盤類轉(zhuǎn)子立式平衡機(jī)夾具形式研究

孫強(qiáng)

摘要：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上一些盤類轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡質(zhì)量要求也越來越高，動(dòng)平衡工藝已經(jīng)成為機(jī)械制造領(lǐng)域中一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。通過長期跟蹤我公司生產(chǎn)現(xiàn)場的動(dòng)平衡工序的生產(chǎn)過程，我們對(duì)動(dòng)平衡失效及平衡機(jī)故障情況進(jìn)行了總結(jié)，分析了動(dòng)平衡工裝夾具對(duì)動(dòng)平衡測量精度及穩(wěn)定性的影響，討論了適合不同類型盤類轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡夾具結(jié)構(gòu)及裝夾方式。

關(guān)鍵詞：盤類轉(zhuǎn)子；動(dòng)平衡；工裝夾具；裝夾方式

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2016.08.057

中圖分類號(hào)：THl31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-1580（2016）08-0181-03

進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)后，為了滿足生產(chǎn)的需要，機(jī)械逐步向精密化、大型化、高速化的方向發(fā)展，這時(shí)出現(xiàn)的最大障礙就是振動(dòng)問題，與過去的低速、小輸出的機(jī)械相比，現(xiàn)代高速高精度的機(jī)械由于振動(dòng)而損害機(jī)械性能的比例要大得多。

在產(chǎn)生振動(dòng)的各種原因中，無論是過去還是現(xiàn)在最主要的是“不平衡力”。在機(jī)械中必然存在運(yùn)動(dòng)的部分，這一部分的質(zhì)量如果具有加速度，就會(huì)產(chǎn)生慣性力（旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力等），這種慣性力如果在機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部分內(nèi)部沒有得到很好的平衡，則與不平衡相應(yīng)的力就會(huì)作為動(dòng)載荷作用于機(jī)械的靜止部分，從而引起振動(dòng)、噪聲或性能的下降。為了避免產(chǎn)生這些現(xiàn)象，就需要改善運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量分布，消除不平衡力，這就是所謂平衡。

一、飛輪的平衡

汽車、客車、輪船和挖掘機(jī)等使用的發(fā)動(dòng)機(jī)就是典型的精密化、高速化的現(xiàn)代機(jī)械。在發(fā)動(dòng)機(jī)上有一些高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子零件，如曲軸、飛輪、皮帶輪、離合器等。飛輪是裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸后端的較大的圓盤狀零件，它具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，具有以下功能：①將發(fā)動(dòng)機(jī)做功行程的部分能量儲(chǔ)存起來，以克服其他行程的阻力，使曲軸均勻旋轉(zhuǎn)；②通過安裝在飛輪上的離合器，把發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車傳動(dòng)系統(tǒng)連接起來；③裝有與起動(dòng)機(jī)接合的齒圈，便于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)；④調(diào)節(jié)共振頻率等功能。

伴隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)轎車質(zhì)量的要求不斷提高。增加安全、提高壽命、減少振動(dòng)、降低噪聲已是當(dāng)務(wù)之急。發(fā)動(dòng)機(jī)可以說是各動(dòng)力機(jī)械的心臟，其質(zhì)量好壞、運(yùn)行狀態(tài)直接影響整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的性能，因此汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，不但整機(jī)需要進(jìn)行振動(dòng)測試和平衡，它內(nèi)部的關(guān)鍵零部件也需要進(jìn)行平衡。飛輪齒圈總成作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中質(zhì)量最大的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件，對(duì)于汽車的平穩(wěn)性起著至關(guān)重要的作用。

由于飛輪在鑄造、鍛造、滾軋、壓形、擠壓等過程中質(zhì)量的分布不均勻（鑄造氣孔、砂眼等）；制造時(shí)型芯中心線與旋轉(zhuǎn)軸線不一致，或型芯與旋轉(zhuǎn)軸不對(duì)稱；在加工過程中機(jī)械加工表面的容許誤差產(chǎn)生質(zhì)量分布的不均勻；由于設(shè)計(jì)或制造上的限制，旋轉(zhuǎn)體的組成部分不對(duì)稱；車加工、鉗加工過程的殘余應(yīng)力逐漸消失后造成質(zhì)心位置的改變，加熱裝配齒環(huán)時(shí)的受熱變形等因素，會(huì)造成飛輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不平衡。飛輪是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵安全件，由飛輪的不平衡而產(chǎn)生的動(dòng)壓力作用在軸承上，產(chǎn)生磨損和振動(dòng)，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，并產(chǎn)生噪聲，進(jìn)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)及車體各部件的損壞。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，引起飛輪不平衡的原因雖然很多，但是，如果飛輪一制造出來就不平衡的話，想通過做動(dòng)平衡以外的方式使飛輪平衡幾乎都是徒勞的，因此飛輪總成在裝機(jī)之前進(jìn)行平衡檢測，在汽車制造行業(yè)是必不可少的工序。

二、影響平衡精度及穩(wěn)定性的因素

為了改善飛輪的質(zhì)量分布，消除不平衡力，在飛輪的加工制造過程中都存在著動(dòng)平衡工序，有的如雙質(zhì)量飛輪還有多道動(dòng)平衡工序。飛輪的動(dòng)平衡工序一般采用單面立式硬支撐平衡機(jī)。該類型平衡機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，模塊化的設(shè)備構(gòu)成形式，便于更換和維修；效率較高，主軸上安裝的夾具可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)換，裝夾快速，適合不同產(chǎn)品的成批量生產(chǎn)；單面立式硬支承平衡機(jī)的缺點(diǎn)是：穩(wěn)定性欠佳，經(jīng)常會(huì)發(fā)生工件180°轉(zhuǎn)位復(fù)測誤差大、去重修正后工件平衡量超差、反復(fù)啟動(dòng)測量的重復(fù)性再現(xiàn)性差等失效模式，需要頻繁的對(duì)設(shè)備進(jìn)行定標(biāo)、電氣補(bǔ)償和參數(shù)調(diào)整。

影響測量穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的因素非常多，例如：有生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境問題（如周圍設(shè)備的干擾、現(xiàn)場的溫濕度條件等），有平衡機(jī)自身的測量精度和靈敏度的問題，有飛輪鑄件內(nèi)部質(zhì)量分布（密度不均勻）問題，有飛輪表面機(jī)械加工的精度、定位面的加工精度問題，還有工裝夾具的加工精度和裝夾形式等問題。

通過對(duì)我公司生產(chǎn)現(xiàn)場平衡工序的長期跟蹤，對(duì)所發(fā)生的失效、故障等情況進(jìn)行總結(jié)分析可以發(fā)現(xiàn)，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定，有80%都是工裝夾具引起的，例如：工裝的零部件產(chǎn)生了松動(dòng)、磨損、甚至斷裂；工裝與工件接觸的定位面選擇的不當(dāng)、裝夾方式選擇不當(dāng)；工裝的裝配與安裝沒有保證一定的精度；工裝自身的不平衡量沒有得到有效的控制或消除。因此，對(duì)動(dòng)平衡工序的工裝夾具進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)是非常有必要的。

三、動(dòng)平衡工裝夾具的形式

（一）簡易的夾具結(jié)構(gòu)

我公司初期使用的工裝夾具形式是工件由定位柱支撐，工件的中心孔與夾具的芯軸配合，上面由大的螺母來壓緊，防止工件與夾具發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。該種形式的夾具制造周期短，成本低，比較適合于產(chǎn)品開發(fā)階段的試生產(chǎn)。但是該種類型夾具的缺點(diǎn)也是顯而易見的，一個(gè)是效率特別低，每次裝夾都要進(jìn)行螺母的擰緊與松開；再一個(gè)是這種夾具對(duì)工件中心孔徑的尺寸精度要求較高，一旦工件的中心孔直徑尺寸在加工時(shí)產(chǎn)生了波動(dòng)，其對(duì)測量結(jié)果將產(chǎn)生巨大的影響；最后，這種夾具形式對(duì)芯軸的加工精度要求較高，尤其是芯軸與中心孔以及回轉(zhuǎn)中心的同軸度要求一般要控制在0.01以內(nèi)。

（二）錐體作為定位座的夾具結(jié)構(gòu)

由于第一種夾具形式的缺陷十分明顯，因此此類夾具形式在生產(chǎn)現(xiàn)場已經(jīng)很難見到。目前采用比較廣泛的一種裝夾結(jié)構(gòu)，與第一種形式一樣是由定位柱支撐工件，以工件的中心孔定位，但是采用了一種錐套與脹瓣的結(jié)構(gòu)。夾具中的拉桿帶動(dòng)脹瓣向下運(yùn)動(dòng)，受定位錐體與工件中心孔的影響，脹瓣將工件脹緊，便可以進(jìn)行測量。這類結(jié)構(gòu)只要保證定位錐體在回轉(zhuǎn)中心，脹瓣這種結(jié)構(gòu)在脹緊的過程中會(huì)自定心，同時(shí)取消了人工的夾緊過程，采用氣動(dòng)元件向下拉動(dòng)拉桿即可實(shí)現(xiàn)裝夾，效率與測量的精度都得到極大的提高。

不過此種形式的夾具也存著一些缺陷，首先是結(jié)構(gòu)復(fù)雜了，增加了許多零部件，每增加一個(gè)零部件就多了一個(gè)不穩(wěn)定的因素，這就對(duì)夾具整體的裝配精度有了一定要求，經(jīng)過長期的摸索，一般各部件間的同軸度與平行度保證在0.03以內(nèi)，脹瓣內(nèi)部與定位錐面的接觸面積要大于80%，就可以保證測量結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定；其次，為了工件取放的方便，就一定要求脹瓣與工件中心孔存在一定的間隙，而且長時(shí)間使用后這個(gè)間隙會(huì)越來越大，這就可能導(dǎo)致工件在裝夾時(shí)沒有放平，雖然脹瓣具有一定的自定心能力，但是受到工件自身重量、定位柱的磨損、工裝的裝配精度等因素的影響，仍然無法完全保證工件夾緊時(shí)是水平的。夾具精度較差時(shí)，在每次夾緊或松開時(shí)工件會(huì)因受力而跳動(dòng)，這就很難保證重復(fù)測量結(jié)果的再現(xiàn)性與一致性；再次，這類夾具在夾緊的過程中，脹瓣與工件的中心孔有一個(gè)上下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)于厚重的鑄鐵飛輪影響倒是不大，但是一旦應(yīng)用到薄板類結(jié)構(gòu)的撓性飛輪，這一相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)造成撓性板的變形，而且變形量與變形的方式完全無法預(yù)測，這就直接導(dǎo)致了測量的結(jié)果有1g·cm到6g.cm左右的誤差，大大降低了平衡機(jī)測量的精度。

（三）脹瓣作為定位座的夾具結(jié)構(gòu)

針對(duì)第二種夾具的不足，對(duì)脹瓣和錐體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，便得到第三種夾具形式。此種形式的夾具將脹瓣作為底座固定在托盤上，拉桿做成錐體，氣動(dòng)元件帶動(dòng)拉桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，脹瓣受到錐面的擠壓進(jìn)而將工件脹緊。該結(jié)構(gòu)一方面減少了零部件的數(shù)量，減少了可能失效的模式；另一方面脹瓣與工件的接觸面不再有上下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，工件很難會(huì)因受力而發(fā)生跳動(dòng)，薄板類的零件也不會(huì)因?yàn)槭芰Χa(chǎn)生無法預(yù)計(jì)的變形，測量的穩(wěn)定性得到很大的提高。

經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場的使用，效果非常明顯，基本上可以保證轉(zhuǎn)位復(fù)測的精度在平衡機(jī)自身的精度范圍內(nèi)（0-4g·cm）。經(jīng)過MSA測試，其重復(fù)性再現(xiàn)形GR&R%<10%，量檢具準(zhǔn)確精度能力系數(shù)CGK>1.33，完全符合我公司的使用要求。

可以說這種結(jié)構(gòu)的夾具極大的消除了工裝夾具對(duì)測量結(jié)果和平衡機(jī)穩(wěn)定性的影響，但是這種結(jié)構(gòu)依然不夠完美，受到脹瓣結(jié)構(gòu)的制約，拉桿與脹瓣底座之間沒有防轉(zhuǎn)定位銷，由于平衡機(jī)是測試高速旋轉(zhuǎn)工件的機(jī)械，長時(shí)間使用后難以保證拉桿與脹瓣不發(fā)生相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，這就需要定時(shí)對(duì)夾具自身的不平衡量進(jìn)行電氣參數(shù)補(bǔ)償，并通過標(biāo)準(zhǔn)樣件的復(fù)測來驗(yàn)證；另外，該結(jié)構(gòu)的脹瓣定位座的結(jié)構(gòu)較為精密和復(fù)雜，對(duì)加工精度的要求和加工的周期都有影響。

在下一步的夾具設(shè)計(jì)方案中，擬采用雙錐形結(jié)構(gòu)，同樣可以起到避免夾緊時(shí)工件發(fā)生變形或產(chǎn)生位移，也可以降低拉桿與定位錐套發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)的可能性。方案是否可行以及使用的具體效果還有待生產(chǎn)過程的驗(yàn)證。

四、小結(jié)

綜合以上對(duì)三種夾具形式的分析與總結(jié)，我們可以得出如下結(jié)論：第二種形式的夾具適合自重較大，具有一定厚度的重型盤類轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡測試，第三種夾具形式的夾具適合與重量較輕，薄板型盤類轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡測試。

因盤類轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式不同，夾具的形式也不盡相同，不管采用何種形式的夾具，基本的設(shè)計(jì)思路都是類似的。首先，要保證支撐面與定位面的加工精度和裝配精度，盡量減少零件的裝配，越多的裝配也意味著越多的誤差、越多的失效模式；其次，要盡可能的保證夾具各零部件的自由度要少，避免在高速旋轉(zhuǎn)過程中夾具的零部件松動(dòng)而干擾測量；再次，盡可能的減少夾具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，夾具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)一方面對(duì)工件可能造成損害，另一方面每次夾緊后的位置與平行度都難以保證；最后，要控制夾具自身的不平衡量，多數(shù)的動(dòng)平衡工裝夾具都采用對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，從設(shè)計(jì)上減少外形不對(duì)稱產(chǎn)生的不平衡量，根據(jù)我公司目前的生產(chǎn)情況來看，夾具自身的不平衡量必須控制在100g·cm以內(nèi)，以30-50g·cm左右為最佳狀態(tài)。