單軸立式珩磨機加工質(zhì)量提升及可靠性改進研究

陳　斌，於雙月，蒙旭喜

（上汽通用五菱汽車股份有限公司寶駿基地發(fā)動機工廠，廣西 柳州545007）

0　前言

珩磨是一種常用于光整產(chǎn)品表面的低速磨削工藝，發(fā)動機缸體線的珩磨機主要承擔汽缸體缸孔及曲軸孔的磨削，是Production Quality Control（簡稱PQC）的關(guān)鍵工位。立式珩磨機主軸工作行程相對較短，適用于汽缸筒相對不深的缸孔內(nèi)圓表面磨削，加工精度高，多根珩磨條裝配于珩磨頭中加工產(chǎn)品時工作效率高，帶有自動檢測裝置適用于100%對孔徑等尺寸進行在線測量，自動化生產(chǎn)過程中可以有效地避免不合格產(chǎn)品逃逸。隨著珩磨機多年運行部件磨損退化甚至失效，機床運行效率及可靠性降低，無法滿足當前緊張的生產(chǎn)任務。本文通過介紹單軸立式珩磨機結(jié)構(gòu)及工作原理，對當前的機床結(jié)構(gòu)及工藝等存在的問題進行分析，并結(jié)合多年積累的現(xiàn)場經(jīng)驗對機床實施改進，這些措施對新項目的機床設(shè)計具有參考價值。

1　單軸立式珩磨機結(jié)構(gòu)及工作原理

本文中加工缸孔的珩磨機是柳州某發(fā)動機工廠缸體線的單臺設(shè)備，處于OP200工位，缸孔珩磨工序的主要結(jié)構(gòu)由伺服放大器、變頻器、伺服電機或液壓缸、步進電機、齒輪箱、絲杠、聯(lián)軸器、軸承、珩磨主軸（單軸立式主軸上帶旋轉(zhuǎn)驅(qū)動頭、浮動連接桿）、珩磨頭、氣管、氣電轉(zhuǎn)換器、校零環(huán)、夾具、工作臺及上面的定位機構(gòu)組成。珩磨頭在伺服電機驅(qū)動下，在缸孔中進行上下往復的沖程運動；在變頻器控制的步進電機驅(qū)動下主軸完成旋轉(zhuǎn)運動，這兩者為珩磨機的主運動；伺服電機或液壓桿驅(qū)動珩磨條垂直于缸孔內(nèi)表面的擴張運動為進給運動。圖1中單軸立式珩磨機加工四缸B15系列發(fā)動機缸體時，主軸及前端連接的珩磨頭穿過校零環(huán)、夾具內(nèi)圓，在伺服電機驅(qū)動下珩磨頭在缸孔的上止點、下止點間進行往復磨削，珩磨條在伺服電機驅(qū)動下按照設(shè)定的參數(shù)進給擴張或收縮，去除缸孔內(nèi)壁70 μm左右的表面材料，獲得符合工藝要求的圓度、粗糙度及網(wǎng)紋。

圖1　單軸立式珩磨機結(jié)構(gòu)簡圖

2　缸孔加工工藝及存在的問題

2.1　現(xiàn)有缸孔加工工藝

汽缸體缸孔經(jīng)過加工中心粗鏜、精鏜加工后，缸孔表面的磨削在珩磨機完成，主要分為粗珩、半精珩、精珩（平臺珩）三道工序，每道工序由單根懸垂的主軸完成加工。粗珩主要是去除前工序預留下來的一部分余量，通過調(diào)整參數(shù)分配半精珩的余量，分攤珩磨機加工缸孔的時間，并獲得一定的幾何形狀及表面粗糙度；半精珩去除大部分缸孔余量，主要是為了保證缸孔的圓度、圓柱度合格，對刀具的切削性能、加工控制參數(shù)、設(shè)備部件狀態(tài)的可靠性都有很高的要求；精珩去除剩余極少的余量，獲得合格的表面粗糙度及網(wǎng)紋。

2.2　缸孔加工存在的問題

根據(jù)圖2中提取的Q-DAS數(shù)據(jù)反饋當前珩磨機加工缸孔圓度超差頻繁，三坐標測量報告顯示缸孔圓度超差的情況集中在#002、#003缸孔的Point3及Point4對應圓截面（簡稱P3、P4截面，對應三坐標測量缸孔-60 mm、-90 mm的截面位置），超差數(shù)值主要分布在5.0 μm～5.9 μm之間。針對圓度超差的問題，本文對缸孔加工工藝存在的問題，重點應該分析影響半精珩工序加工不穩(wěn)定的因素。

圖2　B15缸體圓度測量位置及Q-DAS數(shù)據(jù)圖

3　缸孔圓度超差原因分析及控制措施

針對缸孔圓度超差的問題，從“人、機、料、法、環(huán)”五個方面分析影響半精珩工序加工不穩(wěn)定的因素，并結(jié)合現(xiàn)場制定相應的控制措施。

3.1　人的因素

主要有三個方面的潛在原因：

（1）由于電機未采用絕對值編碼器，控制電源關(guān)閉或機床斷電后，系統(tǒng)無法確定漲刀驅(qū)動機構(gòu)當前狀態(tài)，因此生產(chǎn)前操作人員首先要做的工作就是回參考點[1]，如果開機不回參考點就直接加工會造成缸孔直徑過大，導致缸孔圓度超差而報廢，所以必須把該項內(nèi)容編寫到操作的標準化作業(yè)指導書中作為長期措施執(zhí)行。

（2）生產(chǎn)過程中珩磨條加工磨損到設(shè)定壽命需要更換時，珩磨頭上的在線檢測氣管安裝不到位漏氣，收縮彈簧安裝不到位脫落等均會造成圓度超差，操作人員要嚴格根據(jù)換刀操作的標準化作業(yè)指導書來執(zhí)行。

（3）珩磨軸上的驅(qū)動頭維護不當造成漏氣，珩磨軸浮動連接桿安裝不當造成珩磨軸旋轉(zhuǎn)擺角過大，都會影響加工缸孔的圓度，維修人員在Preventive Maintenance（簡稱PM），即預防性維修作業(yè)過程中要認真按照維修標準化作業(yè)指導書來執(zhí)行到位。

3.2　機器的原因

3.2.1主軸驅(qū)動頭磨損

主軸驅(qū)動頭是主軸的連接部件，磨削時驅(qū)動頭隨主軸整體旋轉(zhuǎn)，在線監(jiān)測的氣流通過驅(qū)動頭內(nèi)部腔室分流，經(jīng)氣管與珩磨頭相接。驅(qū)動頭由于潤滑腔沒有設(shè)計注油口，導致加注潤滑脂實施困難，內(nèi)部密封圈選材太軟，受熱高溫易變形，長期運行內(nèi)部產(chǎn)生很多雜質(zhì)不能及時清除，內(nèi)部摩擦力變大，驅(qū)動頭及內(nèi)部密封圈容易磨損（如圖3），使用壽命降低，磨損后漏氣導致在線監(jiān)測的氣電轉(zhuǎn)換器反饋的高速跳轉(zhuǎn)信號存在誤差，造成圓度超差。

圖3　驅(qū)動頭及內(nèi)部密封圈磨損圖

措施制定：改進驅(qū)動頭結(jié)構(gòu)，增加潤滑油加注口，脂潤滑方式改為集中自動油潤滑，提高潤滑效果，同時選用硬質(zhì)耐高溫的骨架密封圈替代現(xiàn)有密封。

3.2.2夾具設(shè)計缺陷

半精珩工序的夾具夾緊板兩端設(shè)計呈“馬掌”型，與工件 頂部#399面橋式接觸，加工過程中夾緊板向下壓緊#1、#4缸孔邊緣，無法壓緊#2、#3缸孔頂部。B15缸體缸孔中部因水道包圍缸孔內(nèi)壁支撐少，主軸往復沖程加工過程中缸孔變形量大，易造成圓度超差。此種夾具設(shè)計無法抑制#2、#3缸孔在加工過程中缸孔內(nèi)部受力形變，應用NX三維建模對缸孔各截面進行受力分析，如圖4.

圖4　夾具及加工受力分析圖

措施制定：在現(xiàn)有夾具基礎(chǔ)上新增整體式壓板裝置，消除#2、#3缸孔加工時頂部無壓緊的缺陷。

3.2.3校零環(huán)磨損

珩磨頭校零環(huán)內(nèi)圓是一個三臺階面的圓環(huán)，上下兩個圓環(huán)為導向環(huán)，直徑比中間環(huán)大，主要是珩磨頭在加工前或加工結(jié)束后會進入校零環(huán)，起導向作用。中間環(huán)是珩磨頭收刀回參考點的Master Ring，珩磨頭進入校零環(huán)后主軸仍不能停止旋轉(zhuǎn)，導致珩磨頭與Master Ring內(nèi)壁發(fā)生干涉，X向與Y向呈不規(guī)則磨損變形，見圖5，生產(chǎn)前操作人員做的珩磨條回參考點過程存在偏差，導致加工缸孔圓度超差。

圖5　校零環(huán)磨損圖

措施制定：優(yōu)化控制主軸旋轉(zhuǎn)的變頻器制動參數(shù)，以降低珩磨頭與校準環(huán)磨損。

3.3　毛坯的誤差

雖然工廠對不同的供應商的毛坯供應要求是一樣的，不同發(fā)動機毛坯供應商提供的缸體毛坯金相組織、硬度等在合格范圍內(nèi)，但也會有所不同。生產(chǎn)中切換不同的毛坯加工節(jié)拍不可避免的引起波動，如果盲目去調(diào)整珩磨加工參數(shù)，可能也會引起圓度超差。所以在設(shè)備加工節(jié)拍不穩(wěn)定的情況下，現(xiàn)場操作人員要及時與現(xiàn)場管理人員要溝通好，確保來料更換后加工質(zhì)量受控。

另外，缸體線OP200工位珩磨機是單臺設(shè)備，而前工位OP190加工中心分A/B線加工完成后，隨機流向OP200珩磨工位，OP190A/B線來料的缸孔直徑波動直接影響到珩磨加工節(jié)拍。如果OP190工位來料的缸孔直徑過大，即接近上公差，則OP200珩磨工位的實際節(jié)拍會比理論節(jié)拍快，粗珩工序加工完后，留給半精珩的余量不足，無法修復前道工序變形的缸孔，造成圓度超差；如果OP190工位來料的缸孔直徑過小，即接近下公差，則OP200珩磨工位的實際節(jié)拍會比理論節(jié)拍慢，即節(jié)拍超差，此時為了滿足節(jié)拍要求而立即調(diào)整半精珩進給壓力和進給速度等參數(shù)，則在連續(xù)不斷的生產(chǎn)過程中由于OP190A/B線尺寸不同而反復地調(diào)整參數(shù)，造成珩磨機節(jié)拍波動過大，這個為滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求而頻繁調(diào)整加工參數(shù)的過程影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性會間接造成圓度超差。用散點圖分析實際加工節(jié)拍波動情況，跟蹤20件來料，記錄它們在珩磨機工位加工的實際節(jié)拍，圖6中以96 s為分割線，黑粗線分割線以下的數(shù)據(jù)為OP190 A線的節(jié)拍，黑粗線分割線以上的數(shù)據(jù)為OP190 B線的節(jié)拍，呈現(xiàn)出A/B線來料余量不一致導致平均節(jié)拍有2 s~4 s左右的波動。

圖6　節(jié)拍統(tǒng)計圖

制定措施：查看OP190A/B線Q-DAS數(shù)據(jù)，并對OP190A/B線加工缸孔去除余量做相應補償后重新分配，盡量調(diào)整OP190A/B線加工完的缸孔直徑接近中值，減少由于來料直徑波動調(diào)整加工參數(shù)間接造成圓度超差問題。

3.4　加工方法誤差

立式主軸在步進電機驅(qū)動下順時針旋轉(zhuǎn)，按照缸孔#004缸孔→#003缸孔→#002缸孔→001缸孔的加工順序執(zhí)行磨削。在加工參數(shù)不做變更的情況下，更改加工順序1：#004缸孔→#002缸孔→#003缸孔→001缸孔，驗證無明顯改善；更改加工順序2：#004缸孔→001缸孔→#002缸孔→#003缸孔，驗證無明顯改善。為驗證珩磨條砂粒脫落對圓度的影響，更換砂粒更容易脫落的國產(chǎn)珩磨條驗證，圓度有所改善，但是需要長時間加工驗證穩(wěn)定性。重新分配粗珩和半精珩的加工余量，減少粗珩的加工余量，增加半精珩的加工余量可作為嘗試驗證，驗證結(jié)果圓度有改善，但是半精珩節(jié)拍明顯超過理論節(jié)拍。以上涉及改變加工工藝的驗證方法需要嚴格按照工程變更流程進行驗證，并做好數(shù)據(jù)記錄及程序備份，以便恢復機床到驗證前的狀態(tài)。以上方法驗證后確認當前加工方法不是導致圓度超差的原因。

3.5　環(huán)境影響

過程控制要求對切削液的雜質(zhì)含量有要求小于50PPM，切削液采用奎克388 PE水基溶液，切削液的潤滑作用可以降低珩磨條摩擦，但是機床長期運行過濾系統(tǒng)中沉淀的鐵屑太多沒有及時排除，會導致切削液整體雜質(zhì)含量升高，影響珩磨頭磨削過程中的收漲，珩磨條卡滯會影響加工缸孔的圓度。

措施制定：對過濾系統(tǒng)實施改造減少切削液雜質(zhì)含量。

4　實施案例及改進成效

4.1　夾具改進

通過對現(xiàn)有夾具基礎(chǔ)上新增整體式壓板裝置壓緊#2、#3缸孔頂部#399面，并制定檢查標準，定期對安裝的壓緊板進行檢查確認壓緊間隙，提取QDAS數(shù)據(jù)顯示夾具改進后，缸孔的圓度數(shù)據(jù)分布在4.2 μm以內(nèi)，達到控制計劃圓度小于5 μm的要求。夾具壓緊板結(jié)構(gòu)改進如圖7所示。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖7　夾具壓緊板結(jié)構(gòu)改進

4.2　主軸驅(qū)動頭潤滑改進及密封改進

對主軸驅(qū)動頭潤滑腔內(nèi)的密封圈重新選用材質(zhì)硬，受熱高溫不易變形的密封圈，鉆孔安裝增加潤滑油管，增加程序監(jiān)控，自動油潤滑代替人工脂質(zhì)潤滑，根據(jù)MAXIMO系統(tǒng)導出故障記錄2年時間沒有再發(fā)生過此種故障，目前只要PM定期檢查維護得當，驅(qū)動頭潤滑的充分性得到有效保證，設(shè)備穩(wěn)定性明顯提高，如圖8.

圖8　主軸驅(qū)動頭潤滑改進（左）及密封改進（右）示意圖

4.3　變頻器參數(shù)優(yōu)化抑制校零環(huán)磨損

基于AB Drive Tools軟件優(yōu)化控制主軸制動的變頻器參數(shù)#158、#159，表1.

表1　Drive Tools參數(shù)

#158：DC Brake Level制動電流，AB PF70 系列變頻器制動主軸旋轉(zhuǎn)的參數(shù)；

#159：DC Brake Time 制動時間，AB PF70系列變頻器制動主軸旋轉(zhuǎn)的參數(shù)。

以上參數(shù)優(yōu)化后，跟蹤校零環(huán)的初始電壓值形成趨勢圖分析，圖9中，優(yōu)化后的趨勢圖2斜率比優(yōu)化前的趨勢圖1明顯減小，校零環(huán)備件的使用壽命從2個月左右延長到15個月，校零環(huán)異常磨損消耗問題得到有效抑制，并且跟蹤發(fā)現(xiàn)磨損呈現(xiàn)出有規(guī)律的周期，這樣就可以根據(jù)初始電壓值接近曲線最大值10 V左右時，安排在非生產(chǎn)期間更換接近磨損的校零環(huán)備件。

圖9　初始電壓值趨勢圖

4.4　OP190A/B線來料的缸孔直徑波動性問題優(yōu)化

優(yōu)化OP190A/B缸孔MARPOSS補償幾何系數(shù)K1、K2、K3、K4、K5、K6 值，把 A 線 K1～K6 值由 0 um優(yōu)化到-5 μm，B 線 K1～K6值由-5 μm 優(yōu)化到-10 μm，缸孔直徑調(diào)到中值，減少A/B線缸孔預留余量，及分配到OP200不一致造成的節(jié)拍波動，OP200加工平均每工件節(jié)約4 s左右。優(yōu)化后節(jié)拍從97 s～98 s降到94 s以左右，OP200珩磨機的節(jié)拍波動問題得到抑制，工作效率明顯提升，OP190來料缸孔直徑波動大的問題得到解決，間接解決了由于來料問題導致OP200圓度超差的問題。

4.5　切削液過濾系統(tǒng)改進

切削液雜質(zhì)含量的控制除了對切削液的過濾材料的過濾精度嚴格要求外，每天員工對切削液的抽樣檢測是件很重要的工作內(nèi)容，切削液雜質(zhì)含量超過標準直接影響珩磨條的收縮和擴張，珩磨切削能力下降。通過改造使使加工倉切削液先由二級過濾（磁粉器+濾紙）排除大部分鐵屑，再流到一級過濾（沉淀箱），減少箱體內(nèi)鐵削含量，改造過濾系統(tǒng)過濾順序后，驗證凈液箱和加工倉沖洗管路口的切削液雜質(zhì)含量抽樣檢測結(jié)果均小于50PPM，珩磨條在加工過程中卡滯頻次記錄由11次/月降低到0次/月，該問題得到有效抑制。

5　結(jié)束語

本文介紹了單軸立式珩磨機結(jié)構(gòu)及工作原理，從機械設(shè)計、控制參數(shù)、工藝全面的分析并落實改進措施后，抑制了珩磨機加工缸孔圓度數(shù)據(jù)超差的問題，提高了單軸立式珩磨機運行效率及可靠性。這些寶貴的改進經(jīng)驗可以合理地輸入到新項目的設(shè)計中，具有很好的參考價值。