基于質(zhì)量定心技術(shù)的曲軸加工制造

覃建方 盧雙桂

【摘 要】為保證曲軸的中心孔和質(zhì)量中心盡可能重合，在加工中心孔之前，先測量質(zhì)量中心的位置，然后將質(zhì)量中心位置數(shù)據(jù)發(fā)送給CNC，CNC根據(jù)相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)來加工中心孔，可提高中心孔和質(zhì)量中心的重合度，進而提升曲軸的動平衡。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動機;曲軸;加工制造;質(zhì)量定心

【中圖分類號】U464.133.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）02-0072-02

0 前言

高速旋轉(zhuǎn)運動類零件在加工制造時要有動平衡工藝，以保證其質(zhì)量中心和回轉(zhuǎn)幾何中心盡可能重合，提高動平衡。曲軸在發(fā)動機里不可或缺，它屬于旋轉(zhuǎn)類零件，其加工質(zhì)量直接決定發(fā)動機的性能。發(fā)動機正常工作時，曲軸轉(zhuǎn)速在1 000～5 000 rpm之間，在如此高的轉(zhuǎn)速下，如果質(zhì)量中心偏離回轉(zhuǎn)中心太大，會造成各個角度的離心力不平衡，旋轉(zhuǎn)運動時，這種失衡的離心力導(dǎo)致曲軸震動加劇，造成發(fā)動機異常震動、異響、軸瓦磨損加劇，進一步造成發(fā)動機壽命降低及影響客戶的體驗，本文介紹的質(zhì)量定心工藝可提高動平衡性能。

1 曲軸質(zhì)量定心的作用

曲軸回轉(zhuǎn)中心位置是由兩端中心孔的位置確定的，軸類零件的加工工藝規(guī)程中，一般都是先加工兩端中心孔，再以兩端中心孔作為軸向和徑向定位基準來加工其余特征。如果加工中心孔的位置和質(zhì)量中心不重合，會造成曲軸動不平衡。

為保證曲軸的中心孔和質(zhì)量中心盡可能重合，在加工中心孔之前，先測量質(zhì)量中心的位置，然后將質(zhì)量中心位置數(shù)據(jù)發(fā)送給CNC，CNC根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)來加工中心孔，可提高中心孔和質(zhì)量中心的重合度。所以質(zhì)量定心的作用是找出質(zhì)量中心，然后把中心孔加工到質(zhì)量中心的位置，提升曲軸的動平衡。

2 曲軸質(zhì)量定心的原理

曲軸質(zhì)量定心機的原理示意圖，通過旋轉(zhuǎn)頭架驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生不平衡的離心力，平衡傳感器通過檢測不平衡離心力得到動不平衡量，以及通過參數(shù)相位發(fā)生器識別質(zhì)心的角度，平面電路分離器把不平衡量分配到曲軸兩端平面，再由測量電路將不平衡量轉(zhuǎn)化為X軸和Y軸方向的質(zhì)心位置數(shù)據(jù)。

X軸方向質(zhì)心位置計算公式：X = I / M G cosθ

Y軸方向質(zhì)心位置計算公式：Y = I / M G Sinθ

注：I為動不平衡量，由平衡傳感器測量獲得;M為曲軸重量，由鍛造和鑄造控制在一定公差范圍內(nèi);G為萬有引力加速度，9.8 N/kg。

3 影響曲軸質(zhì)量定心精度的因素

在理想狀態(tài)下的理論計算可以實現(xiàn)中心孔與質(zhì)量中心位置的重合，但實際生產(chǎn)過程中總會受到各種因素的影響，無法實現(xiàn)完全重合，主要影響因素有以下6個方面：鍛造和鑄造毛坯各部分材料的均勻性;毛坯幾何形狀的誤差;質(zhì)量定心機本身的精度;廠房其他設(shè)備加工時震動造成傳感器的波動;加工中心設(shè)備的精度;？譾？訛鍛造和鑄造毛坯的模具。

如果質(zhì)量定心機要求的公差太嚴，則容易造成不必要的毛坯報廢，如果要求太寬，則最終動平衡機無法將動平衡量校正到圖紙要求的范圍內(nèi)。受以上各種因素的影響，質(zhì)量定心的動平衡量要求在200 g·cm以內(nèi)，該動平衡量在最終動平衡機上可進一步校正為10 g·cm，以滿足曲軸產(chǎn)品的要求。

4 質(zhì)量定心工藝的相關(guān)要求

曲軸動平衡工藝分兩種。第一種是幾何定心，即直接在幾何中心上鉆中心孔。該方案的優(yōu)點是無需質(zhì)量定心機，設(shè)備投資成本低，缺點是鉆中心孔后曲軸的動平衡量不好，容易導(dǎo)致最終動平衡機節(jié)拍超差，動平衡量超差報廢率較高。第二種是質(zhì)量定心，即在質(zhì)量中心上鉆中心孔。該方案優(yōu)點是夾具結(jié)構(gòu)簡單，工件的動平衡好，保證最終動平衡機的節(jié)拍，且報廢率低，缺點是設(shè)備投資及維護成本高，夾具的一致性和精度要求高。質(zhì)量定心和幾何定心應(yīng)用場合如表1所示，在節(jié)拍和質(zhì)量滿足要求的前提下，盡量選幾何定心工藝。

采用質(zhì)量定心工藝時，必須注意質(zhì)量定心機的夾具與配套的CNC夾具定位夾緊位置、定位夾緊覆蓋面積保持一致，這樣才能保證曲軸在兩臺設(shè)備中有相同的零點和定位夾緊誤差，這樣質(zhì)量定心機傳輸給CNC的數(shù)據(jù)才能得到準確的應(yīng)用。

5 質(zhì)量定心工藝的現(xiàn)場應(yīng)用方案

（1）將質(zhì)量定心機放在線下，只檢測一部分曲軸毛坯的質(zhì)量中心位置。此方案基于來料毛坯的質(zhì)量中心位置較為穩(wěn)定，毛坯上線之前，先隨機測量一定數(shù)量的毛坯，找出質(zhì)量中心位置的平均值，然后將該平均值設(shè)置到CNC機床里，CNC機床加工時對每個零件都調(diào)用該平均值進行補償。該方案的優(yōu)點是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，運行成本低，缺點是無法保證每個零件的中心孔與質(zhì)量中心的重合度，容易出現(xiàn)動平衡超差的問題。鍛造和鑄造毛坯的模具對質(zhì)量中心的位置影響很大，應(yīng)用該方案時，還要求對毛坯按模具號分開包裝，以保證同一批物料的質(zhì)量中心位置的穩(wěn)定性。

（2）將質(zhì)量定心機放在生產(chǎn)線上，對所有來料毛坯的質(zhì)量中心位置進行檢測。該方案在檢測完質(zhì)量中心位置后，直接將每個毛坯的檢測數(shù)據(jù)發(fā)給CNC，CNC根據(jù)不同零件的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行加工，能最大程度保證所有零件的中心孔和質(zhì)量中心的重合度。該方案需要質(zhì)量定心機與CNC進行數(shù)據(jù)交互，對來料毛坯的要求不高，但對質(zhì)量定心機和CNC的夾具一致性要求較高。

6 結(jié)論

曲軸零件的加工，采用質(zhì)量定心工藝可以提高動平衡性能，降低發(fā)動機的噪音，提升發(fā)動機的壽命。應(yīng)用質(zhì)量定心工藝時，需要保證質(zhì)量定心機和CNC夾具的定位夾緊位置、定位夾緊覆蓋面積保持一致。質(zhì)量定心機可在線上或線下使用，兩種方案有不同的優(yōu)、缺點，使用時需綜合考慮現(xiàn)場條件和相關(guān)要求，以使質(zhì)量定心工藝獲得良好的效果。

參 考 文 獻

[1]吳建華.汽車發(fā)動機原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]王先逵.機械制造工藝學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[3]田廣奎.質(zhì)量中心孔和幾何中心孔在曲軸加工中的優(yōu)化[J].柴油機設(shè)計與制造，2012（2）.

[責任編輯：鐘聲賢]