曲轴几何定心和质量定心对加工的影响

吴明杰 谢安

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007

1 引言

为了深层次对“几何定心”和“质量定心”进行剖析，本文主要从“几何定心”和“质量定心”的定义，以及这两种定心方式在实际加工过程中对刀具使用寿命、工件加工质量、工件初始不平衡量等方面的影响进行论证，为后续曲轴生产线项目建造中曲轴定心方式的选择提供理论和实践支持。

2 几何中心和质量中心定义

几何中心是一个几何概念，与物体的质量无关，只和物体的形状有关，曲轴的几何中心是指主轴颈外圆中心，曲轴两端主轴颈外圆中心连线则是曲轴的几何中心线；质量中心则是一个质量概念，是指物体质量的中心，曲轴的质量中心通过质量定心机测量获得，质量中心的连线则是曲轴的质量中心线。当一个物体几何形状旋转均匀对称，各个点的质量密度完全一致，则这个物体的几何中心线和质量中心线是重合的。但是，实际上曲轴的形状不可能是完全旋转均匀对称的，质量密度也不是一致的，所以，曲轴的几何中心线和质量中心线不完全重合，如图1所示。

图1 质量中心线和几何中心线

通过几何中心和质量中心的定义可知，曲轴使用不同的定心方式所加工出来的中心孔位置是不一样的，使用质量定心加工将会导致后工序加工各轴颈圆周切削余量存在较大差异，刀具在切削过程中刀具切深会产生较大变化，刀具受力也会发生较大的变化，从而导致刀具过快磨损；使用几何定心则会导致曲轴最终动平衡前的初始不平衡量大，动平衡节拍增加，工件报废率上升。

3 几何定心和质量定心对刀具寿命的影响

曲轴几何定心是以曲轴外端主轴颈几何中心为基准加工中心孔，曲轴质量定心是以曲轴外端主轴颈质量中心为基准加工中心孔，由于几何中心和质量中心不重合，中心孔加工的位置也会不同，总体来说，以几何中心加工的中心孔位于轴颈几何形状的中心上，后工序加工在轴颈圆周上的切削余量均匀，如图2所示，刀具受力变化小，寿命相对来说要高一些。相对而言，以质量中心加工的中心孔常常由于工件的形状差异、质量密度差异而偏离轴颈几何形状的中心，后工序加工在轴颈圆周上的切削余量不均匀，如图3所示，质量中心偏离几何中心越大，切削余量不均匀程度越大，刀具加工过程中受力变化、振动也越大，刀具的使用寿命越低。

图2 几何定心加工特征

图3 质量定心加工特征

以我司目前运行的两条生产线为例，一线采用的是几何定心加工，二线采用的是质量定心加工，在OP15粗铣主轴颈、连杆颈工位，通过加工状态可以看出，采用几何定心加工的工件轴颈圆周切削余量都比较均匀，如图4所示；而采用质量定心加工的工件，无论是主轴颈还是连杆颈加工，轴颈圆周切削余量都会存在明显差异，如图5所示。

图4 几何定心——切削余量均匀

图5 质量定心——切削余量不均匀

图6 几何定心刀具磨损状态

使用同批次刀片、相同的加工工艺，一、二线加工的刀具在加工1000件工件后道刀具的磨损存在明显的差异，如图6、图7所示，这就导致了使用质量定心加工的刀具寿命低于几何定心加工，见表1。

表1 一、二线刀具耐用度明细表

图7 质量定心刀具磨损状态

4 几何定心和质量定心对加工质量的影响

几何定心由于轴颈圆周切削余量均匀，刀具受力平稳，工件加工表面无震纹，加工尺寸比较稳定；质量定心则可能会由于工件形状变化、质量密度不均匀等原因，使质量中心偏离几何中心较大，导致刀具在切削过程中受力变化大，致使加工过程中异常振动，工件表面加工会存在震纹，并且由于受力的变化，工件加工过程中会产生较大的变形，工件加工表面圆度、轴颈跳动都会变大，如图8、图9所示。

5 几何定心和质量定心对初始不平衡量的影响

采用几何定心加工，随着曲轴材料去除面积和材料去除量的增加，曲轴绕着中心线圆周方向的质量分布逐渐趋于一致，初始不平衡量会减少，但是相对质量定心来说，曲轴的初始不平衡量还是比较大，这就导致了曲轴最终动平衡时需要去重较多，导致平衡孔数量增加、平衡孔深度加深，从而造成加工节拍超差，严重的还会导致曲轴无法去重到工艺要求的不平衡量范围之内，导致工件报废。一般的做法需要根据最终动平衡加工的数据反馈，调整中心孔加工的位置，如图10所示，通过补偿中心孔的位置度，减少工件动平衡前的初始不平衡量，从而降低动平衡加工节拍。

图8 几何定心加工轴颈跳动情况

图9 质量定心加工轴颈跳动情况

图10 根据动平衡加工数据反馈调整中心孔位置

图11 根据粗加工不平衡量和最终动平衡数据反馈调整中心孔位置

采用质量定心加工，由于质量定心机已经把毛坯工件的质量中心线找出来，中心孔根据质量定心机反馈的数据进行加工，所以，曲轴在加工中心孔后所获得的初始不平衡量相对来说会小很多，但是随着后工序车削主轴颈、铣削连杆颈等工序的加工，工件获得的初始不平衡量也会发生变化，甚至会变得更大，而且，工件以质量定心方式加工，切削余量可能存在严重的不均匀，工件加工表面会产生“黑皮”。因此，通常需要在粗加工完成后重新测量工件初始不平衡量，根据粗加工后是否存在“黑皮”以及所获得的不平衡量大小和角度，对质量定心机进行补偿，以使工件完成粗加工后能获得更恰当的初始不平衡量。此外，为了兼顾曲轴最终动平衡加工节拍、降低动平衡报废率，通常还需要根据最终动平衡的生产情况对加工两端中心孔的位置度进行适当补偿，如图11所示，使整线生产的加工成本、生产效率、工件报废率达到最优的状态。

6 结束语

几何定心和质量定心的差异主要受工件的几何形状以及质量分布均匀性的影响，生产线采用几何定心还是质量定心，除了考虑设备投资成本以外，主要考虑生产线生产的产品品种多样性、差异性以及同种产品不同模号的一致性。通常多产品共线或共线产品差异大宜采用质量定心，单一产品或共线产品差异性小，宜采用几何定心。