盘类转子立式平衡机夹具形式研究

孙强

摘要：随着发动机技术的不断发展，对发动机上一些盘类转子的动平衡质量要求也越来越高，动平衡工艺已经成为机械制造领域中一项非常重要的内容。通过长期跟踪我公司生产现场的动平衡工序的生产过程，我们对动平衡失效及平衡机故障情况进行了总结，分析了动平衡工装夹具对动平衡测量精度及稳定性的影响，讨论了适合不同类型盘类转子的动平衡夹具结构及装夹方式。

关键词：盘类转子；动平衡；工装夹具；装夹方式

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2016.08.057

中图分类号：THl31

文献标识码：A

文章编号：1671-1580（2016）08-0181-03

进入现代社会后，为了满足生产的需要，机械逐步向精密化、大型化、高速化的方向发展，这时出现的最大障碍就是振动问题，与过去的低速、小输出的机械相比，现代高速高精度的机械由于振动而损害机械性能的比例要大得多。

在产生振动的各种原因中，无论是过去还是现在最主要的是“不平衡力”。在机械中必然存在运动的部分，这一部分的质量如果具有加速度，就会产生惯性力（旋转质量的离心力等），这种惯性力如果在机械的运动部分内部没有得到很好的平衡，则与不平衡相应的力就会作为动载荷作用于机械的静止部分，从而引起振动、噪声或性能的下降。为了避免产生这些现象，就需要改善运动的质量分布，消除不平衡力，这就是所谓平衡。

一、飞轮的平衡

汽车、客车、轮船和挖掘机等使用的发动机就是典型的精密化、高速化的现代机械。在发动机上有一些高速旋转的转子零件，如曲轴、飞轮、皮带轮、离合器等。飞轮是装在发动机曲轴后端的较大的圆盘状零件，它具有较大的转动惯量，具有以下功能：①将发动机做功行程的部分能量储存起来，以克服其他行程的阻力，使曲轴均匀旋转；②通过安装在飞轮上的离合器，把发动机和汽车传动系统连接起来；③装有与起动机接合的齿圈，便于发动机起动；④调节共振频率等功能。

伴随着我国汽车工业的飞速发展，人们对轿车质量的要求不断提高。增加安全、提高寿命、减少振动、降低噪声已是当务之急。发动机可以说是各动力机械的心脏，其质量好坏、运行状态直接影响整个机械系统的性能，因此汽车的发动机，不但整机需要进行振动测试和平衡，它内部的关键零部件也需要进行平衡。飞轮齿圈总成作为汽车发动机中质量最大的关键旋转部件，对于汽车的平稳性起着至关重要的作用。

由于飞轮在铸造、锻造、滚轧、压形、挤压等过程中质量的分布不均匀（铸造气孔、砂眼等）；制造时型芯中心线与旋转轴线不一致，或型芯与旋转轴不对称；在加工过程中机械加工表面的容许误差产生质量分布的不均匀；由于设计或制造上的限制，旋转体的组成部分不对称；车加工、钳加工过程的残余应力逐渐消失后造成质心位置的改变，加热装配齿环时的受热变形等因素，会造成飞轮在转动时产生不平衡。飞轮是发动机的关键安全件，由飞轮的不平衡而产生的动压力作用在轴承上，产生磨损和振动，缩短了发动机的使用寿命，并产生噪声，进而造成发动机及车体各部件的损坏。需要强调的一点是，引起飞轮不平衡的原因虽然很多，但是，如果飞轮一制造出来就不平衡的话，想通过做动平衡以外的方式使飞轮平衡几乎都是徒劳的，因此飞轮总成在装机之前进行平衡检测，在汽车制造行业是必不可少的工序。

二、影响平衡精度及稳定性的因素

为了改善飞轮的质量分布，消除不平衡力，在飞轮的加工制造过程中都存在着动平衡工序，有的如双质量飞轮还有多道动平衡工序。飞轮的动平衡工序一般采用单面立式硬支撑平衡机。该类型平衡机的优点是：结构相对简单，模块化的设备构成形式，便于更换和维修；效率较高，主轴上安装的夹具可以根据需要进行调换，装夹快速，适合不同产品的成批量生产；单面立式硬支承平衡机的缺点是：稳定性欠佳，经常会发生工件180°转位复测误差大、去重修正后工件平衡量超差、反复启动测量的重复性再现性差等失效模式，需要频繁的对设备进行定标、电气补偿和参数调整。

影响测量稳定性、准确性的因素非常多，例如：有生产现场的环境问题（如周围设备的干扰、现场的温湿度条件等），有平衡机自身的测量精度和灵敏度的问题，有飞轮铸件内部质量分布（密度不均匀）问题，有飞轮表面机械加工的精度、定位面的加工精度问题，还有工装夹具的加工精度和装夹形式等问题。

通过对我公司生产现场平衡工序的长期跟踪，对所发生的失效、故障等情况进行总结分析可以发现，造成测量结果不准确、不稳定，有80%都是工装夹具引起的，例如：工装的零部件产生了松动、磨损、甚至断裂；工装与工件接触的定位面选择的不当、装夹方式选择不当；工装的装配与安装没有保证一定的精度；工装自身的不平衡量没有得到有效的控制或消除。因此，对动平衡工序的工装夹具进行研究和实验是非常有必要的。

三、动平衡工装夹具的形式

（一）简易的夹具结构

我公司初期使用的工装夹具形式是工件由定位柱支撑，工件的中心孔与夹具的芯轴配合，上面由大的螺母来压紧，防止工件与夹具发生相对运动。该种形式的夹具制造周期短，成本低，比较适合于产品开发阶段的试生产。但是该种类型夹具的缺点也是显而易见的，一个是效率特别低，每次装夹都要进行螺母的拧紧与松开；再一个是这种夹具对工件中心孔径的尺寸精度要求较高，一旦工件的中心孔直径尺寸在加工时产生了波动，其对测量结果将产生巨大的影响；最后，这种夹具形式对芯轴的加工精度要求较高，尤其是芯轴与中心孔以及回转中心的同轴度要求一般要控制在0.01以内。

（二）锥体作为定位座的夹具结构

由于第一种夹具形式的缺陷十分明显，因此此类夹具形式在生产现场已经很难见到。目前采用比较广泛的一种装夹结构，与第一种形式一样是由定位柱支撑工件，以工件的中心孔定位，但是采用了一种锥套与胀瓣的结构。夹具中的拉杆带动胀瓣向下运动，受定位锥体与工件中心孔的影响，胀瓣将工件胀紧，便可以进行测量。这类结构只要保证定位锥体在回转中心，胀瓣这种结构在胀紧的过程中会自定心，同时取消了人工的夹紧过程，采用气动元件向下拉动拉杆即可实现装夹，效率与测量的精度都得到极大的提高。

不过此种形式的夹具也存着一些缺陷，首先是结构复杂了，增加了许多零部件，每增加一个零部件就多了一个不稳定的因素，这就对夹具整体的装配精度有了一定要求，经过长期的摸索，一般各部件间的同轴度与平行度保证在0.03以内，胀瓣内部与定位锥面的接触面积要大于80%，就可以保证测量结果相对稳定；其次，为了工件取放的方便，就一定要求胀瓣与工件中心孔存在一定的间隙，而且长时间使用后这个间隙会越来越大，这就可能导致工件在装夹时没有放平，虽然胀瓣具有一定的自定心能力，但是受到工件自身重量、定位柱的磨损、工装的装配精度等因素的影响，仍然无法完全保证工件夹紧时是水平的。夹具精度较差时，在每次夹紧或松开时工件会因受力而跳动，这就很难保证重复测量结果的再现性与一致性；再次，这类夹具在夹紧的过程中，胀瓣与工件的中心孔有一个上下的相对运动，对于厚重的铸铁飞轮影响倒是不大，但是一旦应用到薄板类结构的挠性飞轮，这一相对运动就会造成挠性板的变形，而且变形量与变形的方式完全无法预测，这就直接导致了测量的结果有1g·cm到6g.cm左右的误差，大大降低了平衡机测量的精度。

（三）胀瓣作为定位座的夹具结构

针对第二种夹具的不足，对胀瓣和锥体的结构进行调整，便得到第三种夹具形式。此种形式的夹具将胀瓣作为底座固定在托盘上，拉杆做成锥体，气动元件带动拉杆向下运动时，胀瓣受到锥面的挤压进而将工件胀紧。该结构一方面减少了零部件的数量，减少了可能失效的模式；另一方面胀瓣与工件的接触面不再有上下的相对运动，工件很难会因受力而发生跳动，薄板类的零件也不会因为受力而产生无法预计的变形，测量的稳定性得到很大的提高。

经过生产现场的使用，效果非常明显，基本上可以保证转位复测的精度在平衡机自身的精度范围内（0-4g·cm）。经过MSA测试，其重复性再现形GR&R%<10%，量检具准确精度能力系数CGK>1.33，完全符合我公司的使用要求。

可以说这种结构的夹具极大的消除了工装夹具对测量结果和平衡机稳定性的影响，但是这种结构依然不够完美，受到胀瓣结构的制约，拉杆与胀瓣底座之间没有防转定位销，由于平衡机是测试高速旋转工件的机械，长时间使用后难以保证拉杆与胀瓣不发生相对的转动，这就需要定时对夹具自身的不平衡量进行电气参数补偿，并通过标准样件的复测来验证；另外，该结构的胀瓣定位座的结构较为精密和复杂，对加工精度的要求和加工的周期都有影响。

在下一步的夹具设计方案中，拟采用双锥形结构，同样可以起到避免夹紧时工件发生变形或产生位移，也可以降低拉杆与定位锥套发生相对旋转的可能性。方案是否可行以及使用的具体效果还有待生产过程的验证。

四、小结

综合以上对三种夹具形式的分析与总结，我们可以得出如下结论：第二种形式的夹具适合自重较大，具有一定厚度的重型盘类转子的动平衡测试，第三种夹具形式的夹具适合与重量较轻，薄板型盘类转子的动平衡测试。

因盘类转子的结构形式不同，夹具的形式也不尽相同，不管采用何种形式的夹具，基本的设计思路都是类似的。首先，要保证支撑面与定位面的加工精度和装配精度，尽量减少零件的装配，越多的装配也意味着越多的误差、越多的失效模式；其次，要尽可能的保证夹具各零部件的自由度要少，避免在高速旋转过程中夹具的零部件松动而干扰测量；再次，尽可能的减少夹具与工件间的相对运动，夹具与工件的相对运动一方面对工件可能造成损害，另一方面每次夹紧后的位置与平行度都难以保证；最后，要控制夹具自身的不平衡量，多数的动平衡工装夹具都采用对称的结构，从设计上减少外形不对称产生的不平衡量，根据我公司目前的生产情况来看，夹具自身的不平衡量必须控制在100g·cm以内，以30-50g·cm左右为最佳状态。