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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)缸體線的珩磨機(jī)主要承擔(dān)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(jī)主軸工作行程相對(duì)較短，適用于汽缸筒相對(duì)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(shí)工作效率高，帶有自動(dòng)檢測裝置適用于100%對(duì)孔徑等尺寸進(jìn)行在線測量，自動(dòng)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(jī)多年運(yùn)行部件磨損退化甚至失效，機(jī)床運(yùn)行效率及可靠性降低，無法滿足當(dāng)前緊張的生產(chǎn)任務(wù)。本文通過介紹單軸立式珩磨機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)當(dāng)前的機(jī)床結(jié)構(gòu)及工藝等存在的問題進(jìn)行分析，并結(jié)合多年積累的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)對(duì)機(jī)床實(shí)施改進(jìn)，這些措施對(duì)新項(xiàng)目的機(jī)床設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

1　單軸立式珩磨機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文中加工缸孔的珩磨機(jī)是柳州某發(fā)動(dòng)機(jī)工廠缸體線的單臺(tái)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(jī)或液壓缸、步進(jìn)電機(jī)、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(dòng)頭、浮動(dòng)連接桿）、珩磨頭、氣管、氣電轉(zhuǎn)換器、校零環(huán)、夾具、工作臺(tái)及上面的定位機(jī)構(gòu)組成。珩磨頭在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，在缸孔中進(jìn)行上下往復(fù)的沖程運(yùn)動(dòng)；在變頻器控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下主軸完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這兩者為珩磨機(jī)的主運(yùn)動(dòng)；伺服電機(jī)或液壓桿驅(qū)動(dòng)珩磨條垂直于缸孔內(nèi)表面的擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圖1中單軸立式珩磨機(jī)加工四缸B15系列發(fā)動(dòng)機(jī)缸體時(shí)，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(jī)驅(qū)動(dòng)下珩磨頭在缸孔的上止點(diǎn)、下止點(diǎn)間進(jìn)行往復(fù)磨削，珩磨條在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)給擴(kuò)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(jī)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(jī)完成，主要分為粗珩、半精珩、精珩（平臺(tái)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(yù)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?jǐn)傜衲C(jī)加工缸孔的時(shí)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(duì)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(dāng)前珩磨機(jī)加工缸孔圓度超差頻繁，三坐標(biāo)測量報(bào)告顯示缸孔圓度超差的情況集中在#002、#003缸孔的Point3及Point4對(duì)應(yīng)圓截面（簡稱P3、P4截面，對(duì)應(yīng)三坐標(biāo)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(duì)圓度超差的問題，本文對(duì)缸孔加工工藝存在的問題，重點(diǎn)應(yīng)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(duì)缸孔圓度超差的問題，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五個(gè)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(yīng)的控制措施。

3.1　人的因素

主要有三個(gè)方面的潛在原因：

（1）由于電機(jī)未采用絕對(duì)值編碼器，控制電源關(guān)閉或機(jī)床斷電后，系統(tǒng)無法確定漲刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)當(dāng)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(diǎn)[1]，如果開機(jī)不回參考點(diǎn)就直接加工會(huì)造成缸孔直徑過大，導(dǎo)致缸孔圓度超差而報(bào)廢，所以必須把該項(xiàng)內(nèi)容編寫到操作的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)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(shí)，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(huì)造成圓度超差，操作人員要嚴(yán)格根據(jù)換刀操作的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書來執(zhí)行。

（3）珩磨軸上的驅(qū)動(dòng)頭維護(hù)不當(dāng)造成漏氣，珩磨軸浮動(dòng)連接桿安裝不當(dāng)造成珩磨軸旋轉(zhuǎn)擺角過大，都會(huì)影響加工缸孔的圓度，維修人員在Preventive Maintenance（簡稱PM），即預(yù)防性維修作業(yè)過程中要認(rèn)真按照維修標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書來執(zhí)行到位。

3.2　機(jī)器的原因

3.2.1主軸驅(qū)動(dòng)頭磨損

主軸驅(qū)動(dòng)頭是主軸的連接部件，磨削時(shí)驅(qū)動(dòng)頭隨主軸整體旋轉(zhuǎn)，在線監(jiān)測的氣流通過驅(qū)動(dòng)頭內(nèi)部腔室分流，經(jīng)氣管與珩磨頭相接。驅(qū)動(dòng)頭由于潤滑腔沒有設(shè)計(jì)注油口，導(dǎo)致加注潤滑脂實(shí)施困難，內(nèi)部密封圈選材太軟，受熱高溫易變形，長期運(yùn)行內(nèi)部產(chǎn)生很多雜質(zhì)不能及時(shí)清除，內(nèi)部摩擦力變大，驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致在線監(jiān)測的氣電轉(zhuǎn)換器反饋的高速跳轉(zhuǎn)信號(hào)存在誤差，造成圓度超差。

圖3　驅(qū)動(dòng)頭及內(nèi)部密封圈磨損圖

措施制定：改進(jìn)驅(qū)動(dòng)頭結(jié)構(gòu)，增加潤滑油加注口，脂潤滑方式改為集中自動(dòng)油潤滑，提高潤滑效果，同時(shí)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(jì)缺陷

半精珩工序的夾具夾緊板兩端設(shè)計(jì)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(fù)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(jì)無法抑制#2、#3缸孔在加工過程中缸孔內(nèi)部受力形變，應(yīng)用NX三維建模對(duì)缸孔各截面進(jìn)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(shí)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(gè)三臺(tái)階面的圓環(huán)，上下兩個(gè)圓環(huán)為導(dǎo)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(huì)進(jìn)入校零環(huán)，起導(dǎo)向作用。中間環(huán)是珩磨頭收刀回參考點(diǎn)的Master Ring，珩磨頭進(jìn)入校零環(huán)后主軸仍不能停止旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)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(diǎn)過程存在偏差，導(dǎo)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(dòng)參數(shù)，以降低珩磨頭與校準(zhǔn)環(huán)磨損。

3.3　毛坯的誤差

雖然工廠對(duì)不同的供應(yīng)商的毛坯供應(yīng)要求是一樣的，不同發(fā)動(dòng)機(jī)毛坯供應(yīng)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(huì)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(dòng)，如果盲目去調(diào)整珩磨加工參數(shù)，可能也會(huì)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(shí)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(jī)是單臺(tái)設(shè)備，而前工位OP190加工中心分A/B線加工完成后，隨機(jī)流向OP200珩磨工位，OP190A/B線來料的缸孔直徑波動(dòng)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(shí)際節(jié)拍會(huì)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(fù)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(shí)際節(jié)拍會(huì)比理論節(jié)拍慢，即節(jié)拍超差，此時(shí)為了滿足節(jié)拍要求而立即調(diào)整半精珩進(jìn)給壓力和進(jìn)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(fù)地調(diào)整參數(shù)，造成珩磨機(jī)節(jié)拍波動(dòng)過大，這個(gè)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(huì)間接造成圓度超差。用散點(diǎn)圖分析實(shí)際加工節(jié)拍波動(dòng)情況，跟蹤20件來料，記錄它們在珩磨機(jī)工位加工的實(shí)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(dǎo)致平均節(jié)拍有2 s~4 s左右的波動(dòng)。

圖6　節(jié)拍統(tǒng)計(jì)圖

制定措施：查看OP190A/B線Q-DAS數(shù)據(jù)，并對(duì)OP190A/B線加工缸孔去除余量做相應(yīng)補(bǔ)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(dòng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下順時(shí)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(yàn)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(yàn)證無明顯改善。為驗(yàn)證珩磨條砂粒脫落對(duì)圓度的影響，更換砂粒更容易脫落的國產(chǎn)珩磨條驗(yàn)證，圓度有所改善，但是需要長時(shí)間加工驗(yàn)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(yàn)證，驗(yàn)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(yàn)證方法需要嚴(yán)格按照工程變更流程進(jìn)行驗(yàn)證，并做好數(shù)據(jù)記錄及程序備份，以便恢復(fù)機(jī)床到驗(yàn)證前的狀態(tài)。以上方法驗(yàn)證后確認(rèn)當(dāng)前加工方法不是導(dǎo)致圓度超差的原因。

3.5　環(huán)境影響

過程控制要求對(duì)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(jī)床長期運(yùn)行過濾系統(tǒng)中沉淀的鐵屑太多沒有及時(shí)排除，會(huì)導(dǎo)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(huì)影響加工缸孔的圓度。

措施制定：對(duì)過濾系統(tǒng)實(shí)施改造減少切削液雜質(zhì)含量。

4　實(shí)施案例及改進(jìn)成效

4.1　夾具改進(jìn)

通過對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，定期對(duì)安裝的壓緊板進(jìn)行檢查確認(rèn)壓緊間隙，提取QDAS數(shù)據(jù)顯示夾具改進(jìn)后，缸孔的圓度數(shù)據(jù)分布在4.2 μm以內(nèi)，達(dá)到控制計(jì)劃圓度小于5 μm的要求。夾具壓緊板結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(jìn)

4.2　主軸驅(qū)動(dòng)頭潤滑改進(jìn)及密封改進(jìn)

對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)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(dòng)油潤滑代替人工脂質(zhì)潤滑，根據(jù)MAXIMO系統(tǒng)導(dǎo)出故障記錄2年時(shí)間沒有再發(fā)生過此種故障，目前只要PM定期檢查維護(hù)得當(dāng)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)頭潤滑改進(jìn)（左）及密封改進(jìn)（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(dòng)的變頻器參數(shù)#158、#159，表1.

表1　Drive Tools參數(shù)

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

#159：DC Brake Time 制動(dòng)時(shí)間，AB PF70系列變頻器制動(dòng)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(gè)月左右延長到15個(gè)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(shí)，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(dòng)性問題優(yōu)化

優(yōu)化OP190A/B缸孔MARPOSS補(bǔ)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(yù)留余量，及分配到OP200不一致造成的節(jié)拍波動(dòng)，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(jī)的節(jié)拍波動(dòng)問題得到抑制，工作效率明顯提升，OP190來料缸孔直徑波動(dòng)大的問題得到解決，間接解決了由于來料問題導(dǎo)致OP200圓度超差的問題。

4.5　切削液過濾系統(tǒng)改進(jìn)

切削液雜質(zhì)含量的控制除了對(duì)切削液的過濾材料的過濾精度嚴(yán)格要求外，每天員工對(duì)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(biāo)準(zhǔn)直接影響珩磨條的收縮和擴(kuò)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(jí)過濾（磁粉器+濾紙）排除大部分鐵屑，再流到一級(jí)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(yàn)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(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理，從機(jī)械設(shè)計(jì)、控制參數(shù)、工藝全面的分析并落實(shí)改進(jìn)措施后，抑制了珩磨機(jī)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(jī)運(yùn)行效率及可靠性。這些寶貴的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)可以合理地輸入到新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，具有很好的參考價(jià)值。