缸體平衡軸孔同軸度偏差問題分析及解決

糜兆強

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

平衡軸是直列四缸發動機的重要部件之一，可以有效平衡二階往復慣性力，起到緩解振動、降低噪音的作用，能在保證發動機運行平順的同時，提升用戶駕乘體驗[1]。平衡軸孔同軸度又是保證平衡軸能夠正常運轉的關鍵指標，如果同軸度產生較大偏差，將會帶來平衡軸與軸孔間的異常磨損，嚴重時會導致平衡軸斷裂，影響發動機的正常運轉。本文旨在分析并解決平衡軸孔在機加工后的同軸度偏差問題，大幅提升了其質量表現以及工藝穩定性。

1 背景介紹

1.1 平衡軸孔同軸度

同軸度是一種常見的位置公差，其要求被測要素的實際軸線應在直徑為同軸度公差數值，且與基準軸線同軸的圓柱內[2]。本文研究的缸體平衡軸孔集成于瓦蓋之上，左右各有3 檔，6 個軸孔的編號依次為37001～37006，兩側布局及同軸度要求完全一致。以偶數側為例，如圖1 所示，測量時以37002 和37006 兩個軸孔建立基準軸線，評價37004平衡軸孔同軸度的公差要求為 ?0.020 mm。同時，每個平衡軸孔取兩個截面來評價，在加工工位測量報告內記作37004011 和37004021（注：在后文展示的完成品全尺寸報告內記作37004010 和37004020，評價內容完全一致，只做特征號區分）。

圖1 平衡軸孔同軸度測量示意圖

1.2 加工工藝

平衡軸孔的加工分為半精鏜和精鏜兩個步驟。鏜刀上集成了3 組硬質合金刀片，每組配置一顆半精鏜刀片和一顆精鏜刀片，可同時對3 檔平衡軸孔進行加工。由于刀桿較長，機床在遠端為曲軸孔以及兩側的平衡軸孔鏜刀配置了支撐軸承，以保證加工的穩定性，如圖2 所示。加工時，工件沿機床Z軸移動依次完成半精鏜和精鏜加工。一側加工完成后，鏜刀會根據程序設定轉移至另一側完成剩余平衡軸孔的加工。

圖2 機床支撐軸承

1.3 問題描述

某新型號缸體在項目投產改造期間，全尺寸報告經常顯示完成品平衡軸孔的同軸度存在較大偏差。然而，通過使用生產線質量控制系統對平衡軸孔加工工位的測量報告數據進行追溯后發現，偏差工件在平衡軸加工工位的測量結果均未出現超出或接近規格范圍的情況。為解決該特征的質量問題，本文對同軸度偏差原因進行了較為深入的分析。

2 根本原因分析

2.1 變異源分析

由于缸體加工過程的復雜性，構成平衡軸孔同軸度產生變異的來源可能有多種，且在問題分析之初并不明朗。引入變異源分析可高效地對質量數據進行梳理，客觀地展示其內在規律，為根本原因分析提供更加清晰的工作方向。

基于節拍的考慮，工藝規劃時在生產線上配置了3 臺并行機床（OP100.1～OP100.3）用于平衡軸孔加工。因此，在對變異源進行分析時，調取了15 份完成品全尺寸報告的測量結果，且保證平均來自于各個OP100 機床。由于平衡軸孔兩個測量截面的間隔距離較短，測量方法一致，且結果差異較小，因此只取一側的測量結果用于分析。如圖3 所示，從多變異圖中可以大致得出如下結論：

圖3 平衡軸孔同軸度多變異圖

（1）測量結果存在多處超差，且整體均值已處于中上差區間，有較高超差風險。通過質量控制系統追溯了同期OP100 加工后的同軸度表現，如圖4 所示，雖然總體結果存在一定波動，但均值可控制在0.010 mm 以內。因此，平衡軸孔加工之后的工藝過程中存在變異因素。

圖4 平衡軸孔加工工位同軸度測量結果

（2）不同機床加工的工件存在較大差異，OP100.1和OP100.2 的加工均值明顯高于OP100.3 的加工均值，且存在超差情況。不僅如此，OP100.2 的兩側軸孔間均值也存在一定差異，需對機床本身的變異進行研究。

2.2 工藝流程中的變異

如圖5 所示，由于平衡軸孔集成于瓦蓋之上，且瓦蓋與缸體裝配連接后共同構成曲軸孔，初步認為所有與曲軸孔和平衡軸孔相關的加工步驟都可能影響平衡軸孔的同軸度表現。因此，按工藝流順序對一工件進行加工，在每一個可能影響結果的加工工位后，三坐標測量同軸度變化。表1 梳理了一個來自OP100.2 機床的工件在不同工位加工后測量的同軸度特征結果。分析發現同軸度值在表格的前兩行產生了突跳，推定變異源存在于OP100～OP120的加工步驟中。

表1 工件在不同工位加工后的同軸度結果

圖5 瓦蓋集成示意圖

在此基礎上，進一步批量驗證發現，同軸度值在OP110 工位加工完成后就已經產生了表1 所示的大幅變化，即此變異與后續曲軸孔及平衡軸孔的加工無直接關聯。深入分析OP110 工位工藝發現，加工高壓油泵接觸面的過程銑削面積及余量大，工件受到的切削力較大，加工前后易造成工件的應力變化。籍此對OP110 工藝進行進一步拆分，如圖6 所示，于銑削高壓油泵接觸面前后送檢測量平衡軸孔同軸度。表2 結果證實，銑削高壓油泵接觸面的過程造成了工件的應力變化，進而導致平衡軸孔同軸度產生了大幅變化，整體上加劇了超差的風險。

表2 銑削高壓油泵接觸面前后同軸度變化

圖6 銑削高壓油泵接觸面

2.3 機床本身的變異

通過對OP100.1 機床加工工件的三坐標測量報告分析后發現，兩側平衡軸孔都存在一定的位置偏移。平衡軸孔的位置測量以5 號曲軸孔中心點為基準，表3 展示了各個軸孔在工件坐標系Y和Z方向上實際值與名義值的差值，可以看出鏜刀在加工軸孔時位置存在一定的偏差，導致兩端的軸孔位置存在差異。由于主軸與鏜刀為剛性連接，同時支撐軸承對鏜刀的另一端也施加剛性約束，當支撐軸承的位置與鏜刀實際進入的位置存在偏差時，易導致鏜刀桿額外受力且在高速旋轉加工時產生彎曲變形，進而影響平衡軸孔的同軸度表現。

表3 兩側平衡軸孔基于名義值的相對位置

OP100.2 機床的三坐標報告同樣顯示平衡軸孔的相對位置存在一定偏差，但由于多變異圖中此機床同軸度表現最差，推定可能存在其他變異源。進一步分析三坐標報告發現，如圖7 所示，5 個曲軸孔的位置在Y方向存在較大偏差。同時，報告顯示曲軸孔中心線與工件隨行托盤定位面的平行度為0.022 mm，數值同樣較大，意味著工件在機床夾具上定位時Y方向存在偏移（圖8），從而導致曲軸孔加工偏移。為進一步驗證工件定位偏移問題，如圖9 所示，將千分表架在一根裝載在主軸的標準棒上，移動至靠近支撐軸承側的定位面并將其調零，沿機床坐標系Z方向移動工作臺，觀察千分表在接觸另一側定位面后數值的變化。經檢查后發現，千分表在接觸另一側定位面后偏移了0.025 mm，與報告體現出的趨勢保持一致。夾持刀具的主軸與支撐軸承的同軸度偏差疊加工件定位的偏移，更容易加劇鏜刀桿的彎曲變形及不規則振動，造成更加嚴重的平衡軸孔同軸度偏差。

圖7 曲軸孔Y 方向基于名義值的相對位置

圖8 工件偏移方向示意圖

圖9 千分表測量定位面位置

3 優化方案

3.1 工藝流程優化

針對銑削高壓油泵接觸面造成的平衡軸孔同軸度突跳問題，對整體工藝流程進行調整優化：在平衡軸孔鏜削之前的加工工位新增一道“開窗”工序。如圖10 所示，即通過增加一把銑刀沿工件Z方向從下至上多次加工，將大部分的高壓油泵接觸面的材料提前切削完成（圖11），原有OP110 工位只保留加工余量相對較小的銑削最終輪廓工序。此優化方案最大的優勢在于將較大切削力對工件形變的影響轉移至前序，使平衡軸孔加工后的工件能處于相對穩定狀態，避免了同軸度的整體大幅突跳。

圖10 優化工藝3D 示意圖

圖11 優化工藝平面示意圖

3.2 機床多維度調整

基于機床本身變異的分析結果，可通過程序調整和機械調整兩種方式共同完成優化。對于OP100.1機床的變異，由于鏜刀桿長度較長且容易受到重力的影響，直接靠架表檢查刀桿上母線與側母線在進入支撐軸承瞬間的變化并不能有效地反映出真實的偏移量。由于表3 中顯示靠近主軸側的兩個平衡軸孔37001 與37002 相對位置偏差較大且加工程序內分別定義了兩側平衡軸孔的加工零點偏置，更有效的方式是基于原始報告顯示的偏差值和后續測量結果的反饋不斷調整加工零點偏置的補償值，直至減小主軸與支撐軸承的同軸度誤差，保證主軸在加工時可以移動至較為理想的位置。

對于OP100.2 機床，首先需要修正其定位面之間的偏移。如圖12 所示，將兩端定位機構整體拆卸，根據發現的偏移量對墊片進行適當修磨，保證工件在夾具上的正確定位。接下來按照前述同樣方法，將鏜刀與支撐軸承的偏差值補償至對應的加工零點偏置內，完成機床整體的修正。

圖12 機床夾具定位機構拆卸調整

3.3 優化效果

以OP100.2 機床多維度調整的結果為例，首先，通過修正工件在夾具上的定位，曲軸孔中心線與工件隨行托盤定位面的平行度得以大幅改善，圖13所示三坐標報告的平行度均值已控制在0.007 mm。然后，配合對加工零點偏置的補償，OP100.2 機床平衡軸孔加工工位測量結果如圖14 所示，前文變異源分析中體現的兩側平衡軸孔同軸度差異問題得以徹底解決，且其整體表現也處于較為理想的均值水平。至此，機床端產生的特殊變異因素得以有效控制。

圖13 曲軸孔中心線與工件隨行托盤定位面平行度

圖14 OP100.2 機床優化后加工工位同軸度結果

在機床多維度調整的基礎上，完成對整體工藝的優化，并通過生產線質量控制系統跟蹤3 臺機床完成品工件的三坐標測量結果。如圖15 所示，兩側平衡軸孔共計四個測量特征的同軸度表現較為穩定，無超差記錄，且平均值不超過0.012 mm，工藝端引發的普遍變異因素也得以有效控制。

圖15 優化后完成品工件同軸度結果

4 結語

如圖16 所示，流程圖展示了平衡軸孔同軸度偏差問題的整體分析思路和解決路徑。首先，選擇以變異源分析為突破口，其優勢在于可以快速高效地鎖定變差的產生來源，提供有價值的初步結論；其次，分析中發現平衡軸孔同軸度值整體偏高，且部分機床有問題聚焦性，進而引發了對工藝流程與加工機床的變異檢查：沿工藝流程逐個工位分析驗證，發現銑削高壓油泵接觸面時的過大切削力會影響同軸度的整體表現；對于具有問題聚焦性的機床，通過對三坐標測量結果的深入分析，發現夾持鏜刀的主軸與支撐軸承的同軸度偏差以及工件在夾具上的定位偏差都會影響完成件平衡軸孔的同軸度表現。

圖16 同軸度偏差問題整體分析思路與解決路徑

問題優化階段，首先通過工件夾具定位的調整以及加工零點偏置的補償改善了機床端的問題聚集性；接著通過調整工藝流程的方式，將較大切削力的工藝步驟轉移至平衡軸孔鏜削之前，提前干預同軸度突跳的影響因素。優化措施經過跟蹤驗證后，證實可以有效地解決平衡軸孔同軸度的偏差問題，提升了加工過程能力以及質量表現。