淺談曲軸圓角滾壓設(shè)備刀具監(jiān)控功能及其應(yīng)用

(上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007）

曲軸圓角滾壓強(qiáng)化具有成本低、效率高和強(qiáng)化效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外圓角滾壓的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在整個(gè)曲軸中所占的比例已從七十年代的50%提高到現(xiàn)在的80%左右，而轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸則幾乎無(wú)一例外地采用圓角滾壓工藝進(jìn)行強(qiáng)化。因此，曲軸圓角滾壓技術(shù)已成為發(fā)展汽車(chē)工業(yè)，尤其是轎車(chē)工業(yè)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圓角滾壓對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影響很大，滾壓過(guò)程中若出現(xiàn)刀具破損、刀體損壞等情況，將直接導(dǎo)致曲軸疲勞強(qiáng)度不足，曲軸報(bào)廢或發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中曲軸斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。所以，在曲軸圓角滾壓過(guò)程當(dāng)中，設(shè)備需要具備一項(xiàng)很重要的功能——將滾壓過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況檢測(cè)出來(lái)，那就是刀具監(jiān)控功能。由于來(lái)料工件的質(zhì)量、工件清潔度、滾壓刀具的磨損、滾壓刀具的破損以及設(shè)備精度不足都會(huì)影響曲軸的滾壓效果，降低曲軸的疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致曲軸在正常運(yùn)行過(guò)程中斷裂，刀具監(jiān)控功能則可以在第一時(shí)間將這些缺陷檢測(cè)出來(lái)，從而確保了工件加工后的質(zhì)量以及滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度要求。本文主要講述了曲軸圓角滾壓設(shè)備刀具監(jiān)控功能的原理及其在實(shí)際加工中的應(yīng)用，推廣曲軸圓角滾壓刀具監(jiān)控技術(shù)，指導(dǎo)技術(shù)人員合理設(shè)置刀具監(jiān)控范圍，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備刀具監(jiān)控原理

刀具監(jiān)控是在曲軸滾壓過(guò)程中，利用磁柵尺檢測(cè)前后滾壓臂的轉(zhuǎn)角位移量，將這些轉(zhuǎn)角位移量信號(hào)以波形形式輸出，并對(duì)這些波形信號(hào)進(jìn)行不同形式的分析，判定所采集的數(shù)據(jù)是否在設(shè)置的監(jiān)控范圍之內(nèi)，從而判斷整個(gè)滾壓過(guò)程是否正常的監(jiān)測(cè)手段。

根據(jù)對(duì)磁柵尺檢測(cè)的波形信號(hào)分析的形式不同，可將刀具監(jiān)控類(lèi)型分為刀具監(jiān)控Ⅰ和刀具監(jiān)控Ⅱ。

1.1 滾壓?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

曲軸圓角滾壓滾壓?jiǎn)卧乔S圓角滾壓的主體，如圖1所示，主要由前、后滾壓臂、支撐輪、滾壓輪、磁柵尺、滾壓油輸出油路、滾壓臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。

其工作原理為：滾壓輪裝在前滾壓臂上，支撐輪裝在后滾壓臂上，滾壓油輸出油路輸出的滾壓油可用來(lái)清洗和潤(rùn)滑滾壓輪和支撐輪。前后滾壓臂的夾緊通過(guò)滾壓臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，利用磁柵尺檢測(cè)前后滾壓臂夾緊后的轉(zhuǎn)角位移，并通過(guò)PMS系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)角位移波形進(jìn)行分析，從而得到刀具監(jiān)控Ⅰ和刀具監(jiān)控Ⅱ的分析數(shù)據(jù)。

圖1滾壓?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)圖

1.2 磁柵尺檢測(cè)原理

對(duì)整個(gè)滾壓過(guò)程中前后滾壓臂的轉(zhuǎn)角位移通過(guò)磁柵尺感應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，磁柵尺信號(hào)采集原理如圖2所示。

圖2 磁柵尺信號(hào)采集原理圖

磁柵傳感器由磁柵（簡(jiǎn)稱(chēng)磁尺）、磁頭和檢測(cè)電路組成。磁尺是用非導(dǎo)磁性材料做尺基，在尺基的上面鍍一層均勻的磁性薄膜，然后錄上一定波長(zhǎng)的磁信號(hào)而制成的。磁信號(hào)的波長(zhǎng)（周期）又稱(chēng)節(jié)距，用W表示。磁信號(hào)的極性是首尾相接，在N、N重疊處為正的最強(qiáng)，在S、S重疊處為負(fù)的最強(qiáng)。當(dāng)磁尺和磁頭產(chǎn)生相對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)磁頭來(lái)檢測(cè)磁性的強(qiáng)弱，從而知道磁尺和磁頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移信號(hào)，或者是轉(zhuǎn)角位移信號(hào)。

1.3 刀具監(jiān)控I原理

通過(guò)磁柵尺采集的勵(lì)磁信號(hào)進(jìn)行處理，如圖3所示，截取固定頻率段的波形信號(hào)進(jìn)行分析，如圖4所示，當(dāng)該頻率段信號(hào)最高振幅超出設(shè)置監(jiān)控振幅時(shí)，便觸發(fā)刀具監(jiān)控I報(bào)警。

圖3刀具監(jiān)控I數(shù)據(jù)收集波形圖

圖4刀具監(jiān)控I數(shù)據(jù)判定分析界面

1.4 刀具監(jiān)控Ⅱ原理

通過(guò)磁柵尺采集的勵(lì)磁信號(hào)進(jìn)行處理，截取每20 ms內(nèi)的波形信號(hào)進(jìn)行分析，采集該20 ms內(nèi)超出監(jiān)控振幅的幅值進(jìn)行求和計(jì)算，總和大于監(jiān)控設(shè)置沖量等級(jí)，便觸發(fā)刀具監(jiān)控Ⅱ報(bào)警。

圖5 刀具監(jiān)控Ⅱ數(shù)據(jù)收集波形圖

圖6刀具監(jiān)控Ⅱ數(shù)據(jù)判定分析界面

2 刀具監(jiān)控參數(shù)的設(shè)置

2.1 刀具監(jiān)控I參數(shù)設(shè)置

刀具監(jiān)控I是監(jiān)控整個(gè)滾壓過(guò)程中某個(gè)頻率段的最高幅值，當(dāng)該最高幅值大于預(yù)警級(jí)別，機(jī)床會(huì)產(chǎn)生預(yù)警信號(hào)，亮黃燈；當(dāng)該最高幅值大于報(bào)警級(jí)別，機(jī)床會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，亮紅燈。

圖7刀具監(jiān)控I數(shù)據(jù)收集波形圖

圖7刀具監(jiān)控I數(shù)據(jù)收集波形圖為，有兩點(diǎn)信息需要進(jìn)一步進(jìn)行分析。

（1）為何整個(gè)波形圖中頻率相隔約2 Hz便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突跳？

因?yàn)槟壳皺C(jī)床設(shè)置滾壓圈數(shù)12圈，每圈頻率間隔相差約2 Hz，每滾壓一圈結(jié)束后，計(jì)算出一個(gè)振幅最大值，該最大幅值產(chǎn)生的準(zhǔn)確頻率段是通過(guò)加工工件的直徑、加工刀具尺寸、滾壓速度決定的，由于涉及到技術(shù)方面的機(jī)密問(wèn)題，對(duì)此不進(jìn)行詳細(xì)分析。

（2）何整個(gè)波形圖中振幅會(huì)產(chǎn)生衰減？

因?yàn)樵谡麄€(gè)滾壓過(guò)程中，工件表面圓度、輪廓度均得到進(jìn)一步的改善，進(jìn)而使每一圈的監(jiān)控振幅最大值逐漸減小。

2.2 刀具監(jiān)控Ⅱ參數(shù)設(shè)置

刀具監(jiān)控Ⅱ參數(shù)設(shè)置如圖8和圖9所示。

圖8刀具監(jiān)控Ⅱ?yàn)V波數(shù)據(jù)采集

圖9刀具監(jiān)控Ⅱ監(jiān)控參數(shù)設(shè)置

從刀具監(jiān)控Ⅱ的監(jiān)控原理可以看出，可通過(guò)以下方式對(duì)刀具監(jiān)控Ⅱ參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：

（1）沖量等級(jí)（P1204）設(shè)置：通過(guò)修改沖量等級(jí)，直接修改了刀具監(jiān)控Ⅱ的數(shù)據(jù)采集區(qū)間，進(jìn)而使采集數(shù)據(jù)發(fā)生變化。在預(yù)警級(jí)別、報(bào)警級(jí)別不變的前提下，直接影響了刀具監(jiān)控Ⅱ的監(jiān)控靈敏度。如圖9所示，若沖量等級(jí)設(shè)置為10，則計(jì)算20 ms內(nèi)數(shù)值10上方的數(shù)據(jù)；若沖量等級(jí)設(shè)置為12，則計(jì)算20 ms內(nèi)數(shù)值12上方的數(shù)據(jù)。

（2）報(bào)警級(jí)別（P1205）設(shè)置：報(bào)警級(jí)別是以超出沖量等級(jí)后的數(shù)據(jù)20 ms內(nèi)進(jìn)行求和計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行判定是否紅色報(bào)警的標(biāo)準(zhǔn)，如果修改了報(bào)警級(jí)別，也就相當(dāng)于修改了判定標(biāo)準(zhǔn)，直接影響刀具監(jiān)控Ⅱ的報(bào)警靈敏度。

（3）預(yù)警級(jí)別（P1206）設(shè)置：預(yù)警級(jí)別是以超出沖量等級(jí)后的數(shù)據(jù)20 ms內(nèi)進(jìn)行求和計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行判定是否黃色預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)，如果修改了預(yù)警級(jí)別，只是改變了刀具監(jiān)控的預(yù)警靈敏度，對(duì)刀具監(jiān)控Ⅱ的報(bào)警沒(méi)有影響。

3 刀具監(jiān)控功能的實(shí)際運(yùn)用

刀具監(jiān)控功能原理：通過(guò)磁柵尺感應(yīng)對(duì)整個(gè)滾壓過(guò)程中前后滾壓臂的轉(zhuǎn)角位移進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行不同方式的統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而得到刀具監(jiān)控Ⅰ、刀具監(jiān)控Ⅱ兩種監(jiān)控方式。所以，刀具監(jiān)控的作用就是：將所有可能引起前后滾壓臂轉(zhuǎn)角位移變化的因素都可以通過(guò)兩種刀具監(jiān)控方式探測(cè)出來(lái)，進(jìn)而提前發(fā)現(xiàn)缺陷并作出相應(yīng)的反應(yīng)計(jì)劃。

以下將通過(guò)幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子說(shuō)明刀具監(jiān)控在實(shí)際加工中的作用。

3.1 案例1：對(duì)曲軸線(xiàn)車(chē)車(chē)?yán)瓩C(jī)床中心架破損引起主軸頸跳動(dòng)偏大的探測(cè)

2014年10月9日，曲軸線(xiàn)滾壓機(jī)頻繁出現(xiàn)第三滾壓?jiǎn)卧毒弑O(jiān)控Ⅱ報(bào)警，如圖10所示，利用FlexNet（工件信息查詢(xún)系統(tǒng)）查詢(xún)10件報(bào)警件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這10件工件均為OP20工位第二臺(tái)車(chē)車(chē)?yán)瓩C(jī)床加工。根據(jù)這一特征，從該機(jī)床直接抽檢5件工件測(cè)量主軸頸跳動(dòng)，測(cè)量結(jié)果顯示工件M1、M5軸頸跳動(dòng)偏大，跳動(dòng)上限為0.15，實(shí)際跳動(dòng)值最大已經(jīng)達(dá)到0.129。經(jīng)檢查機(jī)床發(fā)現(xiàn)機(jī)床中心架滾輪破損，造成滾輪卡滯、工件跳動(dòng)偏大，更換滾輪后，OP50工位曲軸圓角滾壓設(shè)備刀具監(jiān)控Ⅱ報(bào)警消除。圖11為OP20機(jī)床中心架滾輪破損圖。

圖10第三單元刀具監(jiān)控Ⅱ監(jiān)控頻繁報(bào)警

圖11 OP20機(jī)床中心架滾輪破損

3.2 案例2：對(duì)曲軸線(xiàn)連桿頸外銑圓度超差的探測(cè)

2014年8月24日，曲軸線(xiàn)滾壓機(jī)頻繁報(bào)滾壓臂2、4、6、8單元刀具監(jiān)控 II報(bào)警（如圖 12所示）。也就是所有連桿頸滾壓均激發(fā)了刀具監(jiān)控II報(bào)警，檢查機(jī)床未發(fā)現(xiàn)異常，利用FlexNet系統(tǒng)查詢(xún)?cè)撆鷪?bào)警件，均為OP30工位第二臺(tái)連桿頸外銑機(jī)床加工。隨后對(duì)該機(jī)床加工工件進(jìn)行連桿頸圓度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示連桿頸外圓圓度最大達(dá)0.127（如圖13所示），對(duì)機(jī)床進(jìn)行圓度補(bǔ)償，將工件連桿頸圓度控制在0.06以?xún)?nèi)加工，機(jī)床運(yùn)行無(wú)報(bào)警。

圖12所有連桿頸滾壓均激發(fā)刀監(jiān)Ⅱ報(bào)警

圖13 OP30連桿頸圓度最大達(dá)0.127

3.3 案例3：對(duì)曲軸線(xiàn)滾壓機(jī)滾壓刀具破損的探測(cè)

2014年8月18日 15：00，曲軸線(xiàn)OP50工位滾壓機(jī)P4連桿頸刀具監(jiān)控I&II報(bào)警，檢查發(fā)現(xiàn)零件P4靠芯軸側(cè)溝槽有刀痕，停機(jī)檢查刀具發(fā)現(xiàn)左邊滾壓輪有2 mm的崩口，如圖14所示。從該例子可以看出，合理設(shè)置刀具監(jiān)控值，可以及時(shí)探測(cè)刀具破損等缺陷。

圖14 滾壓輪有2mm的崩口

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)合理地設(shè)置刀具監(jiān)控值，可以有效地監(jiān)控出來(lái)料工件質(zhì)量、刀具的破損狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)缺陷，防止缺陷逃逸。從本文例子可以看出，刀具監(jiān)控的作用不僅僅只是針對(duì)刀具破損的探測(cè)，對(duì)來(lái)料工件的質(zhì)量也起到了很好的探測(cè)作用，當(dāng)上工位設(shè)備出現(xiàn)異常并造成工件跳動(dòng)、軸頸圓度變大時(shí)，滾壓機(jī)的刀具監(jiān)控就起到了很大的探測(cè)作用。

但是，過(guò)嚴(yán)的刀具監(jiān)控參數(shù)值設(shè)置，會(huì)造成設(shè)備誤報(bào)警頻繁，即使工件跳動(dòng)或軸頸圓度稍微變大，或者工件表面不干凈、滾壓刀具磨損等，都會(huì)激發(fā)刀具監(jiān)控報(bào)警，影響生產(chǎn)線(xiàn)正常運(yùn)行；過(guò)寬的刀具監(jiān)控值設(shè)置，又會(huì)導(dǎo)致當(dāng)產(chǎn)生工件質(zhì)量問(wèn)題或刀具破損時(shí)，設(shè)備沒(méi)有在第一時(shí)間將這些問(wèn)題探測(cè)出來(lái)，失去了設(shè)備的監(jiān)控效果，刀具破損時(shí)還會(huì)造成溝槽滾壓不光滑，疲勞強(qiáng)度達(dá)不到要求，曲軸壽命降低，工件報(bào)廢。

[1]薛隆泉，劉榮昌，崔亞輝 .曲軸圓角滾壓運(yùn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38(1):146-148.

[2]李鎖牢,薛隆泉,邊寶麗.曲軸圓角滾壓加工機(jī)理及滾壓工藝參數(shù)設(shè)計(jì)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2010，37(4):102-103.

[3]王立錦，李希勝.AMR磁柵尺磁頭輸出波形的半次諧波現(xiàn)象與分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(3):1-3.