曲軸動平衡加工工藝優(yōu)化方法

楊 浩，曾媛媛

YANG Hao1, ZENG Yuan-yuan2

（1.上汽通用五菱發(fā)動機制造部，柳州 545000；2.廣西科技大學(xué)，廣西 545000）

0 引言

曲軸是發(fā)動機的重要高速旋轉(zhuǎn)部件，隨著發(fā)動機功率的提高以及轉(zhuǎn)速高速化的應(yīng)用和發(fā)展，發(fā)動機曲軸的轉(zhuǎn)速也不斷提高，有的甚至可以達到10000轉(zhuǎn)/min轉(zhuǎn)以上。但曲軸毛坯特別是鍛鋼曲軸的毛坯余量不均勻，在機械加工過程中也不可避免會因為毛坯材質(zhì)不均勻、加工誤差等導(dǎo)致曲軸幾何軸線和質(zhì)量軸線不重合，產(chǎn)生動不平衡量，使發(fā)動機工作時產(chǎn)生振動和振動力，引起發(fā)動機噪聲大、軸承發(fā)熱和整車振動大。因此，曲軸的平衡精度對發(fā)動機的振動、運行平穩(wěn)性及壽命都有很大的影響。同時，曲軸的初始動平衡量過大也會給加工造成諸多不便，導(dǎo)致平衡機平衡單個工件時間過長，從而影響加工效率，甚至會出現(xiàn)無法平衡造成曲軸報廢的現(xiàn)象。

1 動平衡原理

1.1 不平衡量的分類

1）靜不平衡量Uc

2）力偶不平衡量Um

圖2 力偶不平衡量Um

3）準靜不平衡量Uq

4）動不平衡量Ud

這種情況下的動不平衡可以看作是派生的，它是由一個或多個靜不平衡量Uc與力偶不平衡量Um組合而成。第1種情況與第2種情況是這種動不平衡的特殊情況。

由于曲軸結(jié)構(gòu)的特殊性，都會有一定的初始不平衡量，且為動不平衡量。

1.2 曲軸動平衡機測量原理

任何物體在勻速旋轉(zhuǎn)時，體內(nèi)任一質(zhì)點都將產(chǎn)生離心力，無數(shù)個離心力組成一個慣性力系作用在軸承上，形成轉(zhuǎn)子對軸承的動壓力，如果鉆子的質(zhì)量對轉(zhuǎn)軸對稱分布，則動壓力為零，即轉(zhuǎn)子不平衡量為零；否則將產(chǎn)生動壓力，即轉(zhuǎn)子有不平衡量。

假設(shè)圖3為一個質(zhì)量均勻分布的盤形轉(zhuǎn)子，本身是平衡的，如果在角度ф半徑r的位置存在一個重量為u的不平衡量，那么一旦該轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速Ω旋轉(zhuǎn)起來后，這個重量產(chǎn)生離心力對回轉(zhuǎn)中心的支承點造成一個動壓力。動平衡機的測量原理就是通過檢測轉(zhuǎn)子支承點所承受的動壓力，求出轉(zhuǎn)子的不平衡量，在這個例子中就是U=u×r，單位克毫米或克厘米，角度ф。

圖3 離心力示意圖

圖4 顯示了曲軸平衡機的測量原理，轉(zhuǎn)子在支承擺架上回轉(zhuǎn)，其不平衡量產(chǎn)生離心力，通過支承點傳到擺架上，傳感器采集到信號后進行處理，發(fā)送給測量模塊。

測量模塊將測得的信號換算為不平衡量，顯示在屏幕上。同時按照輸入的鉆削工藝參數(shù)進行解算，將需要去除的不平衡量優(yōu)化分解到各個校正平面（曲軸的平衡塊），由PLC控制校正工位的動作。

圖4 曲軸動平衡機測量原理

2 動平衡工藝優(yōu)化方法

2.1 調(diào)整動不平衡量的方法

1）加重

在已知該校正面上的不平衡量的反方向加一質(zhì)量，使這附加質(zhì)量產(chǎn)生的不平衡量與原不平衡量抵消。加重可采用補焊、噴鍍、膠接、鉚接、螺紋聯(lián)接等方法。

2）去重

在已知該校正面上的不平衡量的相同方向上去掉一定質(zhì)量，使這去掉的質(zhì)量產(chǎn)生的不平衡量就是原來的不平衡量。去重方法可采用鉆、磨、銑、銼和激光打孔等方法。

3）調(diào)整校正質(zhì)量

在回轉(zhuǎn)體預(yù)先設(shè)計好的各種結(jié)構(gòu)中，調(diào)整校正質(zhì)量的大小和方位，達到去重和加重的同樣目的。例如：調(diào)整平衡槽內(nèi)平衡塊數(shù)和角度分布；調(diào)整兩偏心塊的相對角度位置；擰入或擰出螺釘改變校正質(zhì)量半徑等。

由于曲軸的結(jié)構(gòu)特殊性以及在發(fā)動機機體里的空間限制，一般采用去重的方法校正曲軸動不平衡量。

2.2 曲軸中心孔與動平衡量的關(guān)系

從不平衡原理得知不平衡量的產(chǎn)生是由于質(zhì)量軸線和幾何軸線不重合所致。曲軸加工工藝的特殊性是首先要加工曲軸兩端中心孔，然后再以兩端中心孔作為基準加工曲軸。鉆完中心孔后曲軸的幾何軸線已基本確定，而質(zhì)量軸線會根據(jù)曲軸毛坯的批次、模號以及曲軸加工工藝的變化而變化。對于一條曲軸生產(chǎn)線，在曲軸加工工藝確定、各機床加工狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，曲軸的質(zhì)量軸線也會相對穩(wěn)定，這時只要找到質(zhì)量軸線和幾何軸線的相對位置關(guān)系，通過調(diào)整曲軸中心孔位置來調(diào)整幾何軸線，使質(zhì)量軸線和幾何軸線相對接近，降低曲軸的初始動不平衡量。

2.3 曲軸動平衡工藝優(yōu)化實例

某曲軸生產(chǎn)線的加工工藝布局為鉆中心孔工位四臺，動平衡工位一臺，中心孔位置度的要求為0.5mm。針對這條曲軸生產(chǎn)線的工藝布局，初步的優(yōu)化思路為：

1）收集曲軸初始不平衡量數(shù)據(jù)，并通過Q-DAS軟件分析數(shù)據(jù)；從圖5中看出，平均初始不平衡量X方向為376g.mm，Y方向為-260g.mm，初始不平衡量較大。理論上把初始不平衡量控制在200g.mm以內(nèi)，可確保95%的曲軸一次校正合格。數(shù)據(jù)分布為部分數(shù)據(jù)相對集中，原因是單臺鉆中心孔機床加工出的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，但每臺之間的數(shù)據(jù)相差較大，故需要將四臺機床的初始不平衡量調(diào)整一致。

圖5 優(yōu)化前的初始不平衡量分布

2）將四臺鉆中心孔工位的中心孔位置度調(diào)整為一致即把四臺機床的初始不平衡量調(diào)整一致，確保所有曲軸的幾何軸線一致；

3）收集曲軸的初始不平衡量，通過分析找到幾何軸線與質(zhì)量軸線的對應(yīng)關(guān)系；

4）通過調(diào)整中心孔位置，使質(zhì)量軸線和幾何軸線相對接近，降低曲軸的初始動不平衡量，調(diào)整后的初始不平衡量如圖6所示，平均不平衡量在150g.mm，改善效果較明顯，平均鉆孔數(shù)減少了30%左右，動平衡機工作節(jié)拍減少了3.3S左右。

3 結(jié)束語

1）通過對曲軸動平衡機原理進行研究，找出影響初始不平衡量的可能原因；

2）運用Q-DAS數(shù)據(jù)分析軟件分析實際曲軸線的運行狀態(tài)，并制定優(yōu)化方案；

圖6 優(yōu)化后的初始不平衡量分布

3）通過優(yōu)化曲軸中心孔位置，使質(zhì)量軸線和幾何軸線相對接近，降低曲軸的初始動不平衡量，提高動平衡加工效率；

4）雖然通過工藝優(yōu)化可在一定程度上提高動平衡加工效率，但曲軸毛坯質(zhì)量不均勻也是影響曲軸初始不平衡量的一大影響，還需要進一步的分析研究。

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