曲轴是发动机的关键零部件之一，作为发动机中主要的动力输出轴，曲轴的质量直接影响发动机的可靠性，而曲轴不平衡量的大小则是影响到发动机能否平稳运转的重要指标。曲轴在高速运转工作中，由于材料分布的不绝对均匀以及机械加工过程中因为毛坯材质不均与形状不对称、加工误差等原因，导致重心偏离旋转重心，使曲轴在围绕其轴线旋转时会产生不平衡离心力。这种不平衡离心力会引起曲轴弯曲变形，同时引起发动机振动，产生噪声并加速曲轴接触部位磨损，不但严重影响曲轴的性能和寿命，甚至会碾瓦导致发动机工作停止，造成严重后果，因此曲轴动平衡工艺对曲轴来说至关重要。

国内众多曲轴线生产中多采用在平衡块上打孔去重方式使曲轴动平衡量达到许用不平衡量值，但是由于种种因素对动平衡的影响，实际生产过程中往往需要经过多次动平衡、去重打孔才能达到允许的动平衡精度要求，会造成工位加工时间长、不能满足生产节拍要求，同时造成刀具消耗过快、劳动效率浪费等情况，为此，如何实现曲轴初始动不平衡量在一个较小范围且可平衡的位置成为各毛坯供应商首先需要解决的问题。

相关术语及过程分析

1.动平衡相关术语

(1)不平衡量：转子某平面上不平衡和量值大小，不涉及不平衡的角位置。它等于不平衡质量和其质心至转子轴线距离的乘积，不平衡量单位为g.mm或g.cm，俗称“重径积”。

(2)不平衡度：转子某平面上的不平衡质相对于给定极坐标的角度值。

(3)初始不平衡量：平衡前转子上存在的不平衡量。

(4)许用不平衡量：为保证机械正常工作所允许的转子剩余不平衡量，该指标用不平衡度表示时，称为许用不平衡度。

(5)剩余不平衡量：平衡后转子剩余的不平衡量。

(6)校正半径：校正平面上正质量的质心到转子轴线的距离，一般用mm表示。

(7)不平衡减少率(URR)：经过一次校正所减少的不平衡量与初始不平衡量之比，它是衡量平衡机效率的性能指标，以百分数表示：

其中，U1为初始动不平衡量，U2为一次校正后的剩余不平衡量。

2.动平衡原理及过程分析

曲轴平衡机的测量原理如图1所示，当转子旋转时，位于转子中的不平衡质点产生离心力，通过支承点传到摆架上，传感器采集到信号后进行处理，发送给测量模块。测量模块将测得的信号换算为不平衡量，显示在屏幕上。同时按照输入的钻削工艺参数进行解算，将需要去除的不平衡量优化分解到各个校正平面(曲轴的平衡块)，由PLC控制校正工位的动作。

国内常见的曲轴加工工艺动平衡多采用去重方式进行平衡，在精磨完成后再经行动平衡工艺，某公司曲轴生产线采用SCHENCK动平衡机床进行动平衡的校正工艺，动平衡的过程如图2所示。

曲轴毛坯初始动平衡量优化实例

1.优化思路

在实际生产中，由于现在国内汽车发动机曲轴生产线多选用几何定心作为粗加工中心孔基准，然后再以两端中心孔作为基准加工曲轴，因此曲轴粗加工中心孔的位置直接影响初始动平衡量的大小，而中心孔采用几何定心，因此毛坯质量直接影响初始动平衡量。针对新的生产线和新开发的曲轴产品，工件毛坯还会根据曲轴毛坯的批次、模号以及曲轴加工工艺的变化而变化，但是一般作为几何定位的基准一般不会改变，因此必须通过不断修模调整曲轴毛坯，使质量轴线和几何轴线相对接近，降低曲轴的初始动不平衡量。

2.实例分析

某工厂曲轴生产线生产四缸1.2L曲轴，整条生产线设计要求节拍为43s，但是由于新产品毛坯的初始动平衡量较大，导致每根曲轴钻孔的孔数量较多，据统计，200件中有38件经过两次动平衡后仍然无法合格，能动平衡合格的工件平均钻孔数量也接近10个孔，导致生产线节拍为52.5s，曲轴生产线JPH仅为68，严重影响曲轴生产效率。针对此曲轴毛坯初始动平衡量的优化路线如下：

(1)收集最原始曲轴初始不平衡量数据，并通过Q-DAS软件分析数据。此曲轴毛坯一模共有8个型腔，我们连续随机测量50件经过动平衡工位的工件初始动平衡值，再将这50个工件按照1～8号腔排序，得到图3中的数据，可以看出毛坯平均初始不平衡量都较大，其中X方向平均值为-223.6g.mm，Y方向平均值为276g.mm。理论上把初始不平衡量控制在200g.mm以内，可确保95%的曲轴一次校正合格。

图4及图5数据表示不同型腔在大头端和小头端动不平衡量值不同，但是同一型腔动不平衡量却大致相同。从图4中可看出三、四号腔大头端初始动平衡量约为1000g.mm，六号腔大头端初始动平衡量约为1150g.mm;图5中可看出三、四号腔小头端初始动平衡量约为1100g.mm，六号腔小头端初始动平衡量约为1050g.mm。

由于初始动平衡值是一个矢量值，图6及图7数据分别表示大头端分解到X方向和Y方向不平衡量值，可以看出四号腔X方向初始动平衡值平均值为800g.mm，Y方向平均值为500g.mm;六号腔X方向初始动平衡值平均值为-1100g.mm，Y方向平均值为200g.mm。

(2)通过收集得到的曲轴初始动不平衡值，需找到不平衡质点在曲轴上的位置，根据动平衡量各质点数据分布，收集曲轴的初始不平衡量，通过分析找到几何轴线与质量轴线的对应关系统计(见图8)。

(3)通过得到的初始动平衡值，根据不同型腔在不同端的动不平衡量大小计算毛坯在大头端或者小头端需要增加或者减去的重量，计算毛坯需要修正的重量及位置，从而调整模具型腔，此案例中毛坯供应商只是微小的修整磨具，在相应的位置上采用去除模具以增加零件毛坯重量的方法。通过修模调整毛坯，使曲轴毛坯质量轴线和几何轴线相对接近，降低曲轴的初始动不平衡量，在四号腔和六号腔增加的重量分别如图9、图10所示，其余型腔增加量不一一描述。

(4)根据调整不断修模验证，现在此曲轴生产线毛坯初始动不平衡量已经优化到一个相对合理的值，如图11所示，其中X方向为141.7g.mm，Y方向为55g.mm，平衡块平均钻孔数量约为6个，能满足整条线43s的节拍，JPH提高至82，同时曲轴一次合格率提高至97%，动平衡不合格率降低至1.7%。

结语

本方案首先采用曲轴动平衡功能及Q-DAS数据分析软件找出各不同腔型初始动平衡量的差异值，并按照型腔差异制定不同的优化措施，以优化曲轴毛坯，降低曲轴的初始动不平衡量，提高生产节拍，提升动平衡加工效率，同时减少刀具消耗。生产现场同时影响曲轴初始动平衡值的因素还有很多，比如粗加工中心孔的位置以及生产工艺去除量对曲轴初始不平衡量的影响，需要结合其他影响因素的调整才能保证一条生产线稳定生产。