凸輪磨削產(chǎn)生小平面問題分析及處理

神龍汽車有限公司襄陽(yáng)工廠 (湖北 441004)楊正凱 陸曉龍 劉 浩

神龍公司生產(chǎn)的TU5JP4 凸輪軸的磨削加工，是利用英國(guó)Landis 公司生產(chǎn)的超精密凸輪軸磨削機(jī)床，對(duì)凸輪軸軸頸、凸輪輪廓部位進(jìn)行精磨削，特別是凸輪的磨削，依靠機(jī)床的X 軸(砂輪進(jìn)給)、Z 軸(砂輪左右移動(dòng))和C 軸(頭架高精密回轉(zhuǎn))，配合自定心中心架，以精確的角度控制和砂輪進(jìn)給磨成凸輪輪廓形狀，形成理想的輪廓曲線。這類高精尖機(jī)床技術(shù)復(fù)雜，精度高，尤其是在加工的產(chǎn)品質(zhì)量方面，凝聚了機(jī)床各方面綜合精度。凸輪軸生產(chǎn)線上XF0663 Landis 凸輪磨床使用中，磨出的凸輪輪廓表面，出現(xiàn)小平面、輪廓線失真等質(zhì)量問題，束縛了機(jī)床正常運(yùn)行。機(jī)床技術(shù)狀態(tài)劣化產(chǎn)生故障后，需要分析探索故障產(chǎn)生的原因，尋找問題點(diǎn)，盡快恢復(fù)其原有功能和精度。因此，研究不同類型機(jī)床的維修方法，摸索一些特色的維修技巧，巧妙地修復(fù)機(jī)床各類復(fù)雜故障，是擺在維修人員面前的首要課題。

1.Landis 凸輪磨床介紹

Landis No.860 系列凸輪磨床配置:砂輪進(jìn)給軸(X 軸)和砂輪橫向移動(dòng)(Z 軸)使用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(見圖1)，直線電動(dòng)機(jī)的磁體部分(次級(jí)線圈)直接安裝在床身與磨頭下滑板之間，電氣控制移動(dòng)部件 (初級(jí)線圈)安裝在滑板中，組成直線伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，光柵尺反饋以提高機(jī)床性能和可靠性;機(jī)床用密封靜壓導(dǎo)軌承載;靜壓軸承承載砂輪主軸;頭架主軸控制零件精密回轉(zhuǎn);自定心中心架支承零件。

圖1 直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

XF0663 是Landis No.860 系列精密凸輪磨床，機(jī)床在磨削加工的時(shí)候，工作臺(tái)固定不動(dòng)，工作臺(tái)上裝置4 套Arobotech 產(chǎn)自定心中心架和高精度的頭尾架裝置，對(duì)零件定位、夾緊、支承及精密旋轉(zhuǎn)控制;砂輪架前后移動(dòng)進(jìn)給，左右移動(dòng)換位，滿足凸輪軸上8 個(gè)凸輪的磨削要求。

2.問題的出現(xiàn)

XF0663 凸輪磨床加工產(chǎn)品過(guò)程中磨出的凸輪，在輪廓的開啟段與基圓交接處留有小平面(見圖2)，最小平面寬度約0.3mm;最大2～3mm，在同一根凸輪軸上(產(chǎn)品8 個(gè)凸輪在360°分配)，磨削出8 個(gè)凸輪小平面均在同一位置。2D 輪廓線檢測(cè)結(jié)果，也是一根凸輪軸上8 個(gè)凸輪輪廓線同一位置出現(xiàn)缺陷(見圖3)。如果停一會(huì)兒機(jī)床，修改輪廓線起始點(diǎn)角度或加工參數(shù)，加工前2～3 件，出現(xiàn)的平面窄小成暗紋，到第4～6 件時(shí)逐漸明顯，越來(lái)越寬(0.2～0.7mm)，加工10 件后寬度0.8～1mm，且越來(lái)越大。

圖2 凸輪出現(xiàn)小平面位置

圖3 在8 個(gè)凸輪輪廓線上同一位置

3.對(duì)產(chǎn)生問題的思考分析

根據(jù)Landis 機(jī)床說(shuō)明書介紹，凸輪磨削這樣的超精密機(jī)床，加工零件有質(zhì)量缺陷。出現(xiàn)機(jī)床精度故障，首先從檢查零件支承系統(tǒng)是否有問題入手;其次測(cè)試各合成運(yùn)動(dòng)軸之間的同步，以及進(jìn)給軸的快速響應(yīng)速度測(cè)試，其他相關(guān)檢查等一整套的測(cè)試、判斷、分析、驗(yàn)證;最后綜合判斷才能逐步找到故障原因。

(1)零件支承系統(tǒng)分析驗(yàn)證 查看磨削過(guò)的有缺陷零件，部分中心架支承痕跡不規(guī)則，分析判斷4個(gè)中心架的軸心線調(diào)整不一致，零件在旋轉(zhuǎn)時(shí)扭曲點(diǎn)正好和凸輪開啟段與基圓交接處重合，致使頭架在這個(gè)點(diǎn)與砂輪架之間振動(dòng)而出現(xiàn)平面或臺(tái)階。中心架沒有調(diào)整好，零件軸線與回轉(zhuǎn)中心不重合，會(huì)引起加工質(zhì)量問題?，F(xiàn)場(chǎng)檢查驗(yàn)證:把心棒夾緊后，檢查1～5 軸頸跳動(dòng)值為:0.002mm、0.002mm、0.006mm、0.004mm、0.002mm，多次規(guī)范調(diào)整后加工零件小平面無(wú)改變，說(shuō)明零件支承系統(tǒng)無(wú)問題。

(2)頭架回轉(zhuǎn)和砂輪進(jìn)給的同步分析 根據(jù)機(jī)床多軸合成運(yùn)動(dòng)的特性分析，C 軸(頭架)運(yùn)行中，回轉(zhuǎn)角度有誤差或者有停頓振動(dòng)，這樣整個(gè)加工表面都會(huì)產(chǎn)生振紋(細(xì)小的小棱面)，同時(shí)出現(xiàn)振紋的位置會(huì)發(fā)生變化，不會(huì)集中在不同角度的同一位置。試驗(yàn)改變機(jī)床輪廓線起始點(diǎn)角度，機(jī)床故障無(wú)改善，從8 個(gè)凸輪加工結(jié)果分析，除產(chǎn)生的開啟段輪廓線與基圓交接處留有小平面外，其他部位全部符合要求，包括圓跳動(dòng)、輪廓線的光滑、表面粗糙度等均符合質(zhì)量要求，這就驗(yàn)證頭架旋轉(zhuǎn)與砂輪進(jìn)給的同步?jīng)]有問題。

(3)砂輪進(jìn)給軸的響應(yīng)速度影響分析 Landis凸輪磨床，砂輪進(jìn)給采用的是“零傳動(dòng)”，整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能非常高，反應(yīng)非常靈敏快捷;通過(guò)直線位置檢測(cè)反饋控制，既減少了差補(bǔ)時(shí)系統(tǒng)反應(yīng)滯后帶來(lái)的跟蹤誤差，也提高了機(jī)床的定位精度和傳動(dòng)精度;直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，消除了定子和動(dòng)子之間的接觸摩擦力，大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動(dòng)性。機(jī)床這些特點(diǎn)說(shuō)明，進(jìn)給系統(tǒng)不能有任何磨損和誤差，否則將帶來(lái)運(yùn)動(dòng)滯后，響應(yīng)速度達(dá)不到要求，還會(huì)在零件上留下痕跡。

綜合分析判斷得出下列結(jié)論:砂輪進(jìn)給X 軸在換向進(jìn)給時(shí)存在滯后響應(yīng)誤差，響應(yīng)速度瞬間產(chǎn)生變化。根據(jù)凸輪加工特性，砂輪軸前進(jìn)加工到位，需要反向進(jìn)給加工時(shí)，快速性和隨動(dòng)性不允許有差異，因此，合成運(yùn)動(dòng)的任何單元反應(yīng)滯后，瞬間就會(huì)把缺陷留在零件上。

4.對(duì)問題的驗(yàn)證分析及處理

根據(jù)上述分析，要找到和驗(yàn)證砂輪進(jìn)給X 軸的滯后誤差出現(xiàn)在那里，究竟哪部分零件因磨損而失去原有的功能，采取下列三種方法逐步驗(yàn)證故障點(diǎn)出在何處。

(1)軸測(cè)試 按照Landis cnc6400 系統(tǒng)軸測(cè)試說(shuō)明，對(duì)XF0663 砂輪進(jìn)給X 軸和回轉(zhuǎn)軸C 軸做軸測(cè)試。軸測(cè)試可以判定任何不同之處，不同之處可能由于機(jī)床的機(jī)械磨損、伺服故障、污損、潤(rùn)滑故障等造成。LandisCNC6400 中提供了兩種軸(回轉(zhuǎn)軸和直線移動(dòng)軸)的性能測(cè)試功能。

測(cè)試前把C:cnc6400projectlog 中，文件備份，然后按說(shuō)明書要求測(cè)試，測(cè)試后的數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，查看差異點(diǎn)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整。也可以把該數(shù)據(jù)及備份數(shù)據(jù)傳給Landis 進(jìn)行分析，給出處理對(duì)策。

按說(shuō)明要求測(cè)試后，把XF0663C 軸、X 軸的軸測(cè)試后的數(shù)據(jù)，與機(jī)床出廠保存的原始精度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)把原始數(shù)據(jù)文件、測(cè)試后C 軸、X軸的測(cè)試數(shù)據(jù)文件，以及近期加工零件的數(shù)據(jù)發(fā)給Landis 技術(shù)部門協(xié)助分析。數(shù)據(jù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn):C 軸沒有問題，X 軸每段進(jìn)給的轉(zhuǎn)矩值有微小的變化。Landis技術(shù)部門分析后也確認(rèn):C 軸沒有問題，X 軸進(jìn)給的分段轉(zhuǎn)矩值曲線，有逐漸微小變大的改變。給出的結(jié)論是:轉(zhuǎn)矩微小變化從常規(guī)推斷影響不大，但可以看成是最大的疑點(diǎn)，還要檢查導(dǎo)軌浮起量，是否浮起不一致產(chǎn)生阻力，再綜合分析影響高速響應(yīng)速度變化的原因。

(2)檢查導(dǎo)軌 對(duì)砂輪架的X 軸、Z 軸的密封靜壓導(dǎo)軌進(jìn)行浮起量檢測(cè)。Landis 凸輪磨床砂輪架設(shè)計(jì)的是全密封靜壓導(dǎo)軌技術(shù)，在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌面之間通入壓力油，使運(yùn)動(dòng)部分浮起，工作過(guò)程中油膜壓力隨外載荷變化而變化，來(lái)平衡作用在導(dǎo)軌上的外負(fù)載。在不同速度下都能保證導(dǎo)軌面始終處于液體摩擦狀態(tài)，減少拖動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力消耗，穩(wěn)定進(jìn)給轉(zhuǎn)矩的輸出，具有很高的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)的靜壓導(dǎo)軌在導(dǎo)軌的幾個(gè)方向開若干個(gè)油腔，承受正向、反向載荷，承受顛覆力矩的能力強(qiáng)，油膜剛度高，導(dǎo)軌各方向均有靜壓壓力，運(yùn)動(dòng)時(shí)金屬與金屬之間無(wú)接觸、無(wú)摩擦，重復(fù)定位精確。

由于凸輪輪廓加工精度高，配置這種高剛度的導(dǎo)軌，是為了很好地保證機(jī)床加工質(zhì)量。因此，機(jī)床通液壓油后，導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)部分浮起量將直接影響穩(wěn)定性改變進(jìn)給轉(zhuǎn)矩的輸出。在導(dǎo)軌的前后及側(cè)面幾個(gè)方向放置百分表，檢測(cè)導(dǎo)軌通壓力油后的浮起量為0.018～0.020mm，符合機(jī)床出廠精度，驗(yàn)證機(jī)床導(dǎo)軌無(wú)問題。那么進(jìn)給滑臺(tái)的阻力究竟在何處?出現(xiàn)了故障分析難題問題不明朗，到此故障已縮小到X 軸進(jìn)給阻力上。

(3)手動(dòng)推拉滑臺(tái)驗(yàn)證 由于驗(yàn)證機(jī)床導(dǎo)軌無(wú)問題，要再次證明X 軸阻力產(chǎn)生在何處，經(jīng)思考啟發(fā):運(yùn)用觸覺的辦法直接感覺X 軸轉(zhuǎn)矩變化，手動(dòng)推拉進(jìn)給滑臺(tái)是否有很大的摩擦阻力，判斷其阻力來(lái)自何處。操作方法:①機(jī)床液壓系統(tǒng)啟動(dòng)，讓靜壓導(dǎo)軌浮起。②手輪把Z 軸移到工件正前方 (防止異物干涉損壞砂輪)。③取消X 軸使能。④實(shí)際做推拉試驗(yàn)，用手推拉X 軸運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)。正常情況下:推拉很輕松，用很輕的力就能推拉移動(dòng)運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)?？墒菍?shí)際在分段手動(dòng)推拉過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)每段使用的推拉力不一致，非常不順暢，一個(gè)人費(fèi)力才能推走滑臺(tái)，并且有死點(diǎn)，特別是滑臺(tái)進(jìn)給到離終點(diǎn)部位處100mm 處，需要兩人來(lái)推拉滑臺(tái)才能移動(dòng)，這種人工感覺到的推拉阻力足以改變X 軸進(jìn)給轉(zhuǎn)矩，制約響應(yīng)速度。用同樣的方法推拉相同工序另一臺(tái)Landis 凸輪磨床XF0671作對(duì)比，單手30～50N 左右的力很輕松推動(dòng)，整個(gè)行程非常順暢。

對(duì)這兩臺(tái)機(jī)床的人力推拉對(duì)比驗(yàn)證分析得出結(jié)論:機(jī)床X 軸直線電動(dòng)機(jī)存在問題，原因:可能存在直線電動(dòng)機(jī)的線圈(初級(jí)部件)與磁鐵(次級(jí)部件)干涉，發(fā)生摩擦，摩擦阻力增大了進(jìn)給轉(zhuǎn)矩，致使快速響應(yīng)速度發(fā)生變化。

拆開X 軸直線電動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)初級(jí)線圈膨脹，膨脹后防護(hù)鋼板與磁鐵防護(hù)鋼板接觸，產(chǎn)生很大的摩擦力，且初級(jí)部件防護(hù)套即將磨穿，這就是進(jìn)給滑臺(tái)形成進(jìn)給阻力，改變進(jìn)給轉(zhuǎn)矩變化的問題所在，也是移動(dòng)快速響應(yīng)產(chǎn)生誤差的原因。確定進(jìn)給滑臺(tái)反向進(jìn)給時(shí)，初級(jí)和次級(jí)部件相互摩擦產(chǎn)生阻力，致使響應(yīng)速度遇阻力滯后，瞬間在零件上留下小平面，至此故障原因找到。

(4)問題的處理 按照機(jī)床維修說(shuō)明書要求，規(guī)范細(xì)致地安裝新的直線電動(dòng)機(jī)備件，電動(dòng)機(jī)安裝好后，在沒有使能的狀態(tài)下，通液壓油讓密封靜壓導(dǎo)軌浮起，手推滑臺(tái)感覺推拉力輕松，和XF0671 一樣，單手30～50N 的力很輕松推動(dòng)，整個(gè)行程非常順暢。這時(shí)再做X 軸同步，確認(rèn)同步做好后，空運(yùn)行機(jī)床約1h 沒有異常，按操作規(guī)程定標(biāo)修正砂輪，砂輪修好后，打表確認(rèn)中心架、卡盤跳動(dòng)，確認(rèn)無(wú)問題開始加工零件，檢測(cè)零件質(zhì)量小平面消失，精度恢復(fù)，機(jī)床故障處理完。

5.結(jié)語(yǔ)

設(shè)備某些零件因磨損而失去原有的功能和精度，就會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的故障難以查找，有些故障隱秘性強(qiáng)，需要層層分析，剝離故障的表面現(xiàn)象，最終完成故障的處理，恢復(fù)精度保證正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)對(duì)XF0663加工出的零件質(zhì)量問題的分析處理，針對(duì)不明確的難題，運(yùn)用邏輯性思維推論去具體分析，從而采取對(duì)應(yīng)的處理措施，特別是在理論分析和實(shí)際驗(yàn)證出現(xiàn)阻礙，故障仍不明朗的情況下，在故障分析驗(yàn)證判斷不準(zhǔn)的關(guān)鍵時(shí)刻，思考運(yùn)用手觸方法，巧妙地用手動(dòng)推拉進(jìn)給滑臺(tái)，直接感覺進(jìn)給滑臺(tái)摩擦力的變化，找到故障的癥結(jié)，順利地把故障處理好。這次凸輪加工出現(xiàn)的質(zhì)量問題，以往沒有出現(xiàn)過(guò)，因此，對(duì)日常維修過(guò)程中遇到的復(fù)雜技術(shù)問題作出些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，便于給從事Landis 凸輪軸加工機(jī)床的維修人員啟發(fā)和借鑒，有助于在維修過(guò)程中少走彎路，提高維修效率，規(guī)避質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，供讀者參考。