基于幾何中心孔工藝的曲軸加工動平衡優(yōu)化方法

東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司 廣東廣州 510800

曲軸是發(fā)動機(jī)核心零件之一，其動平衡狀態(tài)關(guān)系到發(fā)動機(jī)壽命及司乘人員駕乘舒適性，為此研究動平衡具有重要意義。曲軸動平衡狀態(tài)最終在機(jī)加工線上完成，毛坯上線時需先在前后端打中心孔用于后續(xù)頂尖定位，俗稱“曲軸定心”，方法上分為幾何中心孔、質(zhì)量中心孔兩種工藝，其區(qū)別如圖1所示。相比幾何中心孔工藝，質(zhì)量中心孔的加工需要增加設(shè)備進(jìn)行毛坯慣性主軸位置測量。

圖1 定心工藝

兩種定心工藝對最終動平衡工序來料的初始動不平衡量U0有較大的影響，采用質(zhì)量中心孔工藝可以獲得更小的初始動不平衡量，且其離散情況相對幾何中心孔工藝可以大幅優(yōu)化。

實(shí)踐表明，質(zhì)量定心孔工藝有利于節(jié)約節(jié)拍，提高一次修整合格率并減少報(bào)廢。但是，質(zhì)量定心孔工藝存在設(shè)備投資更大、軸頸黑皮發(fā)生率更高、刀具磨損更嚴(yán)重等問題。加之，隨著鋼材冶煉和鍛造技術(shù)的提高，材料均勻性和外形尺寸單批次穩(wěn)定性得到很大改善，因此近年來新建加工線尤其是四缸機(jī)加工線采用幾何中心孔工藝的比例呈上升趨勢。

然而，不同批次毛坯的動平衡波動仍然是幾何中心孔工藝的一個難題，為此，行業(yè)內(nèi)通常由人工補(bǔ)償幾何中心孔坐標(biāo)，但多是對前后端頂尖孔單獨(dú)調(diào)整，必然存在著調(diào)整后頂尖孔不同軸的問題，影響后序加工跳動。此外，修正鉆孔有多種組合方式，而常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償無法詳盡所有情況，當(dāng)出現(xiàn)新的組合方式時往往只能嘗試性地調(diào)整，有較高的品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。也有部分廠家導(dǎo)入Q-DAS系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)補(bǔ)償量，導(dǎo)致投資增加。

本文旨在針對四缸機(jī)曲軸的幾何中心孔工藝，提供一種量化、高效的優(yōu)化算法。該算法在Excel中編程實(shí)現(xiàn)，具有很好的操作性。

動平衡原理

曲軸形狀特殊，擁有多個曲拐，因其質(zhì)量分布非中心軸對稱的特點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)時內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)的離心力系不能平衡，由此引起慣性力系不平衡狀態(tài)。一般乘用車四缸機(jī)曲軸長度400～550mm，撓性變形量小，分析動平衡問題時通常將其視為剛性轉(zhuǎn)子處理。質(zhì)量為M（單位kg）的均勻圓盤繞其中心軸勻速轉(zhuǎn)動，當(dāng)在距中心距離R（單位cm）處附加質(zhì)量m（單位g）時，將引起不平衡量并對中心軸產(chǎn)生交變力，計(jì)算不平衡量U（單位g·cm）

進(jìn)而導(dǎo)致整體質(zhì)心位置的改變，計(jì)算偏心量e（單位mm）

因m相對M小很多，0.1m＜＜100M，因此可簡化為

曲軸設(shè)計(jì)狀態(tài)下是整體平衡的，但因鍛造過程中的彎曲、錯模、修邊變形及缺肉等影響，導(dǎo)致整體不平衡，因此需要在機(jī)加工環(huán)節(jié)加以修正。乘用車曲軸的動平衡修正普遍采用去重法，包括測量和修正作業(yè)，其原理如圖2所示。

圖2 動平衡修正原理圖

曲軸旋轉(zhuǎn)時對兩個測量支承產(chǎn)生周期性的作用力，通過拾振器獲取信號，再由工控機(jī)進(jìn)行信號分離及運(yùn)算，求出兩個測量面上的不平衡量大小、相位并給出最優(yōu)修正方案，接著修正工位按照該方案執(zhí)行修正，最后再次測量確認(rèn)效果，期間設(shè)備將記錄保存上述數(shù)據(jù)，同時顯示在人機(jī)界面，必要時設(shè)備將進(jìn)行二次修正。

動平衡測量一般利用兩端主軸頸進(jìn)行支承，通過定義坐標(biāo)系準(zhǔn)確地顯示不平衡量的大小和相位。

動平衡修正只能在規(guī)定的平衡塊上實(shí)施，以市場上某款日系乘用車四平衡塊曲軸為例，只能在1#、4#、5#和8#平衡塊上鉆孔，即修正面只能設(shè)置1#、4#、5#和8#平衡塊所在的四個面。當(dāng)不平衡量處在-45°～45°或270°～360°時，以1#和8#平衡塊上修正為主，當(dāng)不平衡量落在90°～270°時，以4#和5#平衡塊上修正為主。

此外，受平衡塊形狀和尺寸影響，修正只能在一定的角度、深度及鉆孔直徑范圍內(nèi)進(jìn)行，考慮到二次修正孔，則需要在有限角度內(nèi)設(shè)置兩組鉆孔參數(shù)。

定義修正方案后，就能確定出每個平衡塊的修正能力，用修正方法圖（又名“修正能力圖”）表示，由此可知一次修正能力范圍（粗實(shí)線）及兩次修正總的能力范圍（粗虛線）。當(dāng)不平衡量落在粗實(shí)線封閉區(qū)內(nèi)時僅需一次修正即可，當(dāng)處在粗實(shí)線與粗虛線輪廓之間時需執(zhí)行二次修正，而超出粗虛線封閉區(qū)域時設(shè)備將無法自動修正至合格狀態(tài)。

通過動平衡修正，發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工況運(yùn)轉(zhuǎn)時，曲軸傳給支承的作用力大小和方向不隨時間變化而變化的狀態(tài)，就達(dá)到了理想動平衡狀態(tài)。但理想狀態(tài)非常難以滿足，因此產(chǎn)品圖規(guī)定了容許最大剩余不平衡量，只需將動平衡修正至此量值以內(nèi)即可。

優(yōu)化方法

1.修正方法圖繪制

設(shè)備交付時制造商提供的修正方法圖是最終結(jié)果呈現(xiàn)，無法準(zhǔn)確地知道修正能力曲線中各點(diǎn)數(shù)值，當(dāng)工藝參數(shù)如鉆頭直徑或角度調(diào)整時往往需要聯(lián)絡(luò)廠家更新繪制，因此其用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行故障調(diào)查時有其不足之處。為此，基于Excel表格編程完成了修正方法圖的繪制。

旋轉(zhuǎn)時，曲軸某橫截面i上存在不平衡量Ui，其所產(chǎn)生的離心力作用于兩端檢測支承并被拾取，支承上感知到的不平衡量Uia、Uib滿足力平行分解原理，如圖3所示。

圖3 力平行分解原理

在已知平衡塊半徑、鉆頭直徑、鉆頭頂尖角或頂尖高度、最大鉆孔深度及材料密度的情況下，可以求得最大鉆孔深度時的去重質(zhì)量m及其質(zhì)心位置R，進(jìn)而求得每個孔的去除動平衡量U。根據(jù)上述公式，進(jìn)一步得到其分解至a、b測量面上的分量Ua、Ub。最終，可得到4個修正面上各孔的去除量分解至a、b測量面的分量Uia、Uib。

因各孔角度不同，所以所得分量Uia、Uib實(shí)際為與角度相關(guān)的向量，表示以（其中i表示修正面坐標(biāo)，j表示鉆孔角度）。通過矢量疊加，即可求得等價至a、b測量面的修正能力范圍，原理如圖4所示。

圖4 矢量疊加原理

根據(jù)已知的修正方案，編程繪制曲線。在灰底區(qū)域輸入修正參數(shù)，自動繪出一次修正、二次修正及兩次修正累加的能力曲線，能力曲線封閉區(qū)域以內(nèi)的部分即可修正。

2.初始不平衡量抽離

當(dāng)動平衡發(fā)生修正NG彈出等異常情況時，往往需要調(diào)查來料動平衡狀態(tài)。此外，為對應(yīng)毛坯批次變換時動平衡狀態(tài)波動的問題，更換毛坯批次時有必要進(jìn)行小批量動平衡驗(yàn)證，此時也需要事先掌握動平衡工序來料的狀態(tài)。

該方法以日本NAGAHAMA動平衡設(shè)備為例說明，旨在從動平衡機(jī)的眾多測量數(shù)據(jù)中檢索出目標(biāo)時段內(nèi)的初始不平衡量數(shù)據(jù)，用于調(diào)查來料狀態(tài)，并為后續(xù)的調(diào)整前序加工頂尖孔坐標(biāo)補(bǔ)償量做準(zhǔn)備。

操作步驟如下：

1）按照設(shè)備資料說明導(dǎo)出測量CSV文件，并在Excel中打開。

2）按序列號升序重排整個表格?？煽吹讲煌蛄刑柍霈F(xiàn)的次數(shù)不同，只出現(xiàn)一次說明無需修正，出現(xiàn)兩次及以上時說明經(jīng)過了鉆孔修正。

3）插入列并編程“=if(本行序列號＞上一行序列號，1，0)”賦值。將所有序列號首次出現(xiàn)時標(biāo)記為“1”，再只篩選顯示“1”的數(shù)據(jù)即可初始不平衡量數(shù)據(jù)。選取所需時段內(nèi)的“U1、P1、U2、P2”列數(shù)據(jù)即可，分別為測量面a測得的不平行量U1、角度P1，以及測量面b的不平衡量U2、角度P2。

3.圖形化顯示來料初始不平衡量

結(jié)合修正方法圖，將獲取的最終動平衡來料初始不平衡量數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示，以便清楚地知道以下信息。

1）來料能否被修正以及是否需要兩次修正。

2）來料初始不平衡量的集中程度。

3）來料初始不平衡量總體所處的位置（為補(bǔ)償中心孔加工坐標(biāo)做準(zhǔn)備）。

編程繪圖，將上述初始不平衡量數(shù)據(jù)輸入到對應(yīng)區(qū)域，自動繪出散點(diǎn)圖，如圖5所示。由圖中可知，樣本分布在一次修正區(qū)域以內(nèi)，表明經(jīng)過一次修正就能達(dá)到要求。

圖5 動平衡修正能力

當(dāng)頂尖孔加工設(shè)備有多臺時，該方法也可用于調(diào)查兩臺設(shè)備的差異，當(dāng)圖形出現(xiàn)分團(tuán)聚集時，則可以判斷設(shè)備大概率存在差異，以此指導(dǎo)保全人員進(jìn)行故障調(diào)查。

當(dāng)樣本初始不平衡量不理想，超出一次修正范圍甚至二次修正范圍時，則需要調(diào)整前序頂尖孔坐標(biāo)。

編制公式，自動求出針對此樣本的中心孔坐標(biāo)補(bǔ)償量，同時顯示按此調(diào)整后的初始不平衡量分布預(yù)期狀態(tài)，確認(rèn)預(yù)期效果OK后便可對幾何中心孔加工工序?qū)嵤┭a(bǔ)償。該方法已綜合考慮曲軸前后端的情況，因此實(shí)施補(bǔ)償時只需對曲軸前后端中心實(shí)施相同量的補(bǔ)償即可，確保補(bǔ)償不改變前后中心孔的同軸狀態(tài)。為便于現(xiàn)場操作員使用，引入宏參數(shù)編入NC程序中，將該值輸入到指定宏變量即可快速完成補(bǔ)償作業(yè)。優(yōu)化效果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化效果

結(jié)語

針對幾何中心孔工藝下不同批次毛坯動平衡狀態(tài)波動問題，提出了一種基于Excel編程的優(yōu)化方法。該方法具有低成本、高效率、高可靠性及操作便利的特點(diǎn)，為動平衡問題調(diào)整幾何中心孔提供了一個可視化輔助工具，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)操作中的不足。