单轴立式珩磨机加工质量提升及可靠性改进研究

陈　斌，於双月，蒙旭喜

（上汽通用五菱汽车股份有限公司宝骏基地发动机工厂，广西 柳州545007）

0　前言

珩磨是一种常用于光整产品表面的低速磨削工艺，发动机缸体线的珩磨机主要承担汽缸体缸孔及曲轴孔的磨削，是Production Quality Control（简称PQC）的关键工位。立式珩磨机主轴工作行程相对较短，适用于汽缸筒相对不深的缸孔内圆表面磨削，加工精度高，多根珩磨条装配于珩磨头中加工产品时工作效率高，带有自动检测装置适用于100%对孔径等尺寸进行在线测量，自动化生产过程中可以有效地避免不合格产品逃逸。随着珩磨机多年运行部件磨损退化甚至失效，机床运行效率及可靠性降低，无法满足当前紧张的生产任务。本文通过介绍单轴立式珩磨机结构及工作原理，对当前的机床结构及工艺等存在的问题进行分析，并结合多年积累的现场经验对机床实施改进，这些措施对新项目的机床设计具有参考价值。

1　单轴立式珩磨机结构及工作原理

本文中加工缸孔的珩磨机是柳州某发动机工厂缸体线的单台设备，处于OP200工位，缸孔珩磨工序的主要结构由伺服放大器、变频器、伺服电机或液压缸、步进电机、齿轮箱、丝杠、联轴器、轴承、珩磨主轴（单轴立式主轴上带旋转驱动头、浮动连接杆）、珩磨头、气管、气电转换器、校零环、夹具、工作台及上面的定位机构组成。珩磨头在伺服电机驱动下，在缸孔中进行上下往复的冲程运动；在变频器控制的步进电机驱动下主轴完成旋转运动，这两者为珩磨机的主运动；伺服电机或液压杆驱动珩磨条垂直于缸孔内表面的扩张运动为进给运动。图1中单轴立式珩磨机加工四缸B15系列发动机缸体时，主轴及前端连接的珩磨头穿过校零环、夹具内圆，在伺服电机驱动下珩磨头在缸孔的上止点、下止点间进行往复磨削，珩磨条在伺服电机驱动下按照设定的参数进给扩张或收缩，去除缸孔内壁70 μm左右的表面材料，获得符合工艺要求的圆度、粗糙度及网纹。

图1　单轴立式珩磨机结构简图

2　缸孔加工工艺及存在的问题

2.1　现有缸孔加工工艺

汽缸体缸孔经过加工中心粗镗、精镗加工后，缸孔表面的磨削在珩磨机完成，主要分为粗珩、半精珩、精珩（平台珩）三道工序，每道工序由单根悬垂的主轴完成加工。粗珩主要是去除前工序预留下来的一部分余量，通过调整参数分配半精珩的余量，分摊珩磨机加工缸孔的时间，并获得一定的几何形状及表面粗糙度；半精珩去除大部分缸孔余量，主要是为了保证缸孔的圆度、圆柱度合格，对刀具的切削性能、加工控制参数、设备部件状态的可靠性都有很高的要求；精珩去除剩余极少的余量，获得合格的表面粗糙度及网纹。

2.2　缸孔加工存在的问题

根据图2中提取的Q-DAS数据反馈当前珩磨机加工缸孔圆度超差频繁，三坐标测量报告显示缸孔圆度超差的情况集中在#002、#003缸孔的Point3及Point4对应圆截面（简称P3、P4截面，对应三坐标测量缸孔-60 mm、-90 mm的截面位置），超差数值主要分布在5.0 μm～5.9 μm之间。针对圆度超差的问题，本文对缸孔加工工艺存在的问题，重点应该分析影响半精珩工序加工不稳定的因素。

图2　B15缸体圆度测量位置及Q-DAS数据图

3　缸孔圆度超差原因分析及控制措施

针对缸孔圆度超差的问题，从“人、机、料、法、环”五个方面分析影响半精珩工序加工不稳定的因素，并结合现场制定相应的控制措施。

3.1　人的因素

主要有三个方面的潜在原因：

（1）由于电机未采用绝对值编码器，控制电源关闭或机床断电后，系统无法确定涨刀驱动机构当前状态，因此生产前操作人员首先要做的工作就是回参考点[1]，如果开机不回参考点就直接加工会造成缸孔直径过大，导致缸孔圆度超差而报废，所以必须把该项内容编写到操作的标准化作业指导书中作为长期措施执行。

（2）生产过程中珩磨条加工磨损到设定寿命需要更换时，珩磨头上的在线检测气管安装不到位漏气，收缩弹簧安装不到位脱落等均会造成圆度超差，操作人员要严格根据换刀操作的标准化作业指导书来执行。

（3）珩磨轴上的驱动头维护不当造成漏气，珩磨轴浮动连接杆安装不当造成珩磨轴旋转摆角过大，都会影响加工缸孔的圆度，维修人员在Preventive Maintenance（简称PM），即预防性维修作业过程中要认真按照维修标准化作业指导书来执行到位。

3.2　机器的原因

3.2.1主轴驱动头磨损

主轴驱动头是主轴的连接部件，磨削时驱动头随主轴整体旋转，在线监测的气流通过驱动头内部腔室分流，经气管与珩磨头相接。驱动头由于润滑腔没有设计注油口，导致加注润滑脂实施困难，内部密封圈选材太软，受热高温易变形，长期运行内部产生很多杂质不能及时清除，内部摩擦力变大，驱动头及内部密封圈容易磨损（如图3），使用寿命降低，磨损后漏气导致在线监测的气电转换器反馈的高速跳转信号存在误差，造成圆度超差。

图3　驱动头及内部密封圈磨损图

措施制定：改进驱动头结构，增加润滑油加注口，脂润滑方式改为集中自动油润滑，提高润滑效果，同时选用硬质耐高温的骨架密封圈替代现有密封。

3.2.2夹具设计缺陷

半精珩工序的夹具夹紧板两端设计呈“马掌”型，与工件 顶部#399面桥式接触，加工过程中夹紧板向下压紧#1、#4缸孔边缘，无法压紧#2、#3缸孔顶部。B15缸体缸孔中部因水道包围缸孔内壁支撑少，主轴往复冲程加工过程中缸孔变形量大，易造成圆度超差。此种夹具设计无法抑制#2、#3缸孔在加工过程中缸孔内部受力形变，应用NX三维建模对缸孔各截面进行受力分析，如图4.

图4　夹具及加工受力分析图

措施制定：在现有夹具基础上新增整体式压板装置，消除#2、#3缸孔加工时顶部无压紧的缺陷。

3.2.3校零环磨损

珩磨头校零环内圆是一个三台阶面的圆环，上下两个圆环为导向环，直径比中间环大，主要是珩磨头在加工前或加工结束后会进入校零环，起导向作用。中间环是珩磨头收刀回参考点的Master Ring，珩磨头进入校零环后主轴仍不能停止旋转，导致珩磨头与Master Ring内壁发生干涉，X向与Y向呈不规则磨损变形，见图5，生产前操作人员做的珩磨条回参考点过程存在偏差，导致加工缸孔圆度超差。

图5　校零环磨损图

措施制定：优化控制主轴旋转的变频器制动参数，以降低珩磨头与校准环磨损。

3.3　毛坯的误差

虽然工厂对不同的供应商的毛坯供应要求是一样的，不同发动机毛坯供应商提供的缸体毛坯金相组织、硬度等在合格范围内，但也会有所不同。生产中切换不同的毛坯加工节拍不可避免的引起波动，如果盲目去调整珩磨加工参数，可能也会引起圆度超差。所以在设备加工节拍不稳定的情况下，现场操作人员要及时与现场管理人员要沟通好，确保来料更换后加工质量受控。

另外，缸体线OP200工位珩磨机是单台设备，而前工位OP190加工中心分A/B线加工完成后，随机流向OP200珩磨工位，OP190A/B线来料的缸孔直径波动直接影响到珩磨加工节拍。如果OP190工位来料的缸孔直径过大，即接近上公差，则OP200珩磨工位的实际节拍会比理论节拍快，粗珩工序加工完后，留给半精珩的余量不足，无法修复前道工序变形的缸孔，造成圆度超差；如果OP190工位来料的缸孔直径过小，即接近下公差，则OP200珩磨工位的实际节拍会比理论节拍慢，即节拍超差，此时为了满足节拍要求而立即调整半精珩进给压力和进给速度等参数，则在连续不断的生产过程中由于OP190A/B线尺寸不同而反复地调整参数，造成珩磨机节拍波动过大，这个为满足生产节拍要求而频繁调整加工参数的过程影响控制系统的稳定性会间接造成圆度超差。用散点图分析实际加工节拍波动情况，跟踪20件来料，记录它们在珩磨机工位加工的实际节拍，图6中以96 s为分割线，黑粗线分割线以下的数据为OP190 A线的节拍，黑粗线分割线以上的数据为OP190 B线的节拍，呈现出A/B线来料余量不一致导致平均节拍有2 s~4 s左右的波动。

图6　节拍统计图

制定措施：查看OP190A/B线Q-DAS数据，并对OP190A/B线加工缸孔去除余量做相应补偿后重新分配，尽量调整OP190A/B线加工完的缸孔直径接近中值，减少由于来料直径波动调整加工参数间接造成圆度超差问题。

3.4　加工方法误差

立式主轴在步进电机驱动下顺时针旋转，按照缸孔#004缸孔→#003缸孔→#002缸孔→001缸孔的加工顺序执行磨削。在加工参数不做变更的情况下，更改加工顺序1：#004缸孔→#002缸孔→#003缸孔→001缸孔，验证无明显改善；更改加工顺序2：#004缸孔→001缸孔→#002缸孔→#003缸孔，验证无明显改善。为验证珩磨条砂粒脱落对圆度的影响，更换砂粒更容易脱落的国产珩磨条验证，圆度有所改善，但是需要长时间加工验证稳定性。重新分配粗珩和半精珩的加工余量，减少粗珩的加工余量，增加半精珩的加工余量可作为尝试验证，验证结果圆度有改善，但是半精珩节拍明显超过理论节拍。以上涉及改变加工工艺的验证方法需要严格按照工程变更流程进行验证，并做好数据记录及程序备份，以便恢复机床到验证前的状态。以上方法验证后确认当前加工方法不是导致圆度超差的原因。

3.5　环境影响

过程控制要求对切削液的杂质含量有要求小于50PPM，切削液采用奎克388 PE水基溶液，切削液的润滑作用可以降低珩磨条摩擦，但是机床长期运行过滤系统中沉淀的铁屑太多没有及时排除，会导致切削液整体杂质含量升高，影响珩磨头磨削过程中的收涨，珩磨条卡滞会影响加工缸孔的圆度。

措施制定：对过滤系统实施改造减少切削液杂质含量。

4　实施案例及改进成效

4.1　夹具改进

通过对现有夹具基础上新增整体式压板装置压紧#2、#3缸孔顶部#399面，并制定检查标准，定期对安装的压紧板进行检查确认压紧间隙，提取QDAS数据显示夹具改进后，缸孔的圆度数据分布在4.2 μm以内，达到控制计划圆度小于5 μm的要求。夹具压紧板结构改进如图7所示。

（续下图）

（接上图）

图7　夹具压紧板结构改进

4.2　主轴驱动头润滑改进及密封改进

对主轴驱动头润滑腔内的密封圈重新选用材质硬，受热高温不易变形的密封圈，钻孔安装增加润滑油管，增加程序监控，自动油润滑代替人工脂质润滑，根据MAXIMO系统导出故障记录2年时间没有再发生过此种故障，目前只要PM定期检查维护得当，驱动头润滑的充分性得到有效保证，设备稳定性明显提高，如图8.

图8　主轴驱动头润滑改进（左）及密封改进（右）示意图

4.3　变频器参数优化抑制校零环磨损

基于AB Drive Tools软件优化控制主轴制动的变频器参数#158、#159，表1.

表1　Drive Tools参数

#158：DC Brake Level制动电流，AB PF70 系列变频器制动主轴旋转的参数；

#159：DC Brake Time 制动时间，AB PF70系列变频器制动主轴旋转的参数。

以上参数优化后，跟踪校零环的初始电压值形成趋势图分析，图9中，优化后的趋势图2斜率比优化前的趋势图1明显减小，校零环备件的使用寿命从2个月左右延长到15个月，校零环异常磨损消耗问题得到有效抑制，并且跟踪发现磨损呈现出有规律的周期，这样就可以根据初始电压值接近曲线最大值10 V左右时，安排在非生产期间更换接近磨损的校零环备件。

图9　初始电压值趋势图

4.4　OP190A/B线来料的缸孔直径波动性问题优化

优化OP190A/B缸孔MARPOSS补偿几何系数K1、K2、K3、K4、K5、K6 值，把 A 线 K1～K6 值由 0 um优化到-5 μm，B 线 K1～K6值由-5 μm 优化到-10 μm，缸孔直径调到中值，减少A/B线缸孔预留余量，及分配到OP200不一致造成的节拍波动，OP200加工平均每工件节约4 s左右。优化后节拍从97 s～98 s降到94 s以左右，OP200珩磨机的节拍波动问题得到抑制，工作效率明显提升，OP190来料缸孔直径波动大的问题得到解决，间接解决了由于来料问题导致OP200圆度超差的问题。

4.5　切削液过滤系统改进

切削液杂质含量的控制除了对切削液的过滤材料的过滤精度严格要求外，每天员工对切削液的抽样检测是件很重要的工作内容，切削液杂质含量超过标准直接影响珩磨条的收缩和扩张，珩磨切削能力下降。通过改造使使加工仓切削液先由二级过滤（磁粉器+滤纸）排除大部分铁屑，再流到一级过滤（沉淀箱），减少箱体内铁削含量，改造过滤系统过滤顺序后，验证净液箱和加工仓冲洗管路口的切削液杂质含量抽样检测结果均小于50PPM，珩磨条在加工过程中卡滞频次记录由11次/月降低到0次/月，该问题得到有效抑制。

5　结束语

本文介绍了单轴立式珩磨机结构及工作原理，从机械设计、控制参数、工艺全面的分析并落实改进措施后，抑制了珩磨机加工缸孔圆度数据超差的问题，提高了单轴立式珩磨机运行效率及可靠性。这些宝贵的改进经验可以合理地输入到新项目的设计中，具有很好的参考价值。