(huì)跟工件一起旋轉(zhuǎn)作不平衡量測量和質(zhì)量中心位置調(diào)整。因此，鉆頭刀柄的不平衡量偏差也會(huì)影響工件的質(zhì)量中心孔位置偏差，更換新的刀柄時(shí)必須對新刀柄作不平衡量評價(jià)。

比較幾何中心孔和質(zhì)量中心孔2種不同的曲軸中心孔的加工工藝，為保證曲軸在后道工序中的加工不平衡量，幾何中心孔對毛坯的回轉(zhuǎn)質(zhì)量中心與幾何中心的重復(fù)度要求較高，并且要求不同批此的毛坯質(zhì)量中心一致性要好，幾何中心孔的優(yōu)勢是加工節(jié)拍較快。質(zhì)量中心孔工藝能彌補(bǔ)毛坯質(zhì)量中心與幾何中心不重合的偏差，但加工節(jié)拍較長且會(huì)造成粗加工工序中的不均勻切削。

3 曲軸機(jī)加工動(dòng)平衡問題的解決方法

EA113曲軸在毛坯加工和刀具國產(chǎn)化過程中都碰到了不同程度的曲軸機(jī)加工中的動(dòng)平衡問題，其現(xiàn)象為終平衡工序的工件2次平衡率高，終平衡工序加工節(jié)拍長，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐纱罅康墓ぜo法自動(dòng)終平衡。通過對影響工件不平衡量的各種因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，量化評價(jià)并采取相應(yīng)的解決措施，在全面國產(chǎn)化條件下使得EA113曲軸的終平衡加工達(dá)到歷史最好水平。

以下是從設(shè)備校準(zhǔn)標(biāo)定、鉆頭刀柄不平衡量自主優(yōu)化、毛坯改善和工藝反饋控制幾個(gè)方面同時(shí)著手，系統(tǒng)解決EA113曲軸機(jī)加工動(dòng)平衡問題的方法。

3.1 質(zhì)量中心孔專機(jī)動(dòng)平衡框架的校準(zhǔn)和標(biāo)定

EA113曲軸加工質(zhì)量中心孔使用Schenck公司制造的質(zhì)量中心孔加工專機(jī)，見圖2。

圖2 EA113曲軸質(zhì)量中心孔加工專機(jī)

3.1.1 框架平衡校準(zhǔn)方法

曲軸質(zhì)量中心孔專機(jī)在正常加工前，需要對專機(jī)的動(dòng)平衡框架進(jìn)行框架校零，以保證旋轉(zhuǎn)框架本身處于平衡狀態(tài)。只有框架本身的不平衡量在機(jī)床的允許范圍內(nèi)，才能保證質(zhì)量中心孔的加工過程穩(wěn)定，產(chǎn)品合格。具體操作步驟為：將機(jī)床通道設(shè)定到專門通道，排空機(jī)內(nèi)工件，手動(dòng)夾緊卡爪，啟動(dòng)框架旋轉(zhuǎn)，測量不平衡量，在機(jī)床操作面板上可以得到當(dāng)前框架不平衡量數(shù)值；根據(jù)不平衡量數(shù)值可以調(diào)整V1、H1、V2、H2的砝碼配重。再次啟動(dòng)框架旋轉(zhuǎn)，直至調(diào)整到不平衡數(shù)值≤0.1。（注：框架每0.1矢量單位的偏差，相當(dāng)于終平衡測量偏差50 g·cm）

3.1.2 動(dòng)平衡標(biāo)定方法

（1）動(dòng)平衡測量準(zhǔn)確性標(biāo)定：標(biāo)定1

做動(dòng)平衡準(zhǔn)確性標(biāo)定時(shí)，是把定值的偏心墊片放入測量樣棒與支撐腳之間，平衡旋轉(zhuǎn)后測得不平衡量。機(jī)床根據(jù)事先編好的程序?qū)y量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)備通過對比實(shí)際偏心測量值和設(shè)定值，自動(dòng)評價(jià)動(dòng)平衡測量的準(zhǔn)確性。標(biāo)定合格與否，設(shè)備會(huì)自動(dòng)提示，只有標(biāo)定合格才允許做下一步，否則應(yīng)該立即進(jìn)行設(shè)備調(diào)整，重復(fù)上述步驟，直至設(shè)備評價(jià)標(biāo)定1合格。

（2）動(dòng)平衡測量重復(fù)性標(biāo)定：標(biāo)定2

質(zhì)量中心孔在動(dòng)平衡測量準(zhǔn)確定評價(jià)合格后，還需要進(jìn)行重復(fù)性評價(jià)。這是是為了保證機(jī)床正常加工的穩(wěn)定性而進(jìn)行的標(biāo)定。與標(biāo)定1類似，動(dòng)平衡測量重復(fù)性標(biāo)定也有專門自動(dòng)評價(jià)程序，只有評價(jià)合格才能正常生產(chǎn)。

3.1.3 質(zhì)量中心孔專機(jī)標(biāo)定注意事項(xiàng)

每次設(shè)備進(jìn)行框架等動(dòng)平衡部件有關(guān)的維修或調(diào)整后必須重新進(jìn)行動(dòng)平衡框架的校準(zhǔn)和標(biāo)定，每次校準(zhǔn)和標(biāo)定時(shí)必須嚴(yán)格按照操作步驟“框架平衡校準(zhǔn)－標(biāo)定1－標(biāo)定2”完成，不允許漏做或不按順序做。

正常生產(chǎn)時(shí)，建議每周做一完整的校準(zhǔn)和標(biāo)定操作，每天做1次標(biāo)定2以保證設(shè)備的良好加工狀態(tài)。

質(zhì)量中心孔專機(jī)的動(dòng)平衡測量校準(zhǔn)和標(biāo)定，主要是評價(jià)設(shè)備對不平衡量測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，校準(zhǔn)和標(biāo)定前對平衡測量框架的清潔非常重要。正常生產(chǎn)時(shí)，也必須定期清潔框架，保證框架上面不殘留切屑。

3.2 中心孔鉆頭刀柄的不平衡量測量和校準(zhǔn)

在曲軸質(zhì)量中心孔專機(jī)的加工過程中，我們分析發(fā)現(xiàn)由于中心鉆刀柄跟隨動(dòng)平衡框架和工件一起被測量，如果鉆頭刀柄本身有不平衡量，就會(huì)影響工件的質(zhì)量中心孔位置偏差，這在鉆頭刀柄國產(chǎn)化后表現(xiàn)尤為明顯，參見表1。

表1 鉆頭刀柄去重前工件終平衡工序不平衡量

造成鉆頭刀柄不平衡的因素包括旋轉(zhuǎn)外套（包括端蓋）和刀柄芯軸，其中旋轉(zhuǎn)外套的不平衡量是主要因素。因此對刀柄采用手動(dòng)去重的方法，就是在動(dòng)平衡專機(jī)上測量出刀柄的不平衡量和不平衡角度后，直接在刀柄旋轉(zhuǎn)外套上鉆孔去重，參見圖3。

圖3 去重后的鉆頭刀柄

對使用的中心孔鉆頭刀柄進(jìn)行不平衡量的測量，根據(jù)測量結(jié)果去重再測量，直至其對工件的不平衡量偏差影響最小，見表2和表3。通過反復(fù)試驗(yàn)和驗(yàn)證，編制出最優(yōu)化可行的質(zhì)量中心孔專機(jī)鉆頭刀柄手動(dòng)去重和測量操作步驟。

3.3 曲軸毛坯幾何中心和質(zhì)量中心的不重合偏差改進(jìn)

為了保證后續(xù)加工質(zhì)量以及確保曲軸終平衡的加工效率，理想的狀況是曲軸毛坯的幾何中心孔和質(zhì)量中心孔保持基本一致。然而，國內(nèi)大多數(shù)曲軸毛坯供應(yīng)廠商都面臨曲軸質(zhì)量中心孔偏移幾何中心孔這一難題。這就需要對毛坯的動(dòng)平衡特性不斷優(yōu)化改進(jìn)，以滿足曲軸機(jī)加工質(zhì)量與效率提升的要求。

以下是EA113曲軸的國產(chǎn)2VQS毛坯的動(dòng)平衡改進(jìn)方法。

該2VQS毛坯在改進(jìn)前動(dòng)平衡特性比較差，質(zhì)量中心偏離幾何中心較大，終平衡加工的1次平衡率低，且鉆出的平衡孔較深，導(dǎo)致加工時(shí)間延長，刀具耐用度降低。

表2 鉆頭刀柄去重前后的不平衡量

表3 鉆頭刀柄去重后加工的工件終平衡工序不平衡量

由于2VQS毛坯改進(jìn)前的終平衡工序不平衡量已經(jīng)超出該工序的正常去重能力（見表4），為了維持生產(chǎn)，前道質(zhì)量中心孔加工工序必須進(jìn)行很大的動(dòng)平衡調(diào)整值補(bǔ)償（見表5），這雖然能夠減小終平衡工序的去重量，但會(huì)造成粗加工工序嚴(yán)重不均勻切削，導(dǎo)致刀具的異常消耗。

圖4 2VQS毛坯優(yōu)化方案

表4 2VQS毛坯改進(jìn)前終平衡工序不平衡量

表5 采用新舊模具鍛造的2VQS毛坯質(zhì)量中心孔動(dòng)平衡調(diào)整值對比

根據(jù)2VQS毛坯的動(dòng)平衡現(xiàn)狀，主要不平衡量位于法蘭端的195°方向，不平衡量為400 g·cm左右，以及輸出端的300°方向，不平衡量為240 g· cm左右。通過CAD仿真計(jì)算對毛坯模具進(jìn)行仿真改進(jìn)，然后對2VQS毛坯的模具進(jìn)行了改進(jìn)和試加工檢驗(yàn)。經(jīng)過反復(fù)多次改進(jìn)，具體改進(jìn)方案為：（1）對7#、8#2個(gè)平衡塊外徑增加2 mm（R70→R72），增重約55～60 g，實(shí)際測量數(shù)據(jù)為R71.3；（2）對 2#平衡塊上半寬度減少2 mm（58.5→56.5），下半寬度增加2 mm（58.5→60.5），但總體寬度不變；（3）對3#平衡塊上半寬度減少2 mm（58.5→56.5），下半寬度增加2 mm（58.5→60.5），但總體寬度不變。最終優(yōu)化方案如圖4所示。

從表5可見，毛坯模具經(jīng)過改進(jìn)后，質(zhì)量中心和幾何中心偏移縮小到原來的15%左右。

表6為2VQS曲軸毛坯改進(jìn)后，于終平衡測量機(jī)反饋的不平衡量。其不平衡量已經(jīng)從改進(jìn)前的大于500 g·cm，降低到100 g·cm以內(nèi)。

表6 2VQS毛坯改進(jìn)后終平衡工序工件不平衡量

通過該案例，為國產(chǎn)毛坯動(dòng)平衡性能的改進(jìn)提供了一種可行的改進(jìn)參考思路。即通過對毛坯模具現(xiàn)有不平衡量的CAD分析，結(jié)合機(jī)加工實(shí)際，制定可行的整改方案，然后通過加工試驗(yàn)不斷修正，最終實(shí)現(xiàn)幾何中心與質(zhì)量中心偏差的縮小的改善目標(biāo)。

3.4 曲軸終平衡專機(jī)的加工精度評價(jià)和保證

EA113曲軸加工終平衡工序采用Schenck公司的曲軸終平衡專機(jī)，如圖5所示。它有2個(gè)工位，分別完成曲軸終平衡的測量和平衡塊的鉆孔去重。測量工位的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)反饋給去重工位，形成包括了角度和深度的鉆孔去重的矢量數(shù)據(jù)。曲軸的最終不平衡量要求≤25 g·cm。

曲軸終平衡機(jī)的加工精度和可靠性直接影響工件的1次平衡率。為了保證曲軸終平衡專機(jī)的加工精度和可靠性，需要對動(dòng)平衡測量工位和鉆機(jī)工位進(jìn)行定期評價(jià)，正常生產(chǎn)情況下檢查周期為1周1次，設(shè)備進(jìn)行維修或調(diào)整后必須評定合格后才能繼續(xù)使用。

圖5 Schenck公司的曲軸終平衡專機(jī)

（1）動(dòng)平衡測量工位的評價(jià)

曲軸終平衡機(jī)測量工位，配有對應(yīng)的軸型動(dòng)平衡測量用標(biāo)準(zhǔn)樣件。標(biāo)準(zhǔn)樣件包括1根經(jīng)過更高級(jí)別量儀測量的、不平衡量小于0.5 g·cm的標(biāo)準(zhǔn)曲軸，以及1套預(yù)先測量好重量的平衡砝碼。該標(biāo)準(zhǔn)曲軸在軸頭和法蘭端平衡塊0°方向上預(yù)鉆好裝平衡砝碼的螺紋沉孔。每種軸型有對應(yīng)的測量通道。每次起用新的標(biāo)準(zhǔn)樣件或新的平衡砝碼重量時(shí)需要標(biāo)定，如標(biāo)定出現(xiàn)變化時(shí)需要在對應(yīng)的測量通道重新進(jìn)行定標(biāo)。

評價(jià)動(dòng)平衡測量工位的準(zhǔn)確性，就是用標(biāo)準(zhǔn)樣件放入動(dòng)平衡測量工位進(jìn)行測量。測量分無砝碼和加砝碼2種狀態(tài)，無砝碼的狀態(tài)要求不平衡量誤差在±3 g·cm內(nèi)，不平衡角度沒有誤差要求；加砝碼的狀態(tài)要求不平衡量誤差在砝碼不平衡量±5 g·cm之內(nèi)，不平衡角度誤差要求在±5°以內(nèi)。

（2）鉆機(jī)工位加工準(zhǔn)確性評價(jià)

鉆機(jī)工位的加工準(zhǔn)確性體現(xiàn)在測量工位的去重矢量數(shù)據(jù)與實(shí)際去重鉆孔深度的誤差上，經(jīng)過生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，兩者的誤差控制在1 mm內(nèi)被認(rèn)為是可以接受的。否則，應(yīng)該對鉆機(jī)工位進(jìn)行標(biāo)定，然后重新評價(jià)。

表7 動(dòng)平衡測量工位和去重鉆孔誤差對比表

（3）終平衡機(jī)的精度保證

當(dāng)工件的首次不平衡量測量在100 g·cm以下，角度在0°±45°或180°±45°范圍內(nèi)，而工件沒有通過1次去重合格時(shí)，應(yīng)該考慮對測量工位和鉆機(jī)工位進(jìn)行準(zhǔn)確性評價(jià)。如果評價(jià)不合格，優(yōu)先考慮的是對測量工位和鉆機(jī)工位進(jìn)行標(biāo)定。

根據(jù)理論計(jì)算與實(shí)際驗(yàn)證，直徑為5 mm的去重鉆孔深度每偏差1 mm，影響曲軸不平衡量約2 g·cm。

3.5 質(zhì)量中心孔加工的不平衡量反饋和工藝控制方法

曲軸毛坯鑄造或鍛造過程中，由于模具磨損或工藝控制上的偏差，毛坯質(zhì)量中心與幾何中心存在難以避免的偏差，為進(jìn)一步減小曲軸機(jī)加工過程中終平衡工序的去重量，利用曲軸質(zhì)量中心孔加工能夠補(bǔ)償中心偏移量的特點(diǎn)，本文在多年加工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出一套行之有效的不平衡量反饋和工藝控制方法。

具體方法為，更換毛坯批次和每班批量加工前先取2根工件鉆好質(zhì)量中心孔后加工至粗加工序結(jié)束，然后至終平衡機(jī)進(jìn)行不平衡量測量反饋，得到的數(shù)據(jù)如小于100 g·cm，不平衡量的角度處于0° ±45°和180°±45°的區(qū)間內(nèi)（見圖6）。理論上工件在AF190終平衡機(jī)通過1次平衡就能達(dá)到合格的平衡量25 g·cm以下，如平衡數(shù)據(jù)如大于100 g· cm或不平衡量的角度處于0°±45°和180°±45°的區(qū)間以外的區(qū)域，則工件在AF190終平衡機(jī)至少要平衡2次才能達(dá)到合格的平衡量25 g·cm以下，這種情況下需要補(bǔ)償質(zhì)量中心孔專機(jī)的中心偏移量。

如果存在超差的不平衡量反饋值，工件不平衡量反饋值見圖7，其質(zhì)量中心孔的中心偏移量調(diào)整方法如下：

Z(軸頭：P1)：

角度=10°，不平衡量=200 g·cm

F(法蘭P2)：

角度=185°，不平衡量=150 g·cm

調(diào)整偏移量為：

P1平面偏移量：

V1=-0.40 mm，H1=-0.50 mm

P2平面偏移量：

V2=+0.30 mm，H2=+0.40 mm

圖6 曲軸毛坯不平衡量分布

圖7 曲軸毛坯不平衡量反饋

不平衡重心點(diǎn)落在不同坐標(biāo)象限區(qū)域，則可按照調(diào)整示意圖位置調(diào)整V平面或H平面。調(diào)整方向亦可按照落點(diǎn)位置的不同而調(diào)整正、負(fù)方向。每次補(bǔ)償質(zhì)量中心偏移量后，必須重新進(jìn)行不平衡量反饋測量確認(rèn)。

4 結(jié)論

影響曲軸最終平衡量的因素較多，提高曲軸終平衡1次平衡率，最大限度地減少終平衡去重時(shí)的鉆孔深度是一個(gè)包括設(shè)備、毛坯、刀具和工藝控制在內(nèi)的系統(tǒng)問題。科學(xué)合理地判斷和分析各種影響曲軸不平衡量的不利因素，采取對應(yīng)措施，能夠顯著提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

通過對EA113汽油機(jī)曲軸機(jī)加工動(dòng)平衡問題的系統(tǒng)研究及解決，EA113汽油機(jī)曲軸終平衡加工1次平衡率從65%提高至現(xiàn)在的90%，終平衡工序加工節(jié)拍從原來平均83 s提高至現(xiàn)在的75 s。

Systematic Studying and Resolving of the Problem of Crankshaft Dynamic Balance in Machining Process

Feng Bo,Zhang Minhui
（Shanghai Volkswagen Co.,Ltd.,Shanghai 201805,China）

Through systematic study the facts influencing the amount of unbalance of crankshaft in machining process such as machine,tools,crankshaft blank and manufacturing process,corresponding improvement measures were designed and implemented to deal with the problem.The result shows that measures have exactly improved machining quality and efficiency.

crankshaft,machining,dynamic balance

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.009

來稿日期：2012-01-19

馮波（1975-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸及凸輪軸加工工藝和質(zhì)量控制。