高精度内孔加工质量的控制方法及应用

万迪斐　陈　俐　宋培纯

摘要:文章论述了高精度内孔加工误差的来源和国内外孔径测量的研究现状,提出用SPC控制质量的好处,对整个测量系统部件进行介绍。结论:该测量机的各项指标均达到设计要求,对比以前的手工测量方法,现在的测量结果更可靠,以此为依据进行的分组更合理,加工质量的控制能力得到了明显的提高。转阀装配一次合格率也有了很大的提高。

关键词:高精度;内孔加工;SPC控制质量;阀套检测装置;功能独立原理

中图分类号:V261

文献标识码:A

文章编号:1009-2374(2009)18-0016-02

一、绪论

(一)提出问题

随着我国汽车工业的迅速发展,对汽车性能的要求越来越高,液压助力转向机已装备在了大部分车辆上。作为助力系统的关键组件之一,阀套的尺寸、形位公差的设计精度较高,其内孔孔径与阀芯的配合质量直接影响到转向机的整机工作性能,这个尺寸是控制阀套质量的主要检测对象。

阀套内孔孔径为22.009±0.003,公差仅为6μm ,而且内孔壁上有六等分油槽和三个小导油孔,形状复杂,在内圆磨床磨削后内孔尺寸不稳定。正常生产中100%全检控制,原采用每件手工测量后得到尺寸偏差值,然后输入相应的刀具补偿值,其数值只能反映每件即时的加工结果,不能分辨其是否正常波动,也就不能提供正确的修正值,同时手工测量还存在误差,不同的手势对测量结果有影响,这样造成了工件报废率过高及阀装配一次成功率很低的现状。

(二)高精度内孔加工误差来源的分析

具体分析阀套内圆磨削加工中引起尺寸波动的原因以及带来的影响:温度、砂轮修整方式、频率、振动和冷却液。对这些因素我们已采取一定的措施来使之影响减至尽可能小。

(三)分析国内外孔径测量的研究现状

一般的,测量方式可分为离线测量与在线测量两种方式。按与被测件的接触与否,测量方法又可分为接触式测量和非接触式测量。目前,国际先进水平采用自动上下料、在线测量、闭环控制自动反馈等手段控制尺寸波动,加工节拍快,零件质量稳定,取得了较好的效果。其测量系统主要供应商为MOVOMATIC和MARPOSS等,通过上述手段,显示精度可达0.0001mm,可控制尺寸基本在0.001～0.002mm左右,但价格昂贵,整个系统价格要15～25万欧元,并且都为单台机床单配,不能充分利用资源和集中管理。

(四)提出用SPC控制质量

统计过程控制(简称SPC)已经成为许多国际性企业广泛采用的质量管理和改善的技术和方法,它通过运用控制图对生产过程进行分析评价,根据反馈信息及时发现系统性因素出现的征兆,并采取措施消除其影响,使过程维持在仅受随机性因素影响的受控状态,以达到控制质量的目的。经过近80年在全世界范围的实践,SPC理论已经发展得非常完善,其与计算机技术的结合日益紧密,其在企业内的应用范围、程度也已经非常广泛、深入。

(五)本文研究的主要内容及意义

和交大仪器工程系合作设计一套检测系统,实现测量过程及数据分析自动化。系统使用高精度测头采集精确尺寸数据,经过电脑处理,在显示器上显示最大、最小、均值、圆柱度等一系列数值,同时结合相应的SPC统计和分析软件,反映出尺寸波动的趋势,提供给操作者正确的修正值以控制尺寸在公差范围内,进行质量控制。达到降低报废率和提高阀装配一次成功率的目的。

解决阀套内径测量的问题并可推广至类似道序的精密测量。

二、整个测量系统部件介绍

检测系统的设计指标要求如下:

内孔尺寸:φ22.009±0.003;显示精度0.0001mm,重复性为0.0005;

长度方向三个截面的孔径显示精度0.0001mm,重复性为0.0005。

节拍:<20秒;

测头测量精度:±0.0002mm。

(一)测头和传感器的选择

测头和传感器的作用是感受被测对象的微小变化,并将此变化量精确地转化成电路参量(如电感、电容等)的变化,或者转换成电量(如电压、电荷等)的变化。前者需将参量接入转换电路后,变化成电信号,然后方可进行放大处理。后者可直接发出电信号,不需转化电路即可直接送入放大或处理。衡量传感器的优劣,应考虑下列要求:工作可靠、精度高(包括长期工作稳定性好)、抗干扰能力强、具有一定测量范围、反应速度快(包括动态响应好)、结构简单、使用方便、维护容易、成本低等。

为了达到上述要求,我们选用了德国DIATEST生产的高精度测头配合电感式位移传感器,其测量显示精度为0.1μ,重复精度0.5μ,能符合设计要求。

图1为设计的阀套检测装置。计算机通过I/O接口控制步进电机驱动器,驱动步进电机2通过齿轮齿条传动装置1,将步进电机的旋转运动变换为齿条的直线运动,齿条通过浮动支架3带动精密测头4上下运动,当精密测头4在阀套的轴线方向平稳运动时,精密测头4敏感被测件阀套的内径,将阀套内径微小变化转化为上下运动,最终通过高精度位移传感器转换为电信号,送入位移变送器。

根据功能独立原理,如给定的任何参数不受其它参数影响而可控,可使其落入设计范围,则设计要求得到满足。即单独的运行参数可以控制各自的FR则系统的功能是独立的。该装置采用了图示的浮动支架来连接精密测头和量具体,这样就使精密测头的上下运动独立于精密测头,即精密测头安装在浮动支架之上,两者之间无上下窜动,但在水平面可以浮动。采用该方案后,附加有齿轮和齿条的加工和装配误差,导柱和齿条的平行度误差,齿条和精密测头的平行度误差以及导柱和工作台面的垂直度误差的上下运动,与精密测头的将内径变化转化为高精度位移传感器的运动,两者之间完全独立,即它们运行参数可以控制各自的FR,系统的功能是独立的,满足了功能独立原理的设计要求。

(二)信号收集、处理部分

位移传感器送出的电信号通过模数转换模块、A/D信号转换电路、开关量输入输出处理电路,由工业控制计算机采样,并配备了测量数据处理软件包、SPC分析软件包、各开关量控制软件包、相应的接口、外部设备等,显示和记录测量结果。

(三)信号调理电路设计

在调理电路的设计中主要采取以下技术来保证测量机的测量精度和测量效率:

1.测量原理中,由于采用相对测量方法,用标准件对传感器进行校正,并将标准件校正测量所得信号作为零点信号,从而避免了由于传感器带来的测量干扰,也可屏蔽掉传感器的调理电路中元件参数的变化,特别是缓变误差信号对测量结果的影响。

2.模拟电路设计:除采用抑制电源振荡、信号屏蔽等措施外,还采用了光电耦合技术,使模拟量、数字量等信号传输通道隔离,避免串扰。

3.除电路设计中采取措施降低白噪声外,通过选用高质量集成芯片及多位(12位)高精度A/D芯片,可有效地提高信噪比及分辨率。

4.在信号调理过程中,设计采用了一种独特的复合式非线性转换器的线性处理电路,将需处理的传感器输出信号直接控制合成基准电压输入端,以提高传感器的线性度。

5.采用独特的温度补偿电路设计,使电源、传感器及其信号处理系统不经预热,可直接进入正常工作状态。

6.本系统采用了工业控制计算机,提高了对现场供电电网的抗干扰能力。

三、数据的处理

1.单件测量采样50点,显示最大、最小、均值、圆柱度等一系列数值,并显示模拟轮廓。

2.记录每件的均值并统计,显示尺寸波动曲线,反映尺寸偏差趋势,分析工序是否处于稳定状态,是否要调整。

3.具有16个数据输入接口,可同时处理多组数据。

4.有NET接入功能,可接入公司内部局域网,便于数据共享系统要实现的整体目标是不但要实现SPC数据采集与现场分析功能,而且必须满足企业领导的远程分析与现场业务管理的需要。

四、结论

经过一段时间的试用表明,该测量机的各项指标均达到设计要求,对比以前的手工测量方法,现在的测量结果更可靠,以此为依据进行的分组更合理,加工质量的控制能力得到了明显的提高。转阀装配一次合格率也有了很大的提高。

作者简介:万迪斐 (1977-),男,上海人,上海采埃孚转向机有限公司助工,上海交通大学工程硕士,研究方向:先进机械加工工艺;陈俐(1972-),女,上海交通大学机械与动力学院副教授,研究方向:先进动力传动系统动力学与控制;宋培纯 (1952-),男,上海人,上海采埃孚转向机有限公司高级工程师,研究方向:先进机械加工工艺。