汽車焊裝線滑橇滾體加工誤差分析及改進措施

張添孝，陳小芹

（1.廣東省粵東技師學院，廣東汕頭 515078；2.汕頭職業技術學院，廣東汕頭 515078）

0 引言

地面滑橇式輸送機是轎車制造廠焊裝、涂裝、總裝自動化生產系統的關鍵設備[1]，滑橇式隨行夾具托起汽車本體沿著生產線線運行，其中滑橇輸送機的滾體與橇體底部接觸，并通過摩擦力推動滑橇向下一道工序運行。因此，橇體底部支撐及驅動裝置為該設備的核心部件，圖1 中動力輸出部件為安裝在支架上的滾體總成，與滑橇長期摩擦接觸的是滾體總成上的滾體（圖2），其制造精度關系到整個生產線的運行穩定性，影響著各種工序機器人的鉆孔、焊接、安裝等工藝精度。企業在承接汽車廠焊裝生產線滑橇輸送機的制造過程中，出現滾體加工返工率較高、生產效率低等問題。為提高產品質量、減少廢品、節約材料與人力消耗，解決滾體的質量問題，需要分析找出原因，提出改進措施以保證滾體加工質量和生產效益。

圖1 支架及滾體總成

圖2 滾體

1 滾體加工工藝

該滑橇輸送機滾體坯料為精鑄件，材料ZG310-570，雙邊機加工余量3 mm，外輪廓為變截面回轉體，尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度要求較高，其中與橇體直接接觸的踏面外圓Φ140 為關鍵尺寸，加工中較難達到技術要求。滾體加工工藝見表1。

表1 滾體加工工藝路線

粗加工中因各種原因產生的變形可在精加工中修正，因此主要分析外輪廓精加工工序。滾體外輪廓由圓柱面、圓錐面及凹圓弧過渡面構成，在加工凹圓弧和錐面時由于刀尖圓弧的存在會發生少切，故采用G42 右刀補，并在補償器中輸入刀尖半徑及假想刀尖相對于圓頭刀中心位置為3，數控系統根據工件輪廓和刀尖半徑補償值自動計算出刀尖圓弧中心軌跡，則編程時不考慮刀尖半徑，按圖紙所給尺寸編程[2-4]。外輪廓精車程序如下：

N10 G98 G00 X150.0 Z200.0 每分鐘進給，刀具移至換刀點

N20 M03 S1000 T0101 M08 主軸正轉，1000 r/min，1 號車刀，1 號刀補，切削液開

N30 G00 X140.0 Z-23.0 快速定位靠近起點

N40 G42 G01 X138.0 Z-25.0 F50 定位至起點，建立刀具圓弧半徑右補正

N50 G01 X139.98 Z-26.0 加工倒角

N60 G01 Z-88.964 加工Φ140 外圓

N70 G02 X141.464 Z-90.732 R2.5 加工R2.5凹圓弧

N80 G01 X200.0 Z-120.0 加工錐面

N90 G01 Z-124.0 加工Φ200 外圓

N100 G01 X206.0 退刀

N110 G40 G00 X150.0 Z150.0 退刀至安全點，取消刀具圓弧半徑補正

N130 M09 M30 切削液關，程序結束

2 測量數據及直方圖分析

在生產過程中因外輪廓尺寸達不到精度要求而出現較多返工，為分析誤差性質并尋求針對性解決措施，特對本批次調整法生產的800 套滾體抽檢，取樣N=80 組。滾體外圓Φ140 實測數據偏差即實測尺寸與基本尺寸之差如圖3 所示。

圖3 尺寸偏差（μm）

圖3 得到的是一組雜亂無章的數據，只有通過數據整理、直方圖統計分析才能揭示其內在的規律性。首先對數據合理分組并確定組距，根據Sturges 公式計算組數，K=1+3.32lgN≈7.3，向上圓整，取組數K=8，圖3 中的尺寸偏差最大值xmax=1 μm、最小值xmin=-35 μm，則組距d==4.5 μm，圓整為量具最小分辨值的整數倍，取d=5 μm，獲得了表2 所示的頻數分布。

表2 頻數分布

根據頻數分布表數據，為了使分布圖更好地反映外圓加工精度而不受組距和樣本容量的影響，以工件尺寸偏差為橫坐標，以頻率密度為縱坐標繪制圖4 直方圖，連接各矩形頂部中點，得到該批滾體尺寸的實際分布曲線。由直方圖可以看出，工件尺寸分布出現了雙峰并有一個分布范圍，尺寸偏大偏小者較少，大多數據中，呈不對稱分布，總體偏大。

圖4 直方圖及實際分布曲線

3 分布圖分析

從圖4 上的分布曲線可以清晰看出誤差分布范圍和偏離情況，對比理論分布曲線還可以確定誤差性質、產生原因及工序工藝能力，預測廢品率，發現設備的運行情況以及工人操作習慣等，從而提出有針對性的技術措施，現對分布圖作如下分析：

3.1 判斷加工誤差性質

正態分布的4 個基本特征是單峰性、對稱性、有界性和補償性，滾體尺寸實際分布曲線出現雙峰，尺寸偏差總體偏大且不對稱，未完全服從正態分布，說明車削過程中存在系統性誤差。

出現雙峰主要是由于兩臺機床加工，將加工后的滾體混在一起，不但常值系統性誤差不同，而且機床的精度也不同，即隨機性誤差的影響不同，導致分布曲線的峰高不等。雙峰分布實質上是兩組分布曲線的疊加，即在隨機誤差中混入常值系統誤差，每組有各自的分散中心和標準偏差。尺寸偏差不對稱分布尺寸并且總體偏大，是由于在加工過程中，操作者主觀上為了避免產生不可修復廢品，加工滾體外圓時寧大勿小，過于偏大則有超出公差的趨勢，如果加工條件稍有變動，就會出現可修復的不合格品，返工量加大，降低加工效率。此外在加工過程中由于刀具的磨損，隨著加工的進行，尺寸分布中心在均勻移動，因此形成平頂分布有一段曲線概率相等，平峰分布實質上也是源于在隨機性誤差中混入了變值系統誤差。

3.2 確定工序的工藝能力

工序的工藝能力是否滿足加工精度的要求，可以用工序能力系數Cp表達，并據此將工藝等級由高到低分5 級，最高為特級，最低為4 級。本工序的工藝能力系數，工藝等級為3 級，說明工藝能力明顯不足，加工中會產生少量不合格品。由于存在系統誤差，即分布中心和公差中心不重合，則需要滿足時才不會出廢品。本工序需要進行工藝調整以提高工藝能力。

3.3 估算合格品率

取偏差平均值xˉ為對稱中心，通過坐標變換將實際分布曲線轉化變為標準分布曲線。在標準分布曲線上不同區間所包含的面積，表征了隨機變量落在該區間的概率，可用于計算工件的合格品率。令構建面積函數（fz）。在（，δma）x區間，查表可知，f（z1）=0.449 5，故可修復廢品率：Q1=0.5-f（z1）=5.05%。在（δmin，）區間，≈2.65，查表可知，f（z2）=0.4957，故不可修復廢品率：Q2=0.5-f（z2）=0.43%。合格品率：100%-Q1-Q2=94.52%。返修后合格品率：100%-Q2=99.57%。由以上分析可知，目前工件返修率高，嚴重影響生產效率，亟需改進。

4 減小尺寸誤差的技術措施

數控車削加工誤差一方面源于數控車床本身老化磨損、自身零部件裝配誤差等，另一方面源于機床及工件的熱變形、切削力的變化、振動、刀具的磨損、工件的裝夾、加工工藝及編程處理不當、操作者技術水平參差不齊等因素。從以下5 個方面著手采取相應的技術措施：

4.1 改善作業流程

由于兩臺機床同時生產，設備系統誤差和操作人員誤差使測量數據呈非正態分布，出現雙峰，偏差過大，工序工藝能力偏低。故對作業流程進行改善：精加工階段可采用兩臺機床流水作業，一臺精車外輪廓，一臺精車內孔，在生產設備和人員不變的前提下，減小系統誤差及偏差分散范圍。

4.2 編程反向補償

軸類零件車削時往往尺寸偏大，為了彌補加工過程中的偏差，可采用編程反向補償的方法，即通過編程時多吃刀而進行矯正。滾體外徑實測偏差平均值偏大公差帶中心值約4.6 μm，編程時可將語句N60 修改為：G01 X139.978 Z-26.0，實現編程反向補償，降低滾體返工量。

4.3 減小對刀誤差

試切法對刀誤差主要是由測量誤差造成的，此外靜態測量動態加工，刀具與工件受到切削力與振動外力作用，也會使加工尺寸出現偏差，故應定期校驗量具精度及檢測維護保養機床。在測量滾體外徑時可先用游標卡尺測出范圍值，然后用外徑千分尺測出精確值，操作細心規范，并及時進行刀補調整，從而減小對刀誤差。

4.4 刀具磨損補償

車削過程中車刀的磨損必然會使同一批加工的滾體尺寸前后不一致，分散范圍增大，從而產生變值系統誤差?？稍诔跏季嚌L體時按先后加工順序編號逐個測量直徑，比較理論值直徑和實測值直徑，以二者相減得到的磨損值為縱坐標，滾體加工編號為橫坐標，做出點圖，從點圖上獲得刀具磨損規律，在后續加工零件時進行刀具磨損補償，將磨損值輸至X 方向磨耗內，并需要時常測量修正此偏差。一般刀具使用前期和后期磨損快，中期磨損慢，因此在加工過程中每一個零件都必須測量，并在刀具后期磨損前更換刀片。

4.5 空行程編程誤差補償（減小機械間隙誤差）

刀架在X 軸方向的進給精度影響著滾體外輪廓徑向尺寸偏差。每次換向時，刀架的實際運動量與理論值就會產生誤差。采用空行程編程誤差補償，始終使絲杠副在同一側接觸，即在拐點處回程間隙最明顯的位置，小距離反向抬刀或收刀，然后再正向進給，來同步消除絲杠在該處產生的回程間隙累積誤差，避免工件拐點處被刀具碰傷，提高機床的加工精度和加工質量，避免機械方法增大預緊力引起的阻力增大和調整困難。

采取以上措施后，產品返工率降低，誤差正態分布曲線由雙峰變為單峰，產品精度趨于穩定。

5 結束語

要在數控車床上加工高精度、批量的產品（零件），就要很好地分析各種誤差產生的原因以及誤差控制的方法，本文根據抽檢數據，以及滾體實際加工情況，就公差數據分散、返工量大的原因進行分析，提出了誤差控制的具體方法。實踐證明，這些方法非常實用易行，能很好地提高零件車削的質量和加工效率。此外，通過分布曲線分析，還可以及時發現設備的運行情況，以及工人操作習慣，針對設備長時間運行出現精度下降問題，及時提出檢修方案和計劃，針對工人操作問題則可及時糾正或定期培訓以提高理論和專業技術水平。