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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)，國外圓角滾壓的發(fā)動機(jī)曲軸在整個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，而轎車發(fā)動機(jī)曲軸則幾乎無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)展汽車工業(yè)，尤其是轎車工業(yè)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圓角滾壓對曲軸疲勞強(qiáng)度的影響很大，滾壓過程中若出現(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)動機(jī)運(yùn)行過程中曲軸斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。所以，在曲軸圓角滾壓過程當(dāng)中，設(shè)備需要具備一項(xiàng)很重要的功能——將滾壓過程中出現(xiàn)的異常情況檢測出來，那就是刀具監(jiān)控功能。由于來料工件的質(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)行過程中斷裂，刀具監(jiān)控功能則可以在第一時間將這些缺陷檢測出來，從而確保了工件加工后的質(zhì)量以及滿足疲勞強(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)控是在曲軸滾壓過程中，利用磁柵尺檢測前后滾壓臂的轉(zhuǎn)角位移量，將這些轉(zhuǎn)角位移量信號以波形形式輸出，并對這些波形信號進(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)，從而判斷整個滾壓過程是否正常的監(jiān)測手段。

根據(jù)對磁柵尺檢測的波形信號分析的形式不同，可將刀具監(jiān)控類型分為刀具監(jiān)控Ⅰ和刀具監(jiān)控Ⅱ。

1.1 滾壓單元結(jié)構(gòu)簡介

曲軸圓角滾壓滾壓單元是曲軸圓角滾壓的主體，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清洗和潤滑滾壓輪和支撐輪。前后滾壓臂的夾緊通過滾壓臂驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動，利用磁柵尺檢測前后滾壓臂夾緊后的轉(zhuǎn)角位移，并通過PMS系統(tǒng)對轉(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滾壓單元結(jié)構(gòu)圖

1.2 磁柵尺檢測原理

對整個滾壓過程中前后滾壓臂的轉(zhuǎn)角位移通過磁柵尺感應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，磁柵尺信號采集原理如圖2所示。

圖2 磁柵尺信號采集原理圖

磁柵傳感器由磁柵（簡稱磁尺）、磁頭和檢測電路組成。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，然后錄上一定波長的磁信號而制成的。磁信號的波長（周期）又稱節(jié)距，用W表示。磁信號的極性是首尾相接，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)生相對遠(yuǎn)動時，通過磁頭來檢測磁性的強(qiáng)弱，從而知道磁尺和磁頭相對運(yùn)動的位移信號，或者是轉(zhuǎn)角位移信號。

1.3 刀具監(jiān)控I原理

通過磁柵尺采集的勵磁信號進(jìn)行處理，如圖3所示，截取固定頻率段的波形信號進(jìn)行分析，如圖4所示，當(dāng)該頻率段信號最高振幅超出設(shè)置監(jiān)控振幅時，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

通過磁柵尺采集的勵磁信號進(jìn)行處理，截取每20 ms內(nèi)的波形信號進(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，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)控整個滾壓過程中某個頻率段的最高幅值，當(dāng)該最高幅值大于預(yù)警級別，機(jī)床會產(chǎn)生預(yù)警信號，亮黃燈；當(dāng)該最高幅值大于報(bào)警級別，機(jī)床會產(chǎn)生報(bào)警信號，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）為何整個波形圖中頻率相隔約2 Hz便會產(chǎn)生一個突跳？

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)算出一個振幅最大值，該最大幅值產(chǎn)生的準(zhǔn)確頻率段是通過加工工件的直徑、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)密問題，對此不進(jìn)行詳細(xì)分析。

（2）何整個波形圖中振幅會產(chǎn)生衰減？

因?yàn)樵谡麄€滾壓過程中，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，可通過以下方式對刀具監(jiān)控Ⅱ參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：

（1）沖量等級（P1204）設(shè)置：通過修改沖量等級，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)警級別、報(bào)警級別不變的前提下，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)警級別（P1205）設(shè)置：報(bào)警級別是以超出沖量等級后的數(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)警級別（P1206）設(shè)置：預(yù)警級別是以超出沖量等級后的數(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)警級別，只是改變了刀具監(jiān)控的預(yù)警靈敏度，對刀具監(jiān)控Ⅱ的報(bào)警沒有影響。

3 刀具監(jiān)控功能的實(shí)際運(yùn)用

刀具監(jiān)控功能原理：通過磁柵尺感應(yīng)對整個滾壓過程中前后滾壓臂的轉(zhuǎn)角位移進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對采集數(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兩種刀具監(jiān)控方式探測出來，進(jìn)而提前發(fā)現(xiàn)缺陷并作出相應(yīng)的反應(yīng)計(jì)劃。

以下將通過幾個實(shí)際應(yīng)用的例子說明刀具監(jiān)控在實(shí)際加工中的作用。

3.1 案例1：對曲軸線車車?yán)瓩C(jī)床中心架破損引起主軸頸跳動偏大的探測

2014年10月9日，曲軸線滾壓機(jī)頻繁出現(xiàn)第三滾壓單元刀具監(jiān)控Ⅱ報(bào)警，如圖10所示，利用FlexNet（工件信息查詢系統(tǒng)）查詢10件報(bào)警件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這10件工件均為OP20工位第二臺車車?yán)瓩C(jī)床加工。根據(jù)這一特征，從該機(jī)床直接抽檢5件工件測量主軸頸跳動，測量結(jié)果顯示工件M1、M5軸頸跳動偏大，跳動上限為0.15，實(shí)際跳動值最大已經(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：對曲軸線連桿頸外銑圓度超差的探測

2014年8月24日，曲軸線滾壓機(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)查詢該批報(bào)警件，均為OP30工位第二臺連桿頸外銑機(jī)床加工。隨后對該機(jī)床加工工件進(jìn)行連桿頸圓度測量，測量結(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以內(nèi)加工，機(jī)床運(yùn)行無報(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：對曲軸線滾壓機(jī)滾壓刀具破損的探測

2014年8月18日 15：00，曲軸線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，可以及時探測刀具破損等缺陷。

圖14 滾壓輪有2mm的崩口

4 結(jié)束語

通過合理地設(shè)置刀具監(jiān)控值，可以有效地監(jiān)控出來料工件質(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刀具破損的探測，對來料工件的質(zhì)量也起到了很好的探測作用，當(dāng)上工位設(shè)備出現(xiàn)異常并造成工件跳動、軸頸圓度變大時，滾壓機(jī)的刀具監(jiān)控就起到了很大的探測作用。

但是，過嚴(yán)的刀具監(jiān)控參數(shù)值設(shè)置，會造成設(shè)備誤報(bào)警頻繁，即使工件跳動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，都會激發(fā)刀具監(jiān)控報(bào)警，影響生產(chǎn)線正常運(yùn)行；過寬的刀具監(jiān)控值設(shè)置，又會導(dǎo)致當(dāng)產(chǎn)生工件質(zhì)量問題或刀具破損時，設(shè)備沒有在第一時間將這些問題探測出來，失去了設(shè)備的監(jiān)控效果，刀具破損時還會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。

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