曲轴机加工动平衡问题系统研究及解决

（上海大众汽车有限公司，上海201805）

曲轴机加工动平衡问题系统研究及解决

冯 波，章敏晖

（上海大众汽车有限公司，上海201805）

对生产过程中影响曲轴不平衡量的加工设备、刀具、毛坯和工艺控制等因素的进行了系统的研究，制订和实施了对应的改进措施，切实提高了零件的加工质量和生产效率。

曲轴 机加工 动平衡

1 前言

曲轴不平衡量是曲轴机加工工艺过程中的关键要素之一，它直接影响到整发动机的振动和可靠性等重要性能。在曲轴机加工工艺过程中先钻质量中心孔或几何中心孔，再以2端中心孔为主要定位基准完成曲轴轴颈的粗加工和精磨,在磨削工序完成后，最后用曲轴平衡块上钻孔去重的方法，保证成品曲轴的最终不平衡量要求，这是曲轴加工的典型工艺。本文针对EA113汽油机曲轴（见图1）机加工过程中遇到的工件动平衡问题，对影响曲轴机加工动平衡的设备、毛坯、刀具、工艺因素进行了系统分析，并提出了针对性的具体解决方法。实施改进措施后，系统地解决了EA113曲轴毛坯国产化后所遇到的机加工动平衡问题，对生产线保证产品加工质量，提高生产效率起到重大作用。

2 2种中心孔加工工艺对工件动平衡的影响

在曲轴加工过程中，曲轴2端的中心孔位置决定了后道工序的加工不平衡量。

图1 EA113汽油机曲轴

在采用几何中心孔加工工艺中，2端中心孔的位置由曲轴毛坯轴颈的几何尺寸和几何偏差决定。曲轴毛坯的不平衡量偏差程度将会在终平衡工序反映出来，通过终平衡工序统计出来的不平衡量及偏差角度，反馈、调整前道工序钻几何中心孔的加工位置。

在采用质量中心孔的加工工艺中，2端中心孔的位置影响因素较多：

（1）曲轴毛坯的几何中心和质量中心的偏差影响因素。如果毛坯的回转几何中心和回转质量中心偏差小，经过质量中心孔加工后中心孔的位置比较正，后道工序的切削余量比较均匀；反之中心孔的位置比较偏，后道工序的切削余量不均匀，容易造成刀具异常损耗。

（2）质量中心孔专机的平衡框架不平衡量的偏差影响因素。每次在执行专机标定程序前应该先校准平衡框架的不平衡量，否则框架的不平衡量将传递到加工工件上，造成工件的终平衡工序不平衡量增大。

（3）质量中心孔专机的标定情况。质量中心孔专机在正式生产前必须对自身的灵敏度、背景振动量、不平衡量精度和重复性进行评价。设备预先编好标定程序，每次设备调整和维修后必须执行标定程序，只有标定评价合格后才能进行正常加工，否则无法保证工件质量中心孔的正确性，会造成终平衡工序由于工件不平衡量过大而无法加工。

（4）中心钻刀柄的不平衡量的影响因素。质量中心孔专机的2端加工用中心钻刀柄一般都布置在平衡框架内，会跟工件一起旋转作不平衡量测量和质量中心位置调整。因此，钻头刀柄的不平衡量偏差也会影响工件的质量中心孔位置偏差，更换新的刀柄时必须对新刀柄作不平衡量评价。

比较几何中心孔和质量中心孔2种不同的曲轴中心孔的加工工艺，为保证曲轴在后道工序中的加工不平衡量，几何中心孔对毛坯的回转质量中心与几何中心的重复度要求较高，并且要求不同批此的毛坯质量中心一致性要好，几何中心孔的优势是加工节拍较快。质量中心孔工艺能弥补毛坯质量中心与几何中心不重合的偏差，但加工节拍较长且会造成粗加工工序中的不均匀切削。

3 曲轴机加工动平衡问题的解决方法

EA113曲轴在毛坯加工和刀具国产化过程中都碰到了不同程度的曲轴机加工中的动平衡问题，其现象为终平衡工序的工件2次平衡率高，终平衡工序加工节拍长，严重时甚至会造成大量的工件无法自动终平衡。通过对影响工件不平衡量的各种因素进行系统分析，量化评价并采取相应的解决措施，在全面国产化条件下使得EA113曲轴的终平衡加工达到历史最好水平。

以下是从设备校准标定、钻头刀柄不平衡量自主优化、毛坯改善和工艺反馈控制几个方面同时着手，系统解决EA113曲轴机加工动平衡问题的方法。

3.1 质量中心孔专机动平衡框架的校准和标定

EA113曲轴加工质量中心孔使用Schenck公司制造的质量中心孔加工专机，见图2。

图2 EA113曲轴质量中心孔加工专机

3.1.1 框架平衡校准方法

曲轴质量中心孔专机在正常加工前，需要对专机的动平衡框架进行框架校零，以保证旋转框架本身处于平衡状态。只有框架本身的不平衡量在机床的允许范围内，才能保证质量中心孔的加工过程稳定，产品合格。具体操作步骤为：将机床通道设定到专门通道，排空机内工件，手动夹紧卡爪，启动框架旋转，测量不平衡量，在机床操作面板上可以得到当前框架不平衡量数值；根据不平衡量数值可以调整V1、H1、V2、H2的砝码配重。再次启动框架旋转，直至调整到不平衡数值≤0.1。（注：框架每0.1矢量单位的偏差，相当于终平衡测量偏差50 g·cm）

3.1.2 动平衡标定方法

（1）动平衡测量准确性标定：标定1

做动平衡准确性标定时，是把定值的偏心垫片放入测量样棒与支撑脚之间，平衡旋转后测得不平衡量。机床根据事先编好的程序对测量数据进行计算，设备通过对比实际偏心测量值和设定值，自动评价动平衡测量的准确性。标定合格与否，设备会自动提示，只有标定合格才允许做下一步，否则应该立即进行设备调整，重复上述步骤，直至设备评价标定1合格。

（2）动平衡测量重复性标定：标定2

质量中心孔在动平衡测量准确定评价合格后，还需要进行重复性评价。这是是为了保证机床正常加工的稳定性而进行的标定。与标定1类似，动平衡测量重复性标定也有专门自动评价程序，只有评价合格才能正常生产。

3.1.3 质量中心孔专机标定注意事项

每次设备进行框架等动平衡部件有关的维修或调整后必须重新进行动平衡框架的校准和标定，每次校准和标定时必须严格按照操作步骤“框架平衡校准－标定1－标定2”完成，不允许漏做或不按顺序做。

正常生产时，建议每周做一完整的校准和标定操作，每天做1次标定2以保证设备的良好加工状态。

质量中心孔专机的动平衡测量校准和标定，主要是评价设备对不平衡量测量的准确性和稳定性，校准和标定前对平衡测量框架的清洁非常重要。正常生产时，也必须定期清洁框架，保证框架上面不残留切屑。

3.2 中心孔钻头刀柄的不平衡量测量和校准

在曲轴质量中心孔专机的加工过程中，我们分析发现由于中心钻刀柄跟随动平衡框架和工件一起被测量，如果钻头刀柄本身有不平衡量，就会影响工件的质量中心孔位置偏差，这在钻头刀柄国产化后表现尤为明显，参见表1。

表1 钻头刀柄去重前工件终平衡工序不平衡量

造成钻头刀柄不平衡的因素包括旋转外套（包括端盖）和刀柄芯轴，其中旋转外套的不平衡量是主要因素。因此对刀柄采用手动去重的方法，就是在动平衡专机上测量出刀柄的不平衡量和不平衡角度后，直接在刀柄旋转外套上钻孔去重，参见图3。

图3 去重后的钻头刀柄

对使用的中心孔钻头刀柄进行不平衡量的测量，根据测量结果去重再测量，直至其对工件的不平衡量偏差影响最小，见表2和表3。通过反复试验和验证，编制出最优化可行的质量中心孔专机钻头刀柄手动去重和测量操作步骤。

3.3 曲轴毛坯几何中心和质量中心的不重合偏差改进

为了保证后续加工质量以及确保曲轴终平衡的加工效率，理想的状况是曲轴毛坯的几何中心孔和质量中心孔保持基本一致。然而，国内大多数曲轴毛坯供应厂商都面临曲轴质量中心孔偏移几何中心孔这一难题。这就需要对毛坯的动平衡特性不断优化改进，以满足曲轴机加工质量与效率提升的要求。

以下是EA113曲轴的国产2VQS毛坯的动平衡改进方法。

该2VQS毛坯在改进前动平衡特性比较差，质量中心偏离几何中心较大，终平衡加工的1次平衡率低，且钻出的平衡孔较深，导致加工时间延长，刀具耐用度降低。

表2 钻头刀柄去重前后的不平衡量

表3 钻头刀柄去重后加工的工件终平衡工序不平衡量

由于2VQS毛坯改进前的终平衡工序不平衡量已经超出该工序的正常去重能力（见表4），为了维持生产，前道质量中心孔加工工序必须进行很大的动平衡调整值补偿（见表5），这虽然能够减小终平衡工序的去重量，但会造成粗加工工序严重不均匀切削，导致刀具的异常消耗。

图4 2VQS毛坯优化方案

表4 2VQS毛坯改进前终平衡工序不平衡量

表5 采用新旧模具锻造的2VQS毛坯质量中心孔动平衡调整值对比

根据2VQS毛坯的动平衡现状，主要不平衡量位于法兰端的195°方向，不平衡量为400 g·cm左右，以及输出端的300°方向，不平衡量为240 g· cm左右。通过CAD仿真计算对毛坯模具进行仿真改进，然后对2VQS毛坯的模具进行了改进和试加工检验。经过反复多次改进，具体改进方案为：（1）对7#、8#2个平衡块外径增加2 mm（R70→R72），增重约55～60 g，实际测量数据为R71.3；（2）对 2#平衡块上半宽度减少2 mm（58.5→56.5），下半宽度增加2 mm（58.5→60.5），但总体宽度不变；（3）对3#平衡块上半宽度减少2 mm（58.5→56.5），下半宽度增加2 mm（58.5→60.5），但总体宽度不变。最终优化方案如图4所示。

从表5可见，毛坯模具经过改进后，质量中心和几何中心偏移缩小到原来的15%左右。

表6为2VQS曲轴毛坯改进后，于终平衡测量机反馈的不平衡量。其不平衡量已经从改进前的大于500 g·cm，降低到100 g·cm以内。

表6 2VQS毛坯改进后终平衡工序工件不平衡量

通过该案例，为国产毛坯动平衡性能的改进提供了一种可行的改进参考思路。即通过对毛坯模具现有不平衡量的CAD分析，结合机加工实际，制定可行的整改方案，然后通过加工试验不断修正，最终实现几何中心与质量中心偏差的缩小的改善目标。

3.4 曲轴终平衡专机的加工精度评价和保证

EA113曲轴加工终平衡工序采用Schenck公司的曲轴终平衡专机，如图5所示。它有2个工位，分别完成曲轴终平衡的测量和平衡块的钻孔去重。测量工位的数据会自动反馈给去重工位，形成包括了角度和深度的钻孔去重的矢量数据。曲轴的最终不平衡量要求≤25 g·cm。

曲轴终平衡机的加工精度和可靠性直接影响工件的1次平衡率。为了保证曲轴终平衡专机的加工精度和可靠性，需要对动平衡测量工位和钻机工位进行定期评价，正常生产情况下检查周期为1周1次，设备进行维修或调整后必须评定合格后才能继续使用。

图5 Schenck公司的曲轴终平衡专机

（1）动平衡测量工位的评价

曲轴终平衡机测量工位，配有对应的轴型动平衡测量用标准样件。标准样件包括1根经过更高级别量仪测量的、不平衡量小于0.5 g·cm的标准曲轴，以及1套预先测量好重量的平衡砝码。该标准曲轴在轴头和法兰端平衡块0°方向上预钻好装平衡砝码的螺纹沉孔。每种轴型有对应的测量通道。每次起用新的标准样件或新的平衡砝码重量时需要标定，如标定出现变化时需要在对应的测量通道重新进行定标。

评价动平衡测量工位的准确性，就是用标准样件放入动平衡测量工位进行测量。测量分无砝码和加砝码2种状态，无砝码的状态要求不平衡量误差在±3 g·cm内，不平衡角度没有误差要求；加砝码的状态要求不平衡量误差在砝码不平衡量±5 g·cm之内，不平衡角度误差要求在±5°以内。

（2）钻机工位加工准确性评价

钻机工位的加工准确性体现在测量工位的去重矢量数据与实际去重钻孔深度的误差上，经过生产数据统计，两者的误差控制在1 mm内被认为是可以接受的。否则，应该对钻机工位进行标定，然后重新评价。

表7 动平衡测量工位和去重钻孔误差对比表

（3）终平衡机的精度保证

当工件的首次不平衡量测量在100 g·cm以下，角度在0°±45°或180°±45°范围内，而工件没有通过1次去重合格时，应该考虑对测量工位和钻机工位进行准确性评价。如果评价不合格，优先考虑的是对测量工位和钻机工位进行标定。

根据理论计算与实际验证，直径为5 mm的去重钻孔深度每偏差1 mm，影响曲轴不平衡量约2 g·cm。

3.5 质量中心孔加工的不平衡量反馈和工艺控制方法

曲轴毛坯铸造或锻造过程中，由于模具磨损或工艺控制上的偏差，毛坯质量中心与几何中心存在难以避免的偏差，为进一步减小曲轴机加工过程中终平衡工序的去重量，利用曲轴质量中心孔加工能够补偿中心偏移量的特点，本文在多年加工经验的基础上总结出一套行之有效的不平衡量反馈和工艺控制方法。

具体方法为，更换毛坯批次和每班批量加工前先取2根工件钻好质量中心孔后加工至粗加工序结束，然后至终平衡机进行不平衡量测量反馈，得到的数据如小于100 g·cm，不平衡量的角度处于0° ±45°和180°±45°的区间内（见图6）。理论上工件在AF190终平衡机通过1次平衡就能达到合格的平衡量25 g·cm以下，如平衡数据如大于100 g· cm或不平衡量的角度处于0°±45°和180°±45°的区间以外的区域，则工件在AF190终平衡机至少要平衡2次才能达到合格的平衡量25 g·cm以下，这种情况下需要补偿质量中心孔专机的中心偏移量。

如果存在超差的不平衡量反馈值，工件不平衡量反馈值见图7，其质量中心孔的中心偏移量调整方法如下：

Z(轴头：P1)：

角度=10°，不平衡量=200 g·cm

F(法兰P2)：

角度=185°，不平衡量=150 g·cm

调整偏移量为：

P1平面偏移量：

V1=-0.40 mm，H1=-0.50 mm

P2平面偏移量：

V2=+0.30 mm，H2=+0.40 mm

图6 曲轴毛坯不平衡量分布

图7 曲轴毛坯不平衡量反馈

不平衡重心点落在不同坐标象限区域，则可按照调整示意图位置调整V平面或H平面。调整方向亦可按照落点位置的不同而调整正、负方向。每次补偿质量中心偏移量后，必须重新进行不平衡量反馈测量确认。

4 结论

影响曲轴最终平衡量的因素较多，提高曲轴终平衡1次平衡率，最大限度地减少终平衡去重时的钻孔深度是一个包括设备、毛坯、刀具和工艺控制在内的系统问题。科学合理地判断和分析各种影响曲轴不平衡量的不利因素，采取对应措施，能够显著提高加工质量和生产效率。

通过对EA113汽油机曲轴机加工动平衡问题的系统研究及解决，EA113汽油机曲轴终平衡加工1次平衡率从65%提高至现在的90%，终平衡工序加工节拍从原来平均83 s提高至现在的75 s。

Systematic Studying and Resolving of the Problem of Crankshaft Dynamic Balance in Machining Process

Feng Bo,Zhang Minhui
（Shanghai Volkswagen Co.,Ltd.,Shanghai 201805,China）

Through systematic study the facts influencing the amount of unbalance of crankshaft in machining process such as machine,tools,crankshaft blank and manufacturing process,corresponding improvement measures were designed and implemented to deal with the problem.The result shows that measures have exactly improved machining quality and efficiency.

crankshaft,machining,dynamic balance

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.009

来稿日期：2012-01-19

冯波（1975-），男，工程师，主要研究方向为发动机曲轴及凸轮轴加工工艺和质量控制。