FANCU加工中心鏜孔質(zhì)量提升及穩(wěn)定性改進(jìn)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(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、曲軸（3C件）件的60%加工任務(wù)由加工中心完成。一臺(tái)全自動(dòng)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(guān)鍵部件[1]；同時(shí)配備液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)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(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性決定了發(fā)動(dòng)機(jī)3C件的產(chǎn)品精度。

缸體缸孔是發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)。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(dòng)機(jī)的輸出效率，易引發(fā)燒機(jī)油、發(fā)熱、抖動(dòng)等情況。因此做好鏜孔關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)的質(zhì)量控制，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和延長壽命。本文運(yùn)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(cè)量等工具，從振紋識(shí)別、失效模式、在線監(jiān)控、信號(hào)診斷、工程控制角度進(jìn)行全方位解析，解析鏜孔超差控制改進(jìn)策略。

1 CNC加工振紋檢測(cè)與識(shí)別

在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)0.001 mm。傳統(tǒng)的缸孔振紋檢查為下線目視檢查，存在細(xì)微振紋檢查不到位、人為主觀誤判等缺點(diǎn)。為解決該難點(diǎn)，可利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、Q-DAS數(shù)據(jù)，提取粗糙度簡(jiǎn)約峰高Reduced peak height（RPK）和簡(jiǎn)約谷深Reduced valley depth（RVK）進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，可根據(jù)公差曲線的范圍快速識(shí)別振紋質(zhì)量缺陷。如圖1為某缸孔Q-DAS粗糙度檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 某缸孔R(shí)PKRVK粗糙度檢測(cè)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(biāo)測(cè)量機(jī)、內(nèi)窺鏡、Q-DAS數(shù)據(jù)、簡(jiǎn)約峰高RPK、簡(jiǎn)約谷深RVK進(jìn)行振紋狀態(tài)識(shí)別后。為了確定CNC加工振紋產(chǎn)生的原因，需要從CNC實(shí)際運(yùn)行過程中的失效模式入手，找出CNC關(guān)鍵部件控制指標(biāo)作為檢測(cè)項(xiàng)目，并為檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行分析，落實(shí)改進(jìn)提升。

根據(jù)FANCU加工中心的結(jié)構(gòu)及工作原理，將CNC功能模塊化，劃分為5個(gè)子系統(tǒng)。然后通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工廠采集的CNC振紋數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)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(dòng)機(jī)工廠采集的33臺(tái)CNC振紋數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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?yàn)椋褐鬏S跳動(dòng)超差、拉刀力超差、編碼器損壞、振動(dòng)超差；（2）驅(qū)動(dòng)軸X/Y/Z為故障較多的部位，占總故障的39.39%。驅(qū)動(dòng)軸失效主要原因?yàn)椋簼L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(yīng)信號(hào)中斷。

2.2 失效模式關(guān)鍵指標(biāo)提取

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

（1）電主軸系統(tǒng)是加工振紋的關(guān)鍵因素。首先，主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(kuò)張，其切削加工的效率及精度會(huì)大幅度降低；拉刀力過小，刀具與主軸錐孔的連接剛性將會(huì)不足，會(huì)降低換刀精度與重復(fù)定位精度。最后，主軸振動(dòng)總值，軸承包絡(luò)值均可表征主軸的狀態(tài)情況，編碼器信號(hào)的正確反饋，溫度傳感器及拉刀機(jī)構(gòu)狀態(tài)傳感器的狀態(tài)將直接決定主軸能否正常運(yùn)行。因此，電主軸系統(tǒng)拉刀力、主軸振動(dòng)、編碼器信號(hào)是關(guān)鍵控制點(diǎn)。

（2）驅(qū)動(dòng)軸X/Y/Z是加工振紋的重要因素。首先，伺服驅(qū)動(dòng)裝置滾珠絲杠磨損、螺母副損壞后，移動(dòng)時(shí)工作臺(tái)存在反向間隙，表征為絲杠移動(dòng)的振動(dòng)誤差。振動(dòng)越大，加工產(chǎn)生振紋越明顯。其次伺服裝置頻率響應(yīng)反映了電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的狀態(tài)。機(jī)床剛性好、靜動(dòng)摩擦力小、軸的同軸度好、電機(jī)就能很“輕松”的驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。因此，驅(qū)動(dòng)軸X/Y/Z的振動(dòng)誤差、頻率響應(yīng)是重要控制點(diǎn)。

（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(jìn)策略

3.1 電主軸系統(tǒng)穩(wěn)定性改進(jìn)策略

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

3.1.1 增加編碼器信號(hào)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(hào)不穩(wěn)定，連續(xù)或頻繁中斷會(huì)引發(fā)內(nèi)部勵(lì)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(hào)監(jiān)控，定期對(duì)編碼器波形進(jìn)行采集分析，可精準(zhǔn)有效預(yù)防編碼器信號(hào)不穩(wěn)定問題。編碼器信號(hào)使用藍(lán)寶盒工具監(jiān)控轉(zhuǎn)角、準(zhǔn)停波形，對(duì)超出設(shè)定范圍波形提前進(jìn)行更換編碼器。檢測(cè)波形圖實(shí)例見圖2。

圖2 電主軸編碼器信號(hào)波形圖測(cè)量實(shí)例

3.1.2 建立跳動(dòng)&拉刀力大趨勢(shì)數(shù)據(jù)分析

工件在加工過程中，會(huì)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(dòng)。電主軸拉刀力主要由內(nèi)部碟簧、牽引頭 Mounting distance（EM）值進(jìn)行控制。在長期加工中，碟簧達(dá)到疲勞強(qiáng)度時(shí)彈性下降。同時(shí)牽引頭與刀具刀柄頻繁摩擦產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致EM值發(fā)生變化。建立拉刀力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析，可根據(jù)拉刀力變化趨勢(shì)，強(qiáng)有力對(duì)拉刀力值進(jìn)行預(yù)判及輔助決策。根據(jù)趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)整EM值或更換碟簧&牽引頭。檢測(cè)電主軸拉刀力數(shù)據(jù)，可通過POWERCHECK儀器測(cè)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(dòng)可用檢棒測(cè)量。

3.1.3 建立主軸振動(dòng)大數(shù)據(jù)監(jiān)控

鏜缸孔時(shí)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(huì)導(dǎo)致主軸損壞。探究主軸振動(dòng)情況，可用主軸振動(dòng)分析儀測(cè)量。對(duì)振動(dòng)信號(hào)提取均值、方差、峰值等時(shí)域特征值。以表征主軸整體振動(dòng)大??；對(duì)振動(dòng)信號(hào)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(dòng)平衡數(shù)據(jù)，如圖3所示。

OP190轉(zhuǎn)速S2700的主軸振動(dòng)信號(hào)

圖3 電主軸振動(dòng)波形圖

從振動(dòng)信號(hào)時(shí)域上對(duì)比，當(dāng)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(gè)缸孔過程振動(dòng)與其他三個(gè)缸孔加工振動(dòng)有明顯差異。第一個(gè)缸孔出現(xiàn)刀痕部分，加工振動(dòng)信號(hào)明顯變大。如圖4所示。

圖4 電主軸振動(dòng)產(chǎn)生加工振紋

因此，增加電主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)控，可快速辨識(shí)主軸壽命。對(duì)主軸振動(dòng)安裝吸振裝置，提升主軸運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2 驅(qū)動(dòng)軸X/Y/Z穩(wěn)定性改進(jìn)策略

3.2.1 優(yōu)化參數(shù)抑制響應(yīng)頻率

FANUC SEVRO GUIDE測(cè)量機(jī)床頻率響應(yīng)，頻率響應(yīng)圖反映了電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的狀態(tài)。機(jī)床剛性好、靜動(dòng)摩擦力小、軸的同軸度好、電機(jī)就能很“輕松”的驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，頻率響應(yīng)圖平順無鋸齒形波動(dòng)，反之則很差。通過伺服軟件分別對(duì)Z1/Z2軸施以10～1 000 Hz頻率驗(yàn)證靜態(tài)響應(yīng)特性，如檢測(cè)到頻率響應(yīng)的波形圖無明顯波動(dòng)，表明伺服軸同步無異常，各振動(dòng)頻率均合格。

響應(yīng)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(shí)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(jìn)行設(shè)置，如圖5所示。使用High Response Vector（HRV）濾波器后，機(jī)床高頻共振被抑制，此時(shí)高頻共振頻率處的幅值應(yīng)低于10 dB，從而達(dá)到優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)的目的。

圖5 伺服軸頻率響應(yīng)圖

3.2.2 優(yōu)化參數(shù)抑制誤差值

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

圖6 ERRC驅(qū)動(dòng)裝置誤差波形圖

如振動(dòng)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(fù)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(jìn)給速度/60×位置增益]×1/檢測(cè)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(cè)量等工具。實(shí)施電主軸編碼器信號(hào)監(jiān)控、跳動(dòng)&拉刀力大趨勢(shì)數(shù)據(jù)分析及主軸振動(dòng)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(dòng)機(jī)工廠2018年措施實(shí)施后主軸故障次數(shù)明顯降低。同時(shí)，通過改進(jìn)調(diào)整驅(qū)動(dòng)軸參數(shù)抑制響應(yīng)頻率及誤差值，加工中心鏜孔質(zhì)量及運(yùn)行效率穩(wěn)步提升。

圖7 某發(fā)動(dòng)機(jī)工廠加工中心主軸故障數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文通過FANCU加工中心鏜孔狀態(tài)監(jiān)測(cè)識(shí)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(cè)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(duì)FANCU系統(tǒng)加工中心電主軸、伺服驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行改進(jìn)提升，增強(qiáng)鏜缸孔質(zhì)量的穩(wěn)定性及可靠性。