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曲轴粗加工工艺的演变及其定心模式分析 |
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作者： 来源：雅式工业专网 |
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作为发动机心脏的曲轴，其采用的加工工艺的演变，很大程度上也是现代先进制造技术发展历程的一种体现；而另一方面，纵观国内外不同年代建成的生产线，通过透视那些有一定知名度的大中型企业规划时所作的工艺选择，往往又能总结出它的发展趋势，从而获得有益的启示。
曲轴粗加工工艺的发展和演变
曲轴粗加工工序主要包括：在完成了工件毛坯铣两端面和打中心孔後，对主轴颈和连杆轴颈以及法兰和轴头实施的加工，有时还需按某些产品的要求，对平衡块的侧面进行加工。
1.发展演变
上世纪70、80年代，曲轴粗加工采用的方式经历了由多刀车床车削的传统工艺逐渐过渡到以采用CNC车削、CNC外铣加工为主的工艺发展历程，使工件的加工精度、适应多品种生产的柔性和质量的稳定性都有了明显的改善。
上世纪90年代前後开发出的曲轴车拉、车-车拉工艺，更以所具有的加工精度高、工作效率高等一系列优点，被证明特别适合於那些平衡块侧面不需要加工且轴颈有沈割槽（包括轴向沈割槽）的曲轴。由於经这样加工後的工件可以直接进行精磨，从而又省去了精加工阶段的粗磨工序。
20世纪90年代中期，又开发出了CNC高速外铣，它对平衡块侧面需要加工的曲轴，较之CNC车削、CNC内铣、车-车拉等工艺，具有更高的生产效率。
进入21世纪，复合加工这一新的制造理念已开始进入曲轴的生产过程。一些不久前开发出来的复合机床具有工序集成功能，可以将多种加工的要求集成於一身。如某卧式车铣复合加工中心，就能在工件进入热处理之前“一次装夹，完全加工”，完成所有的曲轴粗加工工序。
由以上演变可以看出，曲轴的加工工艺正向着高速、高效、复合化方向发展。目前较为流行的粗加工工艺是主轴颈采用车-车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速随动外铣，全部采用干式切削。
2.新旧工艺的对比
图1和图2是典型的新旧两种工艺方案。图1是一条建成於上世纪80年代後期的曲轴生产线工艺流程中的粗加工部分，从图中可见，最终完成主轴颈和连杆轴颈粗加工的是CNC数控车床。但鉴於当时机床的性能水平，为了达到必要的制造精度，之前还需要利用被企业称为“旋风铣”的外铣方式先对工件毛坯的轴颈外圆进行一道加工。图2是一条建成於不久前（2005年左右）的曲轴生产线的三道主要粗加工工序，从图1和图2所示的工艺流程对比中可以看出，采用高效的车-车拉和CNC高速外铣这两道工艺，不仅提高了加工精度和工作效率，更提升了制造过程的工序集成度。
图1 早期曲轴粗加工工艺流程示意
图2 近期曲轴粗加工工艺流程示意
但在以上叙述的曲轴粗加工工艺的演变过程中，还有一道很值得引起关注的工序，那就是作为之後各道工序基础的加工中心孔，即“定心”工序，本文将就此展开较深入的探讨。
几何定心模式成为发展趋势
1.几何/质量定心应用介绍
曲轴定心工序采用的方法有两种：几何定心和质量定心。前者以工件两端主轴承颈外圆为径向基准，以中间主轴承止推面为轴向基准，形成了位於曲轴的几何轴线上的两端中心孔；後者是先通过两端的浮动支承，对曲轴进行动平衡，再按此找出的质量轴线继而加工出中心孔。
几何定心作为一种传统的工艺方法，普遍用於各种轴类零件的加工，是之後各道工序运行的基础。但鉴於曲轴是一种典型的不对称、不规则零件，形状复杂，在毛坯精度不太高的情况下，必然会产生按几何定心法形成的几何轴线偏离客观存在的质量轴线的问题，由此会带来曲轴在进入（终）动平衡工序之前的不平衡量可能过大，终平衡中工件去重过多，甚至会出现无法达到动平衡要求的情况。
正是在这样的背景下，出现了借助高效专用设备的质量定心工艺，并从上世纪50年代起在欧美各大主流汽车发动机厂得到了日益广泛的应用。20多年前，国内建立最早、技术水平堪比当时国外水平的现代企业，如东风康明斯、北京吉普、上海大众等，在曲轴生产线上均采用了质量定心方式。
2.几何定心逐渐成为主流
笔者近期对国内30多家主要汽车发动机厂（含少数柴油机厂）的60余条曲轴生产线进行了调查，期间还与相关工艺规划人员进行了有针对性的探讨。事实表明，无论是新线筹建还是老线更新、改造，在制定曲轴定心工序时，优先选用几何定心方式已成为一种趋势，图3中表示的变化趋势直观地说明了这一点。
图3 曲轴定心工艺选用比率反映的趋势
需要指出的是，20多年来国内汽车行业的快速发展促使生产能力不断增加，表现为在相等时段内新建生产线数量的不断上升。以这次调研所采集的样本为例，从下表1可以明确地看出这种增长的势头。 表1 不同时段新建线数量所占比例统计
 表1也进一步证明了几何定心工艺的发展优势，这一点随着新线数量的迅速增加而显得更加清晰。而众所周知，就技术而言，质量定心工艺能获得更好的曲轴动平衡效果，那又是什麽原因使传统的几何定心方法重新又取得主流地位呢？
两种工艺模式的技术经济分析
1.几何定心模式在国内效益已经显现
曲轴毛坯主要有铸铁和锻钢两类，采用铸铁毛坯的占极大多数，目前国产化的程度已很高。那麽国产毛坯质量如何呢？可以说，至少在基本满足曲轴动平衡这一点上，国产毛坯已经经历了较长时期的实践检验。
上海通用提供了最有代表性的例子：自1997年至2005年，在上海建成的三条排量2.0L~3.0L的曲轴生产线，以及这前後在山东建成的三条排量1.6L~1.8L的生产线，全部都采用几何定心工艺，而这些产品中曲轴的不平衡量允值均为10g•cm。而一般情况下，轿车发动机曲轴的这项指标大约在10~30g•cm范围内，故通用执行的标准是比较高的。
而曲轴毛坯的供应商上海圣德曼只是一家很普通的合资企业，其前身是一个地方国企，但随着经验的积累和制造质量的不断改进，事实上已达到和适应了技术要求还比较高的美国通用汽车产品的需求。仅这个实例就充分说明了采用几何定心的可行性。
下面通过几何定心和质量定心两种工艺的运行概况，进一步对这两种工艺模式进行技术经济分析。
2.几何定心工艺的运行概况
从前面图2所示的曲轴粗加工工艺流程可知，打几何中心孔和铣工件两端面是在第一道工序OP10 中同时完成的，曲轴的粗加工阶段经OP20的车-车-拉和OP30的高速外铣基本完成。然後通过生产线旁的一台人工动平衡机（即打孔、去重操作需在另一台专用钻床上人工进行），利用不同批次的毛坯，对粗加工後的半成品进行测试，从而测得结果。
图4 粗加工後工件的不平衡量分布榜
试验用毛坯来自上海圣德曼，产品是1.6L的发动机曲轴，不平衡量是25g•cm。图4是实测所得不平衡量的分布概况，从图中可见，小於100g•cm的半成品占了大部分，而这一点对之後的终平衡有很大影响。
终平衡一般都由自动化设备执行，也就是在第一步自动测出工件的初始不平衡量後，根据设定的次数，通过钻孔去重使曲轴的不平衡量小於允许值。
多数企业将设置的次数定为2，也就是若经过第2次去重还不低於额定值，这根工件将被剔出。图5是终平衡结果的分布示意，由此可见，经一次去重完成这道工序的占大多数，真正因为无法修正而被剔除的仅占3~5%，这些工件将被送至图2中的人工动平衡机那 处理。
图5 终平衡的结果分布
以上试验结果虽然只是出自某一企业的特定案例，但也有相当的代表性，据2008年投产的神龙汽车一条1.6L发动机曲轴生产线提供的情况，经终平衡後直接合格的工件比例约为96%，而该线选用的工艺也是几何定心。
3.质量定心与几何定心的运行效果比较
为便於叙述，把曲轴毛坯打中心孔後的不平衡量称为“原始不平衡量U0”，经粗加工之後的不平衡量称为“初始不平衡量U1”，进入终平衡前的状态称为“初始不平衡量U2”。图6是分别执行几何定心和质量定心工艺时的各个阶段工件的不平衡量与加工进程之间关系的简单示意。
图6 不平衡量随加工进程的动态变化
图中位置“0”指示的是原始不平衡量U0，而位置R和F为结束粗加工阶段後的初始不平衡量U1和完成终平衡、最後达到允许值时的Uf，该图清晰地表明了当采用两种不同工艺方法时各阶段不平衡量的差别。
事实上两者间的最大差值只是发生在刚打完中心孔时，在粗加工期间，工件的不平衡量会呈动态变化，按几何中心加工的会减少，而按质量中心加工的则变大，这是一个普遍规律。
正因为如此，即使在采用质量定心时，为确保动平衡效果，在面对如下一些情况时，生产部门往往还会采取一些预检、预调措施：
—毛坯质量较差或不太稳定
—毛坯材料不是铸铁而是锻钢
—曲轴所配的发动机排量较大（1.8L或以上）
—其他
最常用的做法是每班一次或二次（一般在早晨或午後刚上班时）从粗加工完毕後的工件中连续抽取3~5根，置於生产线旁的人工动平衡机进行测试，若初始不平衡量超过100g•cm，就需对定心机床的打中心孔动力头进行微调。
若用U表示不平衡量，以w表示工件的重量，则微调量r可以通过以下公式得到：
当工件质量约为20kg时，临界状态下的调整量r为0.05mm。鉴於不平衡量U为一向量，在设备上指示出U值的同时还会给出一个角度，分别取r与该角度余弦、正弦的乘积，即可获得确切的动力头沿水平、垂直方向的调整量x、y，从而完成了预调操作。
注意，上述临界值100g•cm只是针对某型发动机曲轴加工而内部设定的，其不平衡量允值为25g•cm，不同情况下应根据经验自定。
在经过以上的预检、预调步骤後，可以确保终平衡时的一次合格率超过90%，二次不合格率基本降为零。
上述这种回馈补偿性质的调整操作，其实一样适用於几何定心工艺过程。
一般来说，当生产线的运行水平达到上一节中图3、图4的状态时，并不会实施这一操作。而对於小排量（1.6L及以下）发动机曲轴的铸铁毛坯来讲，偶然出现终平衡不合格率过高时，就会采取类似上面的针对性措施，即抽取、检测若乾根粗加工後工件的初始不平衡量U1，据此来调整工序OP10机床打中心孔的动力头位置。当然，必须注意实施这项操作前後的毛坯是同一批次的，否则就失去了意义。
4.小结
对於前面的表述、分析做一个归纳，有以下几点可供参考。
•若纯粹从技术角度进行比较，相比几何定心工艺，执行质量定心的最大优点是其工艺特点保证了进入“终平衡”前的初始不平衡量U2较小，从而减少了去重量，缩短了终平衡时间，提高了一次合格率。由於过度的修正（去重）会恶化发动机内部的质量补偿，影响其功能，因此这样通过采取“减少去重量”的措施，会产生很好的效果。
• 但另一方面，同样是由工艺特徵决定，在进入粗加工工序後，按几何定心方式又显现了加工余量比较均匀的优点，而采用质量定心有时候就会遇到这方面的问题，且受毛坯质量影响较大。
• 事实表明，无论执行哪一种曲轴定心工艺，对毛坯质量带来的影响都是很大的。前面曾介绍过的通过抽检、分析样本，对打孔动力头位置进行微调的补偿措施，其实就是弥补毛坯的系统性缺陷的一种方式。不过，这 提到的毛坯必须是同一批次的。
• 若从经济性考虑，采用质量定心工艺由於占用设备多，而专用质量定心设备的价格又极其昂贵，因此完全无法与几何定心工艺抗衡。後者的工艺集中度高，从图2可见，铣两端面和打中心孔是在一台机床上完成，不但占据空间少，投资更是省了很多。
综合以上这一切就可以理解，近10年来在曲轴加工过程中，无论国内还是国外，几何定心工艺已逐渐成为主流。
不可否认，质量定心工艺的优越性决定了它仍将占有相当的份额，除了沿用多年前建成的老线外，从图1可见，也还有不少近年来建成的新线。调研表明，这些新线主要集中在排量较大的汽油机或多缸柴油机，且往往用的是铸钢毛坯，而另一个要素是企业在规划中列入这笔投资的可能性。
提升曲轴动平衡运行水平的CDM技术
1. CDM技术开发背景
综上所述，曲轴动平衡的运行水平并非就是最後能生产出符合不平衡量允值要求的工件，而是牵涉到很多因素，如定心後加工过程的平稳（均匀）性、修正（去重）时间、去重量、一次合格率等多项因素。
虽然提高毛坯的制造精度和质量是最为重要的，但通过前面的介绍和分析，一个显而易见的事实是：若能减少进入终平衡工序前的工件的“初始不平衡量U2”，就将有效地提升动平衡的运行水平。前面提到的已在一些企业采用的“抽检、调整”这种回馈补偿措施，意欲达到的目的也即在此。
然而，其不足之处很明显：虽然同一批次毛坯的状态有规律性，但以个别样本的测试结果作为调整依据必然会带来较大偏差，尤其“不平衡量U”乃是一个向量，涉及量值和方向（位）。
正是深刻地意识到了这一点，且看到了近年“曲轴定心工序”的走势，设备供应商才适时地推出了运用了现代资讯技术的CDM系统（Centering Data Manager），即“定心数据处理”，以有效地提升曲轴动平衡的运行水平。这项技术既可用於质量定心，也可用於几何定心，但显然今後必然以後者为主。
2. CDM工作原理和操作步骤
CDM系统的工作原理和具体操作步骤如下：
• 取同一批次毛坯的、经粗加工後的工件作为样本，数量在30~50件之间，利用图2中的人工动平衡机逐一测试，结果会自动保存在机器的控制器中；
• 调用控制器中的CDM系统，自动对样本的测试值、即初始不平衡量U1进行处理，将得到两项统计分析的结果：
—通过图、表来显示该样本，确切讲是这一批次毛坯的统计特性。
图包含分组（直方）、平均值、标准偏差等几种，但最直观和最重要的还是以圆作为置信区间来表示样本分散性的统计图—“统计散点圆”。
—经自动统计计算後求得图2中OP10定中心孔机床两端动力头的确切调整值，即位移量。
其中“1”和“2”分别表示固定的装夹端，在图7a中，1为法兰端，2为轴头端。而在图7b的表中，不平衡量U1是反映在紧靠法兰端和轴头端的“校准面1”和“校准面2”（其实就是曲轴两侧的二个去重面）上，表中用Plane1和Plane2表示。图7a中的红、黄两个“统计散点圆”，各自代表了法兰和轴头这两端的情况，而图7a左下方框中的H和V表示了水平方向和垂直方向。
通过对50个样本不平衡量的实测结果及CDM系统据此的统计计算，得出的相应调整值清晰地出现在上述图7a的左下方框中。图7右边表中的统计特性值包括不平衡量U1的平均值、U1在H和V方向分量的平均值、U1及其H和V分量的标准偏差、置信度分别为99.73%，99%、98%和95%时的“统计散点圆”半径等。
但一般情况下，企业尤其是生产部门很少会用到表中的这些统计特徵值，只是在对比毛坯或加工过程状态时有可能会涉及。实际应用最多的还是那个位於极坐标中的散点图（图7a），图中众多的“×”和“+”标识分别表示50个样本经测试後在校准面1和2处的不平衡量向量。经统计计算後，最终形成对应一定置信度的的两个圆，它们的半径取决於样本测值的分散性。
由图7b的表中可见，在校准面1和2处的初始不平衡量U1的（向量幅值）平均值分别为50.85g•cm和92.55g•cm。经过CDM系统测算给出OP10工序定中心机床的两端的调整量则出现在图7a的左下方，分别为：V1=0.019mm，H1=-0.084mm；V2=-0.288mm，H2=-0.102mm。
3. CDM操作示例
图8是一个来自实际的示例。为了验证CDM系统的应用效果，在对OP10工序机床按上面的统计分析结果进行调整之前，首先对用同一批次毛坯加工的工件在进入“终平衡”之前的初始不平衡量U2，通过抽取一定数量的样本了解其真实状态。然後再调整机床，经过一段时间後，按同样方式抽取样本，比较二者的测试结果。 
由於终平衡机在进行去重操作前必须先对工件进行一次测量，并保存测得值，且其控制器中也安装了CDM系统，因此可以较方便地获得经统计处理後的结果。图8a、b分别是执行CDM，也即机床调整前後的“统计散点圆”，可直观地发现，经调整後的散点分布有了较明显的缩小，意味着过大的初始不平衡量U2的数量减少。下面再从定量的角度加以考量，见表2。表2 CDM应用效果的验证
 表2提供了经过统计计算後得到的两者的U2向量幅值的平均值比对，清晰地显示了一定程度的减少。客观地说，由於这一批次毛坯的质量还是不错的，故从上面可知，在校准面1和2处的初始不平衡量U1的水平仅为50.85g•cm和92.55g•cm，均小於100g•cm。在这种情况下，利用CDM技术进行回馈补偿的效果必然受到影响。
最後需要指出的是，取粗加工结束後的工件作为样本会有较大的测试工作量，故也可采用另一种更便捷的方法，即直接从终（动）平衡机的控制器中采集一定数量的初始不平衡量U2作为样本，然後利用该控制器带有的CDM系统进行处理。不过，就回馈补偿的合理性和相对加工进程的影响而言，采用前面的做法更为适宜。(end)
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(9/21/2009) |
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