FANCU加工中心鏜孔質(zhì)量提升及穩(wěn)定性改進探析

蒙旭喜，肖 鑫，於雙月

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

發(fā)動機缸體、缸蓋、曲軸（3C件）件的60%加工任務由加工中心完成。一臺全自動化加工中心集成了高精密電主軸、全閉環(huán)XYZ線性軸、ABC旋轉(zhuǎn)軸、盤式刀庫等關鍵部件[1]；同時配備液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、中央潤滑、電氣系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)等功能。加工中心運行的可靠性及穩(wěn)定性決定了發(fā)動機3C件的產(chǎn)品精度。

缸體缸孔是發(fā)動機關鍵質(zhì)量控制點。加工中心加工缸孔刀痕、圓度、圓柱度、直徑異常，直接影響發(fā)動機的輸出效率，易引發(fā)燒機油、發(fā)熱、抖動等情況。因此做好鏜孔關鍵質(zhì)量控制點的質(zhì)量控制，可提高發(fā)動機的性能和延長壽命。本文運用Servo Guide、編碼器波形診斷、振幅頻率監(jiān)控、Quality Assurance Data System（ Q-ADS）數(shù)據(jù)分析、POWERCHECK 測量等工具，從振紋識別、失效模式、在線監(jiān)控、信號診斷、工程控制角度進行全方位解析，解析鏜孔超差控制改進策略。

1 CNC加工振紋檢測與識別

在發(fā)動機缸體大批量加工中，為了快速去除加工余量，缸孔采用高速鏜削[2]加工。加工中心鏜孔常見問題有：孔壁刀痕、振紋、畸形等。缸孔加工精度高達0.001 mm。傳統(tǒng)的缸孔振紋檢查為下線目視檢查，存在細微振紋檢查不到位、人為主觀誤判等缺點。為解決該難點，可利用三坐標測量機、Q-DAS數(shù)據(jù)，提取粗糙度簡約峰高Reduced peak height（RPK）和簡約谷深Reduced valley depth（RVK）進行狀態(tài)識別，可根據(jù)公差曲線的范圍快速識別振紋質(zhì)量缺陷。如圖1為某缸孔Q-DAS粗糙度檢測數(shù)據(jù)。

圖1 某缸孔RPKRVK粗糙度檢測數(shù)據(jù)

2 加工振紋失效模式分析

2.1 CNC加工失效模式分析

通過三坐標測量機、內(nèi)窺鏡、Q-DAS數(shù)據(jù)、簡約峰高RPK、簡約谷深RVK進行振紋狀態(tài)識別后。為了確定CNC加工振紋產(chǎn)生的原因，需要從CNC實際運行過程中的失效模式入手，找出CNC關鍵部件控制指標作為檢測項目，并為檢測項目進行分析，落實改進提升。

根據(jù)FANCU加工中心的結構及工作原理，將CNC功能模塊化，劃分為5個子系統(tǒng)。然后通過對發(fā)動機工廠采集的CNC振紋數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算求出加工振紋失效部位發(fā)生故障次數(shù)的頻率分布，得到主要失效模式。采集的數(shù)據(jù)量越大，數(shù)據(jù)分析越精確。

如以某發(fā)動機工廠采集的33臺CNC振紋數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到加工振紋失效部位發(fā)生故障次數(shù)的頻率分布見表1。

表1 CNC加工失效模式頻率分布圖

根據(jù)表1可知，該案例中（1）電主軸系統(tǒng)發(fā)生故障最多，占總數(shù)的51.52%，比其他子系統(tǒng)的故障率高很多。失效主要原因為：主軸跳動超差、拉刀力超差、編碼器損壞、振動超差；（2）驅(qū)動軸X/Y/Z為故障較多的部位，占總故障的39.39%。驅(qū)動軸失效主要原因為：滾珠絲杠磨損、螺母副損壞、滑塊損壞、軸承失效。（3）定位夾具故障占總數(shù)6.06%。失效主要原因：定位面存在高度差、定位銷磨損、夾緊力不足。（4）冷卻系統(tǒng)故障占總數(shù)3.03%。失效主要原因：冷卻壓力不足、流量&壓力傳感器誤感應信號中斷。

2.2 失效模式關鍵指標提取

通過CNC加工失效模式分析，可得出失效模式關鍵關鍵指標。如根據(jù)表1的案例數(shù)據(jù)，得出以下關鍵指標：

（1）電主軸系統(tǒng)是加工振紋的關鍵因素。首先，主軸在運轉(zhuǎn)時其軸線位置的變化情況，反映零件之間的配合精度與裝配質(zhì)量；錐面精度的好壞直接影響主軸與刀具的配合精度。其次，主軸拉刀力大小影響主軸與刀具的配合，拉刀力過大，將造成主軸錐孔的彈性擴張，其切削加工的效率及精度會大幅度降低；拉刀力過小，刀具與主軸錐孔的連接剛性將會不足，會降低換刀精度與重復定位精度。最后，主軸振動總值，軸承包絡值均可表征主軸的狀態(tài)情況，編碼器信號的正確反饋，溫度傳感器及拉刀機構狀態(tài)傳感器的狀態(tài)將直接決定主軸能否正常運行。因此，電主軸系統(tǒng)拉刀力、主軸振動、編碼器信號是關鍵控制點。

（2）驅(qū)動軸X/Y/Z是加工振紋的重要因素。首先，伺服驅(qū)動裝置滾珠絲杠磨損、螺母副損壞后，移動時工作臺存在反向間隙，表征為絲杠移動的振動誤差。振動越大，加工產(chǎn)生振紋越明顯。其次伺服裝置頻率響應反映了電機驅(qū)動機床工作臺移動的狀態(tài)。機床剛性好、靜動摩擦力小、軸的同軸度好、電機就能很“輕松”的驅(qū)動工作臺移動。因此，驅(qū)動軸X/Y/Z的振動誤差、頻率響應是重要控制點。

（3）定位夾具、冷卻系統(tǒng)失效也是造成加工振紋的因素之一。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，該因素占比小，本文忽略解析。

3 質(zhì)量提升及穩(wěn)定性改進策略

3.1 電主軸系統(tǒng)穩(wěn)定性改進策略

電主軸系統(tǒng)穩(wěn)定性改進策略有：增加編碼器信號監(jiān)控、建立跳動&拉刀力大趨勢數(shù)據(jù)分析、增加主軸振動大數(shù)據(jù)監(jiān)控。

3.1.1 增加編碼器信號監(jiān)控

電主軸有電流環(huán)、位置環(huán)、速度環(huán)控制。電主軸信號不穩(wěn)定，連續(xù)或頻繁中斷會引發(fā)內(nèi)部勵磁變化，從而影響主軸轉(zhuǎn)速、切削扭矩。增加電主軸編碼器信號監(jiān)控，定期對編碼器波形進行采集分析，可精準有效預防編碼器信號不穩(wěn)定問題。編碼器信號使用藍寶盒工具監(jiān)控轉(zhuǎn)角、準停波形，對超出設定范圍波形提前進行更換編碼器。檢測波形圖實例見圖2。

圖2 電主軸編碼器信號波形圖測量實例

3.1.2 建立跳動&拉刀力大趨勢數(shù)據(jù)分析

工件在加工過程中，會受到很大的切削力，主軸要有足夠的拉刀力才能保證刀具不產(chǎn)生傾斜、振動。電主軸拉刀力主要由內(nèi)部碟簧、牽引頭 Mounting distance（EM）值進行控制。在長期加工中，碟簧達到疲勞強度時彈性下降。同時牽引頭與刀具刀柄頻繁摩擦產(chǎn)生磨損，導致EM值發(fā)生變化。建立拉刀力數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，可根據(jù)拉刀力變化趨勢，強有力對拉刀力值進行預判及輔助決策。根據(jù)趨勢進行調(diào)整EM值或更換碟簧&牽引頭。檢測電主軸拉刀力數(shù)據(jù)，可通過POWERCHECK儀器測量。Weiss Spindle 176099電主軸拉刀力：40.5 ～ 60.5 kN，EM 值：（13±0.1）mm。主軸跳動可用檢棒測量。

3.1.3 建立主軸振動大數(shù)據(jù)監(jiān)控

鏜缸孔時主軸受到很大的切削力，引起主軸震蕩。長期在這種工況生產(chǎn)，會導致主軸損壞。探究主軸振動情況，可用主軸振動分析儀測量。對振動信號提取均值、方差、峰值等時域特征值。以表征主軸整體振動大小；對振動信號做快速傅里葉變換得到其幅頻譜，根據(jù)幅頻譜初步分析主軸的動平衡數(shù)據(jù)，如圖3所示。

OP190轉(zhuǎn)速S2700的主軸振動信號

圖3 電主軸振動波形圖

從振動信號時域上對比，當主軸內(nèi)部軸承卡滯不穩(wěn)定或缸孔單孔加工余量過大，電主軸加工第一個缸孔過程振動與其他三個缸孔加工振動有明顯差異。第一個缸孔出現(xiàn)刀痕部分，加工振動信號明顯變大。如圖4所示。

圖4 電主軸振動產(chǎn)生加工振紋

因此，增加電主軸振動數(shù)據(jù)監(jiān)控，可快速辨識主軸壽命。對主軸振動安裝吸振裝置，提升主軸運行穩(wěn)定性。

3.2 驅(qū)動軸X/Y/Z穩(wěn)定性改進策略

3.2.1 優(yōu)化參數(shù)抑制響應頻率

FANUC SEVRO GUIDE測量機床頻率響應，頻率響應圖反映了電機驅(qū)動機床工作臺移動的狀態(tài)。機床剛性好、靜動摩擦力小、軸的同軸度好、電機就能很“輕松”的驅(qū)動工作臺移動，頻率響應圖平順無鋸齒形波動，反之則很差。通過伺服軟件分別對Z1/Z2軸施以10～1 000 Hz頻率驗證靜態(tài)響應特性，如檢測到頻率響應的波形圖無明顯波動，表明伺服軸同步無異常，各振動頻率均合格。

響應帶寬要足夠?qū)?，主要通過調(diào)整伺服位置環(huán)增益（PRM 1825）、速度環(huán)增益（PRM 2021）參數(shù)來實現(xiàn)，使之越寬越好。在SEVRO GUIDE參數(shù)菜單里找到“濾波器”，然后打開“消除共振”進行設置，如圖5所示。使用High Response Vector（HRV）濾波器后，機床高頻共振被抑制，此時高頻共振頻率處的幅值應低于10 dB，從而達到優(yōu)化電機驅(qū)動的目的。

圖5 伺服軸頻率響應圖

3.2.2 優(yōu)化參數(shù)抑制誤差值

由于各軸滑塊松動，滾珠絲杠、螺母副、軸承磨損驅(qū)動裝置[3]部件間約束發(fā)生變化，設備零部件之間間隙變大，系統(tǒng)定位時為達到準確定位，必須不斷進行調(diào)整。當機床驅(qū)動裝置剛度和約束無法與機床位置增益匹配時，振動發(fā)生。體現(xiàn)為機床某軸驅(qū)動裝置振動。ERRC表示驅(qū)動裝置振動的誤差值，測量各伺服軸機床加工過程ERRC值可判斷，正常ERRC≤40。具體ERRC驅(qū)動裝置誤差波形例圖如圖6。

圖6 ERRC驅(qū)動裝置誤差波形圖

如振動異常則優(yōu)化伺服軸位置環(huán)增益、速度環(huán)增益：

No2021：位置環(huán)增益。負載慣量，其值決定速度增益。速度增益=[No2021+256/256]×100

No1825：位置環(huán)增益。單位0.01/S誤差量（P）=[進給速度/60×位置增益]×1/檢測單位。

綜上，通過利用Servo Guide、編碼器波形診斷、振幅頻率監(jiān)控、QADS數(shù)據(jù)分析、POWERCHECK測量等工具。實施電主軸編碼器信號監(jiān)控、跳動&拉刀力大趨勢數(shù)據(jù)分析及主軸振動大數(shù)據(jù)監(jiān)控，降低主軸失效概率及功能退化。如圖7所示，某發(fā)動機工廠2018年措施實施后主軸故障次數(shù)明顯降低。同時，通過改進調(diào)整驅(qū)動軸參數(shù)抑制響應頻率及誤差值，加工中心鏜孔質(zhì)量及運行效率穩(wěn)步提升。

圖7 某發(fā)動機工廠加工中心主軸故障數(shù)據(jù)

4 結束語

本文通過FANCU加工中心鏜孔狀態(tài)監(jiān)測識別、失效模式分析，利用Servo Guide、編碼器波形診斷、振幅頻率監(jiān)控、QADS數(shù)據(jù)分析、POWERCHECK測量等工具，增加在線監(jiān)控、優(yōu)化參數(shù)、建立大數(shù)據(jù)分析策略，對FANCU系統(tǒng)加工中心電主軸、伺服驅(qū)動軸進行改進提升，增強鏜缸孔質(zhì)量的穩(wěn)定性及可靠性。