曲軸幾何定心和質(zhì)量定心對加工的影響

吳明杰 謝安

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

為了深層次對“幾何定心”和“質(zhì)量定心”進行剖析，本文主要從“幾何定心”和“質(zhì)量定心”的定義，以及這兩種定心方式在實際加工過程中對刀具使用壽命、工件加工質(zhì)量、工件初始不平衡量等方面的影響進行論證，為后續(xù)曲軸生產(chǎn)線項目建造中曲軸定心方式的選擇提供理論和實踐支持。

2 幾何中心和質(zhì)量中心定義

幾何中心是一個幾何概念，與物體的質(zhì)量無關(guān)，只和物體的形狀有關(guān)，曲軸的幾何中心是指主軸頸外圓中心，曲軸兩端主軸頸外圓中心連線則是曲軸的幾何中心線；質(zhì)量中心則是一個質(zhì)量概念，是指物體質(zhì)量的中心，曲軸的質(zhì)量中心通過質(zhì)量定心機測量獲得，質(zhì)量中心的連線則是曲軸的質(zhì)量中心線。當(dāng)一個物體幾何形狀旋轉(zhuǎn)均勻?qū)ΨQ，各個點的質(zhì)量密度完全一致，則這個物體的幾何中心線和質(zhì)量中心線是重合的。但是，實際上曲軸的形狀不可能是完全旋轉(zhuǎn)均勻?qū)ΨQ的，質(zhì)量密度也不是一致的，所以，曲軸的幾何中心線和質(zhì)量中心線不完全重合，如圖1所示。

圖1 質(zhì)量中心線和幾何中心線

通過幾何中心和質(zhì)量中心的定義可知，曲軸使用不同的定心方式所加工出來的中心孔位置是不一樣的，使用質(zhì)量定心加工將會導(dǎo)致后工序加工各軸頸圓周切削余量存在較大差異，刀具在切削過程中刀具切深會產(chǎn)生較大變化，刀具受力也會發(fā)生較大的變化，從而導(dǎo)致刀具過快磨損；使用幾何定心則會導(dǎo)致曲軸最終動平衡前的初始不平衡量大，動平衡節(jié)拍增加，工件報廢率上升。

3 幾何定心和質(zhì)量定心對刀具壽命的影響

曲軸幾何定心是以曲軸外端主軸頸幾何中心為基準(zhǔn)加工中心孔，曲軸質(zhì)量定心是以曲軸外端主軸頸質(zhì)量中心為基準(zhǔn)加工中心孔，由于幾何中心和質(zhì)量中心不重合，中心孔加工的位置也會不同，總體來說，以幾何中心加工的中心孔位于軸頸幾何形狀的中心上，后工序加工在軸頸圓周上的切削余量均勻，如圖2所示，刀具受力變化小，壽命相對來說要高一些。相對而言，以質(zhì)量中心加工的中心孔常常由于工件的形狀差異、質(zhì)量密度差異而偏離軸頸幾何形狀的中心，后工序加工在軸頸圓周上的切削余量不均勻，如圖3所示，質(zhì)量中心偏離幾何中心越大，切削余量不均勻程度越大，刀具加工過程中受力變化、振動也越大，刀具的使用壽命越低。

圖2 幾何定心加工特征

圖3 質(zhì)量定心加工特征

以我司目前運行的兩條生產(chǎn)線為例，一線采用的是幾何定心加工，二線采用的是質(zhì)量定心加工，在OP15粗銑主軸頸、連桿頸工位，通過加工狀態(tài)可以看出，采用幾何定心加工的工件軸頸圓周切削余量都比較均勻，如圖4所示；而采用質(zhì)量定心加工的工件，無論是主軸頸還是連桿頸加工，軸頸圓周切削余量都會存在明顯差異，如圖5所示。

圖4 幾何定心——切削余量均勻

圖5 質(zhì)量定心——切削余量不均勻

圖6 幾何定心刀具磨損狀態(tài)

使用同批次刀片、相同的加工工藝，一、二線加工的刀具在加工1000件工件后道刀具的磨損存在明顯的差異，如圖6、圖7所示，這就導(dǎo)致了使用質(zhì)量定心加工的刀具壽命低于幾何定心加工，見表1。

表1 一、二線刀具耐用度明細表

圖7 質(zhì)量定心刀具磨損狀態(tài)

4 幾何定心和質(zhì)量定心對加工質(zhì)量的影響

幾何定心由于軸頸圓周切削余量均勻，刀具受力平穩(wěn)，工件加工表面無震紋，加工尺寸比較穩(wěn)定；質(zhì)量定心則可能會由于工件形狀變化、質(zhì)量密度不均勻等原因，使質(zhì)量中心偏離幾何中心較大，導(dǎo)致刀具在切削過程中受力變化大，致使加工過程中異常振動，工件表面加工會存在震紋，并且由于受力的變化，工件加工過程中會產(chǎn)生較大的變形，工件加工表面圓度、軸頸跳動都會變大，如圖8、圖9所示。

5 幾何定心和質(zhì)量定心對初始不平衡量的影響

采用幾何定心加工，隨著曲軸材料去除面積和材料去除量的增加，曲軸繞著中心線圓周方向的質(zhì)量分布逐漸趨于一致，初始不平衡量會減少，但是相對質(zhì)量定心來說，曲軸的初始不平衡量還是比較大，這就導(dǎo)致了曲軸最終動平衡時需要去重較多，導(dǎo)致平衡孔數(shù)量增加、平衡孔深度加深，從而造成加工節(jié)拍超差，嚴重的還會導(dǎo)致曲軸無法去重到工藝要求的不平衡量范圍之內(nèi)，導(dǎo)致工件報廢。一般的做法需要根據(jù)最終動平衡加工的數(shù)據(jù)反饋，調(diào)整中心孔加工的位置，如圖10所示，通過補償中心孔的位置度，減少工件動平衡前的初始不平衡量，從而降低動平衡加工節(jié)拍。

圖8 幾何定心加工軸頸跳動情況

圖9 質(zhì)量定心加工軸頸跳動情況

圖10 根據(jù)動平衡加工數(shù)據(jù)反饋調(diào)整中心孔位置

圖11 根據(jù)粗加工不平衡量和最終動平衡數(shù)據(jù)反饋調(diào)整中心孔位置

采用質(zhì)量定心加工，由于質(zhì)量定心機已經(jīng)把毛坯工件的質(zhì)量中心線找出來，中心孔根據(jù)質(zhì)量定心機反饋的數(shù)據(jù)進行加工，所以，曲軸在加工中心孔后所獲得的初始不平衡量相對來說會小很多，但是隨著后工序車削主軸頸、銑削連桿頸等工序的加工，工件獲得的初始不平衡量也會發(fā)生變化，甚至?xí)兊酶螅?，工件以質(zhì)量定心方式加工，切削余量可能存在嚴重的不均勻，工件加工表面會產(chǎn)生“黑皮”。因此，通常需要在粗加工完成后重新測量工件初始不平衡量，根據(jù)粗加工后是否存在“黑皮”以及所獲得的不平衡量大小和角度，對質(zhì)量定心機進行補償，以使工件完成粗加工后能獲得更恰當(dāng)?shù)某跏疾黄胶饬?。此外，為了兼顧曲軸最終動平衡加工節(jié)拍、降低動平衡報廢率，通常還需要根據(jù)最終動平衡的生產(chǎn)情況對加工兩端中心孔的位置度進行適當(dāng)補償，如圖11所示，使整線生產(chǎn)的加工成本、生產(chǎn)效率、工件報廢率達到最優(yōu)的狀態(tài)。

6 結(jié)束語

幾何定心和質(zhì)量定心的差異主要受工件的幾何形狀以及質(zhì)量分布均勻性的影響，生產(chǎn)線采用幾何定心還是質(zhì)量定心，除了考慮設(shè)備投資成本以外，主要考慮生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品品種多樣性、差異性以及同種產(chǎn)品不同模號的一致性。通常多產(chǎn)品共線或共線產(chǎn)品差異大宜采用質(zhì)量定心，單一產(chǎn)品或共線產(chǎn)品差異性小，宜采用幾何定心。