| 曲軸的粗加工對於汽車發動機的性能具有極為重要的意義，而粗加工過程中的定心工序近年來有從質量定心向幾何定心轉變的趨勢，作為生產企業到底該如何在這兩種選擇中取捨？文中結合作者針對多家汽車製造商的調研，從經濟和技術兩方面給出了客觀分析，並介紹了用來提升曲軸動平衡的定心數據處理系統（CDM）。 |
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作為發動機心臟的曲軸，其採用的加工工藝的演變，很大程度上也是現代先進製造技術發展歷程的一種體現；而另一方面，縱觀國內外不同年代建成的生產線，通過透視那些有一定知名度的大中型企業規劃時所作的工藝選擇，往往又能總結出它的發展趨勢，從而獲得有益的啟示。
曲軸粗加工工藝的發展和演變
曲軸粗加工工序主要包括：在完成了工件毛坯銑兩端面和打中心孔後，對主軸頸和連杆軸頸以及法蘭和軸頭實施的加工，有時還需按某些產品的要求，對平衡塊的側面進行加工。
1.發展演變
上世紀70、80年代，曲軸粗加工採用的方式經歷了由多刀車床車削的傳統工藝逐漸過渡到以採用CNC車削、CNC外銑加工為主的工藝發展歷程，使工件的加工精度、適應多品種生產的柔性和質量的穩定性都有了明顯的改善。
上世紀90年代前後開發出的曲軸車拉、車-車拉工藝，更以所具有的加工精度高、工作效率高等一系列優點，被證明特別適合於那些平衡塊側面不需要加工且軸頸有沈割槽（包括軸向沈割槽）的曲軸。由於經這樣加工後的工件可以直接進行精磨，從而又省去了精加工階段的粗磨工序。
20世紀90年代中期，又開發出了CNC高速外銑，它對平衡塊側面需要加工的曲軸，較之CNC車削、CNC內銑、車-車拉等工藝，具有更高的生產效率。
進入21世紀，複合加工這一新的製造理念已開始進入曲軸的生產過程。一些不久前開發出來的複合機床具有工序集成功能，可以將多種加工的要求集成於一身。如某臥式車銑複合加工中心，就能在工件進入熱處理之前“一次裝夾，完全加工”，完成所有的曲軸粗加工工序。
由以上演變可以看出，曲軸的加工工藝正向著高速、高效、複合化方向發展。目前較為流行的粗加工工藝是主軸頸採用車-車拉工藝和高速外銑，連杆頸採用高速隨動外銑，全部採用幹式切削。
2.新舊工藝的對比
圖1 早期曲軸粗加工工藝流程示意
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圖1和圖2是典型的新舊兩種工藝方案。圖1是一條建成於上世紀80年代後期的曲軸生產線工藝流程中的粗加工部分，從圖中可見，最終完成主軸頸和連杆軸頸粗加工的是CNC數控車床。但鑒於當時機床的性能水平，為了達到必要的製造精度，之前還需要利用被企業稱為“旋風銑”的外銑方式先對工件毛坯的軸頸外圓進行一道加工。圖2是一條建成於不久前（2005年左右）的曲軸生產線的三道主要粗加工工序，從圖1和圖2所示的工藝流程對比中可以看出，採用高效的車-車拉和CNC高速外銑這兩道工藝，不僅提高了加工精度和工作效率，更提升了製造過程的工序集成度。
圖2 近期曲軸粗加工工藝流程示意
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但在以上敘述的曲軸粗加工工藝的演變過程中，還有一道很值得引起關注的工序，那就是作為之後各道工序基礎的加工中心孔，即“定心”工序，本文將就此展開較深入的探討。
幾何定心模式成為發展趨勢
1.幾何/質量定心應用介紹
曲軸定心工序採用的方法有兩種：幾何定心和質量定心。前者以工件兩端主軸承頸外圓為徑向基準，以中間主軸承止推面為軸向基準，形成了位於曲軸的幾何軸線上的兩端中心孔；後者是先通過兩端的浮動支承，對曲軸進行動平衡，再按此找出的質量軸線繼而加工出中心孔。
幾何定心作為一種傳統的工藝方法，普遍用於各種軸類零件的加工，是之後各道工序運行的基礎。但鑒於曲軸是一種典型的不對稱、不規則零件，形狀複雜，在毛坯精度不太高的情況下，必然會產生按幾何定心法形成的幾何軸線偏離客觀存在的質量軸線的問題，由此會帶來曲軸在進入（終）動平衡工序之前的不平衡量可能過大，終平衡中工件去重過多，甚至會出現無法達到動平衡要求的情況。
正是在這樣的背景下，出現了借助高效專用設備的質量定心工藝，並從上世紀50年代起在歐美各大主流汽車發動機廠得到了日益廣泛的應用。20多年前，國內建立最早、技術水平堪比當時國外水平的現代企業，如東風康明斯、北京吉普、上海大眾等，在曲軸生產線上均採用了質量定心方式。
2.幾何定心逐漸成為主流
圖3 曲軸定心工藝選用比率反映的趨勢
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筆者近期對國內30多家主要汽車發動機廠（含少數柴油機廠）的60餘條曲軸生產線進行了調查，期間還與相關工藝規劃人員進行了有針對性的探討。事實表明，無論是新線籌建還是老線更新、改造，在制定曲軸定心工序時，優先選用幾何定心方式已成為一種趨勢，圖3中表示的變化趨勢直觀地說明瞭這一點。
需要指出的是，20多年來國內汽車行業的快速發展促使生產能力不斷增加，表現為在相等時段內新建生產線數量的不斷上升。以這次調研所採集的樣本為例，從下表1可以明確地看出這種增長的勢頭。
表1 不同時段新建線數量所佔比例統計 |
表1也進一步證明瞭幾何定心工藝的發展優勢，這一點隨著新線數量的迅速增加而顯得更加清晰。而眾所周知，就技術而言，質量定心工藝能獲得更好的曲軸動平衡效果，那又是什麼原因使傳統的幾何定心方法重新又取得主流地位呢？
兩種工藝模式的技術經濟分析
1.幾何定心模式在國內效益已經顯現
曲軸毛坯主要有鑄鐵和鍛鋼兩類，採用鑄鐵毛坯的佔極大多數，目前國產化的程度已很高。那麼國產毛坯質量如何呢？可以說，至少在基本滿足曲軸動平衡這一點上，國產毛坯已經經歷了較長時期的實踐檢驗。
上海通用提供了最有代表性的例子：自1997年至2005年，在上海建成的三條排量2.0L~3.0L的曲軸生產線，以及這前後在山東建成的三條排量1.6L~1.8L的生產線，全部都採用幾何定心工藝，而這些產品中曲軸的不平衡量允值均為10g•cm。而一般情況下，轎車發動機曲軸的這項指標大約在10~30g•cm範圍內，故通用執行的標準是比較高的。
而曲軸毛坯的供應商上海聖德曼只是一家很普通的合資企業，其前身是一個地方國企，但隨著經驗的積累和製造質量的不斷改進，事實上已達到和適應了技術要求還比較高的美國通用汽車產品的需求。僅這個實例就充分說明瞭採用幾何定心的可行性。
下面通過幾何定心和質量定心兩種工藝的運行概況，進一步對這兩種工藝模式進行技術經濟分析。
2.幾何定心工藝的運行概況
從前面圖2所示的曲軸粗加工工藝流程可知，打幾何中心孔和銑工件兩端面是在第一道工序OP10 中同時完成的，曲軸的粗加工階段經OP20的車-車-拉和OP30的高速外銑基本完成。然後通過生產線旁的一台人工動平衡機（即打孔、去重操作需在另一台專用鑽床上人工進行），利用不同批次的毛坯，對粗加工後的半成品進行測試，從而測得結果。
圖4 粗加工後工件的不平衡量分佈榜
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試驗用毛坯來自上海聖德曼，產品是1.6L的發動機曲軸，不平衡量是25g•cm。圖4是實測所得不平衡量的分佈概況，從圖中可見，小於100g•cm的半成品佔了大部分，而這一點對之後的終平衡有很大影響。
終平衡一般都由自動化設備執行，也就是在第一步自動測出工件的初始不平衡量後，根據設定的次數，通過鑽孔去重使曲軸的不平衡量小於允許值。
多數企業將設置的次數定為2，也就是若經過第2次去重還不低於額定值，這根工件將被剔出。圖5是終平衡結果的分佈示意，由此可見，經一次去重完成這道工序的佔大多數，真正因為無法修正而被剔除的僅佔3~5%，這些工件將被送至圖2中的人工動平衡機那裏處理。
圖5 終平衡的結果分佈
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以上試驗結果雖然只是出自某一企業的特定案例，但也有相當的代表性，據2008年投產的神龍汽車一條1.6L發動機曲軸生產線提供的情況，經終平衡後直接合格的工件比例約為96%，而該線選用的工藝也是幾何定心。
3.質量定心與幾何定心的運行效果比較
為便於敘述，把曲軸毛坯打中心孔後的不平衡量稱為“原始不平衡量U0”，經粗加工之後的不平衡量稱為“初始不平衡量U1”，進入終平衡前的狀態稱為“初始不平衡量U2”。圖6是分別執行幾何定心和質量定心工藝時的各個階段工件的不平衡量與加工進程之間關係的簡單示意。
圖中位置“0”指示的是原始不平衡量U0，而位置R和F為結束粗加工階段後的初始不平衡量U1和完成終平衡、最後達到允許值時的Uf，該圖清晰地表明瞭當採用兩種不同工藝方法時各階段不平衡量的差別。
事實上兩者間的最大差值只是發生在剛打完中心孔時，在粗加工期間，工件的不平衡量會呈動態變化，按幾何中心加工的會減少，而按質量中心加工的則變大，這是一個普遍規律。
正因為如此，即使在採用質量定心時，為確保動平衡效果，在面對如下一些情況時，生產部門往往還會採取一些預檢、預調措施：
—毛坯質量較差或不太穩定
—毛坯材料不是鑄鐵而是鍛鋼
—曲軸所配的發動機排量較大（1.8L或以上）
—其他
最常用的做法是每班一次或二次（一般在早晨或午後剛上班時）從粗加工完畢後的工件中連續抽取3~5根，置於生產線旁的人工動平衡機進行測試，若初始不平衡量超過100g•cm，就需對定心機床的打中心孔動力頭進行微調。
圖6 不平衡量隨加工進程的動態變化
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若用U表示不平衡量，以w表示工件的重量，則微調量r可以通過以下公式得到：
當工件質量約為20kg時，臨界狀態下的調整量r為0.05mm。鑒於不平衡量U為一向量，在設備上指示出U值的同時還會給出一個角度，分別取r與該角度餘弦、正弦的乘積，即可獲得確切的動力頭沿水平、垂直方向的調整量x、y，從而完成了預調操作。
注意，上述臨界值100g•cm只是針對某型發動機曲軸加工而內部設定的，其不平衡量允值為25g•cm，不同情況下應根據經驗自定。
在經過以上的預檢、預調步驟後，可以確保終平衡時的一次合格率超過90%，二次不合格率基本降為零。
上述這種回饋補償性質的調整操作，其實一樣適用於幾何定心工藝過程。
一般來說，當生產線的運行水平達到上一節中圖3、圖4的狀態時，並不會實施這一操作。而對於小排量（1.6L及以下）發動機曲軸的鑄鐵毛坯來講，偶然出現終平衡不合格率過高時，就會採取類似上面的針對性措施，即抽取、檢測若乾根粗加工後工件的初始不平衡量U1，據此來調整工序OP10機床打中心孔的動力頭位置。當然，必須注意實施這項操作前後的毛坯是同一批次的，否則就失去了意義。
4.小結
對於前面的表述、分析做一個歸納，有以下幾點可供參考。
•若純粹從技術角度進行比較，相比幾何定心工藝，執行質量定心的最大優點是其工藝特點保證了進入“終平衡”前的初始不平衡量U2較小，從而減少了去重量，縮短了終平衡時間，提高了一次合格率。由於過度的修正（去重）會惡化發動機內部的質量補償，影響其功能，因此這樣通過採取“減少去重量”的措施，會產生很好的效果。
• 但另一方面，同樣是由工藝特徵決定，在進入粗加工工序後，按幾何定心方式又顯現了加工餘量比較均勻的優點，而採用質量定心有時候就會遇到這方面的問題，且受毛坯質量影響較大。
• 事實表明，無論執行哪一種曲軸定心工藝，對毛坯質量帶來的影響都是很大的。前面曾介紹過的通過抽檢、分析樣本，對打孔動力頭位置進行微調的補償措施，其實就是彌補毛坯的系統性缺陷的一種方式。不過，這裏提到的毛坯必須是同一批次的。
• 若從經濟性考慮，採用質量定心工藝由於佔用設備多，而專用質量定心設備的價格又極其昂貴，因此完全無法與幾何定心工藝抗衡。後者的工藝集中度高，從圖2可見，銑兩端面和打中心孔是在一台機床上完成，不但佔據空間少，投資更是省了很多。
綜合以上這一切就可以理解，近10年來在曲軸加工過程中，無論國內還是國外，幾何定心工藝已逐漸成為主流。
不可否認，質量定心工藝的優越性決定了它仍將佔有相當的份額，除了沿用多年前建成的老線外，從圖1可見，也還有不少近年來建成的新線。調研表明，這些新線主要集中在排量較大的汽油機或多缸柴油機，且往往用的是鑄鋼毛坯，而另一個要素是企業在規劃中列入這筆投資的可能性。
提升曲軸動平衡運行水平的CDM技術
1. CDM技術開發背景
綜上所述，曲軸動平衡的運行水平並非就是最後能生產出符合不平衡量允值要求的工件，而是牽涉到很多因素，如定心後加工過程的平穩（均勻）性、修正（去重）時間、去重量、一次合格率等多項因素。
雖然提高毛坯的製造精度和質量是最為重要的，但通過前面的介紹和分析，一個顯而易見的事實是：若能減少進入終平衡工序前的工件的“初始不平衡量U2”，就將有效地提升動平衡的運行水平。前面提到的已在一些企業採用的“抽檢、調整”這種回饋補償措施，意欲達到的目的也即在此。
然而，其不足之處很明顯：雖然同一批次毛坯的狀態有規律性，但以個別樣本的測試結果作為調整依據必然會帶來較大偏差，尤其“不平衡量U”乃是一個向量，涉及量值和方向（位）。
正是深刻地意識到了這一點，且看到了近年“曲軸定心工序”的走勢，設備供應商才適時地推出了運用了現代資訊技術的CDM系統（Centering Data Manager），即“定心數據處理”，以有效地提升曲軸動平衡的運行水平。這項技術既可用於質量定心，也可用於幾何定心，但顯然今後必然以後者為主。
2. CDM工作原理和操作步驟
CDM系統的工作原理和具體操作步驟如下：
• 取同一批次毛坯的、經粗加工後的工件作為樣本，數量在30~50件之間，利用圖2中的人工動平衡機逐一測試，結果會自動保存在機器的控制器中；
• 調用控制器中的CDM系統，自動對樣本的測試值、即初始不平衡量U1進行處理，將得到兩項統計分析的結果：
—通過圖、表來顯示該樣本，確切講是這一批次毛坯的統計特性。
圖包含分組（直方）、平均值、標準偏差等幾種，但最直觀和最重要的還是以圓作為置信區間來表示樣本分散性的統計圖—“統計散點圓”。
—經自動統計計算後求得圖2中OP10定中心孔機床兩端動力頭的確切調整值，即位移量。
其中“1”和“2”分別表示固定的裝夾端，在圖7a中，1為法蘭端，2為軸頭端。而在圖7b的表中，不平衡量U1是反映在緊靠法蘭端和軸頭端的“校準面1”和“校準面2”（其實就是曲軸兩側的二個去重面）上，表中用Plane1和Plane2表示。圖7a中的紅、黃兩個“統計散點圓”，各自代表了法蘭和軸頭這兩端的情況，而圖7a左下方框中的H和V表示了水平方向和垂直方向。
通過對50個樣本不平衡量的實測結果及CDM系統據此的統計計算，得出的相應調整值清晰地出現在上述圖7a的左下方框中。圖7右邊表中的統計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分量的標準偏差、置信度分別為99.73%，99%、98%和95%時的“統計散點圓”半徑等。
圖7 經CDM系統處理後的結果表述
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但一般情況下，企業尤其是生產部門很少會用到表中的這些統計特徵值，只是在對比毛坯或加工過程狀態時有可能會涉及。實際應用最多的還是那個位於極坐標中的散點圖（圖7a），圖中眾多的“×”和“+”標識分別表示50個樣本經測試後在校準面1和2處的不平衡量向量。經統計計算後，最終形成對應一定置信度的的兩個圓，它們的半徑取決於樣本測值的分散性。
由圖7b的表中可見，在校準面1和2處的初始不平衡量U1的（向量幅值）平均值分別為50.85g•cm和92.55g•cm。經過CDM系統測算給出OP10工序定中心機床的兩端的調整量則出現在圖7a的左下方，分別為：V1=0.019mm，H1=-0.084mm；V2=-0.288mm，H2=-0.102mm。
3. CDM操作示例
圖8是一個來自實際的示例。為了驗證CDM系統的應用效果，在對OP10工序機床按上面的統計分析結果進行調整之前，首先對用同一批次毛坯加工的工件在進入“終平衡”之前的初始不平衡量U2，
通過抽取一定數量的樣本瞭解其真實狀態。然後再調整機床，經過一段時間後，按同樣方式抽取樣本，比較二者的測試結果。
圖8 CDM應用效果的驗證
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由於終平衡機在進行去重操作前必須先對工件進行一次測量，並保存測得值，且其控制器中也安裝了CDM系統，因此可以較方便地獲得經統計處理後的結果。圖8a、b分別是執行CDM，也即機床調整前後的“統計散點圓”，可直觀地發現，經調整後的散點分佈有了較明顯的縮小，意味著過大的初始不平衡量U2的數量減少。下面再從定量的角度加以考量，見表2。
表2提供了經過統計計算後得到的兩者的U2向量幅值的平均值比對，清晰地顯示了一定程度的減少。客觀地說，由於這一批次毛坯的質量還是不錯的，故從上面可知，在校準面1和2處的初始不平衡量U1的水平僅為50.85g•cm和92.55g•cm，均小於100g•cm。在這種情況下，利用CDM技術進行回饋補償的效果必然受到影響。
表2 CDM應用效果的驗證 |
最後需要指出的是，取粗加工結束後的工件作為樣本會有較大的測試工作量，故也可採用另一種更便捷的方法，即直接從終（動）平衡機的控制器中採集一定數量的初始不平衡量U2作為樣本，然後利用該控制器帶有的CDM系統進行處理。不過，就回饋補償的合理性和相對加工進程的影響而言，採用前面的做法更為適宜。
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