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(cè)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(lái)加工中心孔，可提高中心孔和質(zhì)量中心的重合度，進(jìn)而提升曲軸的動(dòng)平衡。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī);曲軸;加工制造;質(zhì)量定心

【中圖分類(lèi)號(hào)】U464.133.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）02-0072-02

0 前言

高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)類(lèi)零件在加工制造時(shí)要有動(dòng)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(dòng)平衡。曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)里不可或缺，它屬于旋轉(zhuǎn)類(lèi)零件，其加工質(zhì)量直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，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(huì)造成各個(gè)角度的離心力不平衡，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種失衡的離心力導(dǎo)致曲軸震動(dòng)加劇，造成發(fā)動(dòng)機(jī)異常震動(dòng)、異響、軸瓦磨損加劇，進(jìn)一步造成發(fā)動(dòng)機(jī)壽命降低及影響客戶(hù)的體驗(yàn)，本文介紹的質(zhì)量定心工藝可提高動(dòng)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(lèi)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?xún)啥酥行目鬃鳛檩S向和徑向定位基準(zhǔn)來(lái)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(huì)造成曲軸動(dòng)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(cè)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(lái)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(dòng)平衡。

2 曲軸質(zhì)量定心的原理

曲軸質(zhì)量定心機(jī)的原理示意圖，通過(guò)旋轉(zhuǎn)頭架驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生不平衡的離心力，平衡傳感器通過(guò)檢測(cè)不平衡離心力得到動(dòng)不平衡量，以及通過(guò)參數(shù)相位發(fā)生器識(shí)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(cè)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(jì)算公式：X = I / M G cosθ

Y軸方向質(zhì)心位置計(jì)算公式：Y = I / M G Sinθ

注：I為動(dòng)不平衡量，由平衡傳感器測(cè)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(wàn)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(jì)算可以實(shí)現(xiàn)中心孔與質(zhì)量中心位置的重合，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中總會(huì)受到各種因素的影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全重合，主要影響因素有以下6個(gè)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(jī)本身的精度;廠(chǎng)房其他設(shè)備加工時(shí)震動(dòng)造成傳感器的波動(dòng);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(jī)要求的公差太嚴(yán)，則容易造成不必要的毛坯報(bào)廢，如果要求太寬，則最終動(dòng)平衡機(jī)無(wú)法將動(dòng)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(dòng)平衡量要求在200 g·cm以?xún)?nèi)，該動(dòng)平衡量在最終動(dòng)平衡機(jī)上可進(jìn)一步校正為10 g·cm，以滿(mǎn)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(dòng)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(diǎn)是無(wú)需質(zhì)量定心機(jī)，設(shè)備投資成本低，缺點(diǎn)是鉆中心孔后曲軸的動(dòng)平衡量不好，容易導(dǎo)致最終動(dòng)平衡機(jī)節(jié)拍超差，動(dòng)平衡量超差報(bào)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(diǎn)是夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工件的動(dòng)平衡好，保證最終動(dòng)平衡機(jī)的節(jié)拍，且報(bào)廢率低，缺點(diǎn)是設(shè)備投資及維護(hù)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(chǎng)合如表1所示，在節(jié)拍和質(zhì)量滿(mǎn)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(shí)，必須注意質(zhì)量定心機(jī)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(tái)設(shè)備中有相同的零點(diǎn)和定位夾緊誤差，這樣質(zhì)量定心機(jī)傳輸給CNC的數(shù)據(jù)才能得到準(zhǔn)確的應(yīng)用。

5 質(zhì)量定心工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方案

（1）將質(zhì)量定心機(jī)放在線(xiàn)下，只檢測(cè)一部分曲軸毛坯的質(zhì)量中心位置。此方案基于來(lái)料毛坯的質(zhì)量中心位置較為穩(wěn)定，毛坯上線(xiàn)之前，先隨機(jī)測(cè)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(jī)床里，CNC機(jī)床加工時(shí)對(duì)每個(gè)零件都調(diào)用該平均值進(jìn)行補(bǔ)償。該方案的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，缺點(diǎn)是無(wú)法保證每個(gè)零件的中心孔與質(zhì)量中心的重合度，容易出現(xiàn)動(dòng)平衡超差的問(wèn)題。鍛造和鑄造毛坯的模具對(duì)質(zhì)量中心的位置影響很大，應(yīng)用該方案時(shí)，還要求對(duì)毛坯按模具號(hào)分開(kāi)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(jī)放在生產(chǎn)線(xiàn)上，對(duì)所有來(lái)料毛坯的質(zhì)量中心位置進(jìn)行檢測(cè)。該方案在檢測(cè)完質(zhì)量中心位置后，直接將每個(gè)毛坯的檢測(cè)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(jìn)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(jī)與CNC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對(duì)來(lái)料毛坯的要求不高，但對(duì)質(zhì)量定心機(jī)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(dòng)平衡性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。應(yīng)用質(zhì)量定心工藝時(shí)，需要保證質(zhì)量定心機(jī)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(jī)可在線(xiàn)上或線(xiàn)下使用，兩種方案有不同的優(yōu)、缺點(diǎn)，使用時(shí)需綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)

[1]吳建華.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)與制造，2012（2）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]