質(zhì)量中心孔和幾何中心孔在曲軸加工中的優(yōu)化

田廣奎

（南京汽車集團(tuán)有限公司，南京210061）

質(zhì)量中心孔和幾何中心孔在曲軸加工中的優(yōu)化

田廣奎

（南京汽車集團(tuán)有限公司，南京210061）

曲軸動(dòng)平衡質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)、噪聲等機(jī)械性能和使用壽命，在大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，合理選用曲軸中心孔形式對(duì)減少初始不平衡量、去重量、加工節(jié)拍、料廢率和剩余不平衡量至關(guān)重要，文章介紹了中心孔選用的基本原則。結(jié)合1.8L和1.5L曲軸不同類型中心孔的實(shí)際優(yōu)化過程，介紹了中心孔優(yōu)化的一般流程、方法及優(yōu)化過程中必須考慮鉆中心孔與動(dòng)平衡的相位問題，在投產(chǎn)初期采用分模號(hào)優(yōu)化中心孔是快速提高動(dòng)平衡合格率的有效方法。

曲軸質(zhì)量中心孔幾何中心孔優(yōu)化

1 引言

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中作高速定軸旋轉(zhuǎn)的重要零件，它與連桿和活塞組成曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將氣缸內(nèi)部燃燒的熱能推動(dòng)活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)曲軸回轉(zhuǎn)軸線與質(zhì)量軸線不重合，即存在偏重時(shí)，在高速回轉(zhuǎn)過程中將產(chǎn)生較大的離心慣性力和慣性力矩。理想的情況是曲軸的慣性力都能在曲軸內(nèi)部相互平衡，不傳遞到支撐上。但曲軸的質(zhì)量分布是不均勻的，所以旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)周期性變化的慣性力，如果慣性力過大，就會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生額外的振動(dòng)和噪音，甚至造成發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的扭曲變形。而曲軸的動(dòng)平衡就是為了調(diào)整處于不平衡狀態(tài)曲軸的質(zhì)量分布，使之成為平衡狀態(tài)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能而采取的重要措施。

曲軸動(dòng)平衡的實(shí)質(zhì)是在動(dòng)平衡機(jī)上測量不平衡量的大小和方向，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)允許的平衡塊上，用去重的方法改變曲軸的質(zhì)量分布，使其質(zhì)量軸線盡量與回轉(zhuǎn)軸線趨于一致，達(dá)到平衡的目的[1,2]，見圖1。

圖1 曲軸動(dòng)平衡工作原理圖

曲軸在完成主要的表面機(jī)加工之后、作最終動(dòng)平衡之前的不平衡量，稱之為初始不平衡量。曲軸初始不平衡量的大小對(duì)曲軸最終平衡質(zhì)量的優(yōu)劣、去重量大小、加工節(jié)拍、料廢率均產(chǎn)生直接影響。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)、不同毛坯制造方法的曲軸采用幾何中心孔或質(zhì)量中心孔作為加工基準(zhǔn)，其初始不平衡量將會(huì)產(chǎn)生很大差別。

2 幾何中心孔和質(zhì)量中心孔

幾何中心孔就是以曲軸兩端主軸頸外圓定位鉆出的中心孔，中心孔形成的軸線是幾何中心線。如果在質(zhì)量定心機(jī)上先找出曲軸的質(zhì)量軸線，按其所處的位置鉆出的中心孔則為質(zhì)量中心孔，質(zhì)量中心孔形成的軸線是質(zhì)量中心線。如果一個(gè)物體幾何形狀旋轉(zhuǎn)對(duì)稱、質(zhì)量密度完全均勻，則其幾何中心線和質(zhì)量中心線是重合的。而實(shí)際生產(chǎn)中加工的曲軸既不可能質(zhì)量密度完全均勻，又不可能做到完全幾何對(duì)稱，其幾何中心線與質(zhì)量中心線往往不重合[1]，如圖2所示。

圖2 質(zhì)量中心線與幾何中心線

以質(zhì)量中心孔為基準(zhǔn)加工的曲軸，隨著加工程度的深入，曲軸的不平衡量呈上升的趨勢，上升程度的大小與毛坯的質(zhì)量有關(guān)系，毛坯的彎曲越大，錯(cuò)模越大，上升趨勢越大，甚至加工主軸頸或連桿頸時(shí)出現(xiàn)“黑皮”現(xiàn)象，導(dǎo)致工件報(bào)廢。

以幾何中心孔為基準(zhǔn)加工的曲軸，隨著加工程度的深入，曲軸的不平衡量呈下降趨勢，如毛坯質(zhì)量差（主要是彎曲），會(huì)導(dǎo)致隨著加工進(jìn)程曲軸不平衡量下降很小，致使初始不平衡量過大而報(bào)廢工件。

如何選用質(zhì)量中心孔和幾何中心孔？通常從以下幾個(gè)方面考慮[3,4]：（1）多品種混線生產(chǎn)，一般采用幾何中心孔；（2）節(jié)拍快、產(chǎn)能大，一般采用幾何中心孔且設(shè)備投資較低；（3）曲軸加工的表面積較大，一般加工面≥45%時(shí)采用幾何中心孔；（4）曲軸加工的表面積較小，一般加工面≤45%時(shí)采用質(zhì)量中心孔；（5）產(chǎn)能要求適中，單件成本較高，工件重量大一般采用質(zhì)量中心孔，但設(shè)備投資大。

下面結(jié)合本公司1.8L和1.5L兩種發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，分析質(zhì)量中心孔和幾何中心孔在曲軸加工中的具體運(yùn)用及質(zhì)量優(yōu)化方法。

3 質(zhì)量中心孔在1.8L曲軸加工中的運(yùn)用

1.8 L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸生產(chǎn)線年產(chǎn)量為20萬件，殼型鑄造毛坯，采用質(zhì)量定心法，使用Schenck公司質(zhì)量定心機(jī)。質(zhì)量定心機(jī)結(jié)構(gòu)原理參見圖3[5]，曲軸毛坯由輸送裝置輸送到質(zhì)量定心機(jī)內(nèi)曲軸被托起放到平面圓盤上的支撐上并被夾緊。經(jīng)過精確調(diào)整自身平衡的兩個(gè)單元法蘭盤通過傳動(dòng)軸連接同步旋轉(zhuǎn)，其中一個(gè)單元法蘭盤通過皮帶與電機(jī)連接，由電機(jī)帶動(dòng)法蘭盤高速旋轉(zhuǎn)，法蘭盤的回轉(zhuǎn)中心就是測量軸線。通過兩個(gè)伺服電機(jī)，調(diào)節(jié)浮動(dòng)支撐，使曲軸在V、H方向橫向移動(dòng)。機(jī)床自動(dòng)檢測不平衡量，當(dāng)質(zhì)量中心線位置接近回轉(zhuǎn)中心線時(shí)，曲軸毛坯在此位置的不平衡量趨近于零，或是非常接近于一個(gè)設(shè)定值。鉆削單元沿回轉(zhuǎn)軸線鉆中心孔。

圖3 質(zhì)量定心機(jī)工作原理

3.1 CDM系統(tǒng)工作原理

并非質(zhì)量中心孔越準(zhǔn)確就越好，要兼顧粗加工去余量的不均勻性帶來的不平衡量的上升，因此實(shí)際應(yīng)用中的質(zhì)量中心孔往往位于理論質(zhì)量中心孔與幾何中心孔之間，需要不斷優(yōu)化以獲得最優(yōu)的中心孔位置、最小的初始不平衡量。質(zhì)量中心孔的位置優(yōu)化通過質(zhì)量定心機(jī)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)，其調(diào)整依據(jù)是最終平衡機(jī)的CDM（Centering Data Manager）中心孔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)同批次曲軸的最終動(dòng)平衡之前的初始不平衡量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，CDM工作原理框圖見圖4。

圖4 CDM系統(tǒng)工作原理框圖

目前國內(nèi)很多廠家沒有很好地運(yùn)用CDM，在設(shè)備投產(chǎn)后不再繼續(xù)優(yōu)化。使最終動(dòng)平衡合格率很難提高。甚至錯(cuò)誤認(rèn)為使用質(zhì)量定心機(jī)，CDM中心孔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是多余的。

CDM是曲軸動(dòng)平衡設(shè)備CAB950測量系統(tǒng)自帶的軟件，通過在最終平衡機(jī)上測量得到一批工件初始不平衡量，統(tǒng)計(jì)分析其分布狀態(tài)，分別計(jì)算曲軸法蘭端和軸頭端平均中心孔偏移數(shù)據(jù)H1，V1（法蘭端），H2，V2（軸頭端），優(yōu)化鉆中心孔位置，從而優(yōu)化曲軸的不平衡量。

3.2 質(zhì)量中心孔優(yōu)化實(shí)例

現(xiàn)以1.8L曲軸生產(chǎn)中的實(shí)際優(yōu)化過程為例闡述優(yōu)化過程。1.8L曲軸毛坯總質(zhì)量12 kg，成品剩余不平衡量要求≤10 g·cm。根據(jù)中心孔優(yōu)化實(shí)踐設(shè)計(jì)了優(yōu)化流程，其原理框圖見圖5。

圖5 中心孔優(yōu)化流程原理框圖

首先用精確調(diào)整自身不平衡量[6]的質(zhì)量定心機(jī)加工20根曲軸，用線邊配有頂尖的平衡機(jī)檢查，以中心孔定位回轉(zhuǎn)曲軸檢測平均不平衡量為24 g· cm，通過以下公式計(jì)算偏心距e=0.02 mm[1]。

式中，

e——偏心率，mm

U——不平衡量，g·cm

W——工件質(zhì)量，kg

在銑主軸頸、連桿頸時(shí)有4件出現(xiàn)黑皮現(xiàn)象。測量發(fā)現(xiàn)質(zhì)量中心與幾何中心相差0.7～0.9 mm，而主軸頸最小單邊加工余量為1.5 mm，顯然要對(duì)質(zhì)量中心孔進(jìn)行調(diào)整使其向幾何中心孔靠近。調(diào)整步驟如下，根據(jù)20根曲軸的平均不平衡量和平均相位角，分別對(duì)平衡框架單元左右法蘭盤上的兩個(gè)平衡塊在H、V方向進(jìn)行調(diào)整，以來調(diào)整中心孔的位置，如圖6所示。重新加工20件曲軸，用帶有頂尖的平衡機(jī)檢測不平衡量為36 g·cm，偏心率為0.03（公式1），測量質(zhì)量中心孔與幾何中心位置相差0.5～0.6 mm，在OP45工序銑主軸頸加工沒有出現(xiàn)“黑皮”現(xiàn)象，可以繼續(xù)加工。

圖6 平衡框架調(diào)整原理圖

隨加工進(jìn)程初始不平衡量逐步上升，表1統(tǒng)計(jì)了其中10件在OP160工序最終平衡機(jī)平衡時(shí)初始不平衡量。

雖然動(dòng)平衡后20根曲軸全部合格且剩余不平衡量≤10 g·cm。但通過對(duì)表1數(shù)據(jù)分析可以看出，法蘭端初始平均不平衡量為114 g·cm，角度為100～210°之間，軸頭端初始平均不平衡量為86 g· cm，角度為100～190°之間，依然較大。初始不平衡量可以進(jìn)一步優(yōu)化，可以通過最終平衡機(jī)的CDM來解決。

圖7為最終平衡機(jī)CDM系統(tǒng)提供的不平衡量散點(diǎn)圓統(tǒng)計(jì)圖，圖中＋、×分別表示在校準(zhǔn)面法蘭端和軸頭端初始不平衡量的向量，圖中兩個(gè)圓分別是曲軸法蘭端和軸頭端的“統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圓”，圓心位置表達(dá)了不平衡向量的平均值的大小和相位，半徑則表達(dá)了不平衡向量的離散狀況。

表1 最終平衡機(jī)的初始不平衡量統(tǒng)計(jì)

圖7 最終平衡機(jī)CDM散點(diǎn)圓統(tǒng)計(jì)圖

圖8 不平衡向量分量X-Y與定心機(jī)V-H分量坐標(biāo)系關(guān)系

利用CDM結(jié)果對(duì)質(zhì)量定心機(jī)中心孔位置加以修正的實(shí)質(zhì)，就是在質(zhì)量定心機(jī)的左右法蘭上分別預(yù)加適當(dāng)?shù)牟黄胶饬浚糜诘窒驗(yàn)檎{(diào)整曲軸位置致使質(zhì)量中心偏離回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的不平衡量，從而達(dá)到修正中心孔的目的?？捎脠D8加以說明，注意轉(zhuǎn)換過程中必須考慮最終平衡機(jī)和質(zhì)量定心機(jī)曲軸姿態(tài)的不同導(dǎo)致的修正方向的正負(fù)，1.8L曲軸最終平衡機(jī)與質(zhì)量定心機(jī)均為第一連桿頸朝上為初始零度。

圖8中（1）為測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)子角度系統(tǒng)，（2）為鉆孔工位角度系統(tǒng)。調(diào)整中心孔位置是通過調(diào)整左右法蘭的V、H向量實(shí)現(xiàn)的，設(shè)坐標(biāo)軸H與X之間夾角為α，兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

根據(jù)CDM統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖H、V值（即X，Y值），代入公式2、3分別計(jì)算出H1、V1和H2、V2值，調(diào)整機(jī)床兩端法蘭盤平衡塊位置，修正中心孔。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)法蘭端向質(zhì)量中心移動(dòng)0.09 mm，軸頭端移動(dòng)0.017 mm。以修正后的中心孔再加工20根曲軸，最終平衡法蘭端初始不平衡量平均85 g·cm，角度120～240°，軸頭端初始不平衡量平均80 g·cm，角度60～310°，初始不平衡量降低，角度也改善，中心孔位置得到進(jìn)一步優(yōu)化，鉆孔數(shù)量減少，平衡節(jié)拍縮短，盡可能保留平衡塊的材料，保證曲軸的內(nèi)部質(zhì)量補(bǔ)償。

目前最新的曲軸動(dòng)平衡機(jī)和質(zhì)量定心機(jī)都采用CAB950測量系統(tǒng)，將最終動(dòng)平衡機(jī)的CDM定心數(shù)據(jù)H、V直接輸入定心機(jī)界面，定心機(jī)自動(dòng)計(jì)算出新的中心孔偏移值，變得更加簡便。

4 幾何中心孔在NSE曲軸加工中的運(yùn)用

NSE1.5L/1.3L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸共線生產(chǎn)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)能42萬根，采用幾何定心。使用西班牙ETXE-TAR銑端面、鉆中心孔設(shè)備，Schenck自動(dòng)平衡機(jī)，加工節(jié)拍為39 s，如圖9所示。機(jī)床采用一左一右2個(gè)加工單元，每個(gè)單元配有CNC控制的X/Y/Z 3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，帶有“動(dòng)平衡校正數(shù)據(jù)接口”，可以根據(jù)從最終曲軸動(dòng)平衡機(jī)CDM以及手動(dòng)平衡測量機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)中心孔的位置進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，降低最終動(dòng)平衡的初始不平衡量，提高曲軸動(dòng)平衡的合格率。

圖9 ETXE-TAR銑端面、鉆中心孔設(shè)備

4.1 CDM優(yōu)化中心孔在1.5L曲軸中的應(yīng)用

安排加工30根1.5L曲軸，抽取其中15根曲軸在OP130工序作最終動(dòng)平衡，其初始不平衡量見表2，可以看出，曲軸法蘭端初始不平衡量仍較大，而且初始不平衡量角度在70°～330°之間。軸頭初始不平衡量也偏大，不平衡量角度在50°～295°之間，曲軸在平衡塊上去重孔較多且平衡合格率不高，其中有3根曲軸的最終不平衡量達(dá)到15 g/cm，作報(bào)廢處理，這表明幾何中心孔需要作調(diào)整。

表2 15件CDM曲軸初始不平衡量統(tǒng)計(jì)

在CAB950動(dòng)平衡機(jī)進(jìn)行測量，其CDM界面如圖10。

圖10 最終平衡機(jī)CDM散點(diǎn)圓統(tǒng)計(jì)圖

V1、H1、V2、H2的數(shù)據(jù)就是OP10鉆中心孔法蘭端和軸頭端需要調(diào)整的（x,y）坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)輸入到ETXE-TAR銑端面、鉆中心孔設(shè)備中心孔調(diào)整界面，曲軸相位相差180°輸入V1、H1、V2、H2值到鉆中心孔設(shè)備（x,y）坐標(biāo)時(shí)，正負(fù)號(hào)要變化。重新加工15根曲軸，在最終動(dòng)平衡時(shí)，法蘭端的初始不平衡量平均在105 g·cm左右，軸頭端初始不平衡量平均在85 g/cm左右，初始不平衡量減小不明顯，平衡塊上去重孔仍然較多，動(dòng)平衡合格率并沒提高。

4.2 分模號(hào)中心孔優(yōu)化

通過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)不同模號(hào)毛坯在最終動(dòng)平衡時(shí)初始不平衡量方向也不同，但其分布有一定規(guī)律。1號(hào)、3號(hào)模的毛坯初始不平衡量方向大多偏在90°一側(cè)，而2號(hào)、4號(hào)模的毛坯則偏在270°一側(cè)，參見圖10。這說明毛坯的一致性不好，要提高不同模具的一致性，但這個(gè)周期較長。為了不影響生產(chǎn)，采用“分模號(hào)”加工的方法即不同模號(hào)毛坯分批加工，即利用最終平衡機(jī)的CDM對(duì)不同模號(hào)毛坯進(jìn)行優(yōu)化，在OP10銑端面，鉆中心孔設(shè)備調(diào)整界面，按毛坯模號(hào)給出不同參數(shù)。

通過分析不同模號(hào)初始不平衡量分布，得出表3分模號(hào)中心孔修正值。

表3 分模號(hào)中心孔修正值

按表3中修正值分模號(hào)加工的曲軸，初始不平衡量均明顯減小，法蘭端在80 g·cm左右，軸頭端在65 g·cm左右，動(dòng)平衡一次合格率達(dá)到98.5%。這種利用CDM修正中心孔，分模加工的方法在新曲軸毛坯投產(chǎn)初期是非常有效的中心孔優(yōu)化方式。后期供應(yīng)商優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，重新開模后，可逐步取消分模加工。

圖11 中心孔偏移對(duì)定位精度的影響

4.3 中心孔修正誤差分析

實(shí)際上修正過的中心孔與設(shè)備定位頂尖之間是有同軸度誤差的，設(shè)備頂針和中心孔接觸會(huì)有稍許變化，影響頂尖定位面接觸面積，但在特定的范圍內(nèi)調(diào)整，中心孔同軸度誤差是很小的，可以忽略不計(jì)。下面以1.5L曲軸為例加以分析，見圖11。設(shè)兩端中心孔相對(duì)于幾何中心允許最大偏移1 mm，60°錐角中心孔調(diào)整移動(dòng)后與頂尖的兩接觸點(diǎn)傾斜了很小的角度，1.5L曲軸總長度為431 mm，則最大傾斜角度θ=15.8'。

所以鉆中心孔設(shè)備一般都給出中心孔位置修正值范圍，根據(jù)1.5L曲軸的毛坯質(zhì)量和實(shí)際余量情況規(guī)定偏移量為±0.5 mm，則修正中心孔后，兩中心孔角度最大相差7.9'，對(duì)后續(xù)粗加工幾乎沒有影響。但為了提高成品質(zhì)量，在精加工之前一般均安排精修中心孔工序，1.5L曲軸也不例外。

5 結(jié)論

（1）無論采用質(zhì)量中心或幾何中心孔，都要不斷地以減少初始不平衡量為目標(biāo)利用CDM優(yōu)化中心孔位置。

（2）分模號(hào)修正幾何中心孔，在新模具投產(chǎn)初期不失為一種快速提高毛坯合格率的有效方法。

（3）曲軸毛坯質(zhì)量好壞，影響CDM使用效果。

（4）最終動(dòng)平衡機(jī)CDM統(tǒng)計(jì)得出的H、V不平衡平均值修正鉆中心孔位置時(shí)，要考慮平衡機(jī)和鉆中心孔曲軸相位變化。

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圖8 改進(jìn)后的工藝方案

改進(jìn)后其他工藝參數(shù)如化學(xué)成分及澆注溫度不變，試制12件，其中3件進(jìn)行解剖，另外9件只對(duì)上述出現(xiàn)縮松的螺栓孔進(jìn)行加工。剖切的3件未發(fā)現(xiàn)縮松及其他缺陷，加工的9件螺栓孔中也未發(fā)現(xiàn)任何縮松。之后又生產(chǎn)了50件，投入正式機(jī)加工，均未發(fā)現(xiàn)任何縮松及其他缺陷。為了能更多的采集樣本及滿足生產(chǎn)需要，又投入生產(chǎn)了200件產(chǎn)品，加工成成品后，僅發(fā)現(xiàn)6件產(chǎn)品螺栓孔內(nèi)有疏松缺陷，但缺陷大小也比之前的縮孔有了較大的降低。從上述改進(jìn)后的生產(chǎn)情況來看，此工藝改進(jìn)是比較理想的，料費(fèi)率從之前的95%左右降低為現(xiàn)在的3%左右，完全可以進(jìn)行批量的生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

球墨鑄鐵件本身出現(xiàn)縮松的傾向較大，尤其是存在厚大壁厚或較多熱節(jié)的復(fù)雜零件，在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)如果生產(chǎn)條件允許，采取冒口加冷鐵的工藝可以較好的控制縮松的產(chǎn)生，同時(shí)也可以減少冒口的使用量，增加工藝出品率。本論文就是采取冷鐵與冒口相結(jié)合的方式取得了較好的效果，廢品率也從之前的95%降到了3%。但若從工藝出品率的角度來看，此工藝仍有進(jìn)一步改進(jìn)的余地，通過工藝調(diào)整，可進(jìn)一步減少冒口的使用，但需要在生產(chǎn)中進(jìn)一步檢驗(yàn)。

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Optimization of Quality Center and Geometric Center in Crankshaft Machining

Tian Guangkui
（Nanjing Automobile Group Co.,Ltd.,Nanjing 210061,China）

The balance quality of crankshaft has direct influence on engine's vibration,noise，other mechanical properties,and engine life.It is very important to choose a reasonable center of crankshaft in large volume automation production,because the center hole of crankshaft plays a vital role in reduction of initial unbalanced value,removed weight,cycle time,material rejection rate and the remaining unbalanced value during machining process of crankshaft.This paper introduces the basic principles of center hole choosing.Through actual optimization process in different types of central hole for crankshafts of 1.8 L and 1.5 L engines,the paper introduces the general process and method for central hole optimization,and phase issue that must be considered when giving compensative values to center hole machining in optimization process.In the initial stage of production,separate machining according to the serial number of casting mold is a useful method to improve the pass rate of product dynamic balance.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2012.02.007

來稿日期：2012-05-04

田廣奎（1964-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)加工工藝及設(shè)備。