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  • 加工中心在機測量對工序質量的提升

    大眾動力總成(上海)有限公司 朱正德

     [摘要]:隨著生產模式的轉變,加工中心在汽車制造業中的配備數量日趨增多。尤其是用于發動機中的缸體、缸蓋,變速箱中的殼體等復雜零件的加工過程中。本文闡述了如何利用機床內在機量儀的在機測量功能,通過對刀具、工件、夾具等的檢測和補償,有效地提升了工件的制造質量和工序質量。文中例舉的來自生產實際的典型示例,從不同的角度反映了這種在機檢測功能的有效性。

    [關鍵詞]:在機量儀組成 在機測量功能 典型應用實例 工序質量保證

    隨著轎車制造業的生產模式從大批量單一品種漸漸演變成中小批量多品種,加工中心在相關企業中的應用日趨增多,尤其是用于動力總成部件中那些復雜零件的加工,如發動機中的缸體、缸蓋,變速箱中的殼體等。鑒于這些零件不但形狀復雜、工藝要求高,一旦出現廢品就會造成很大損失,因此,如何提升加工中心的制造質量意義是很大的。而在機檢測功能的設置就是一種十分有效的手段。

    1、 在機測量系統的基本組成及主要功能

    1.1 在機測量系統的組成

    實施在機測量的在機量儀主要由接觸式測頭、信號接收器和輸出電纜(或接口裝置)組成,根據傳送信號的性質,又分為紅外線和無線電等二種。相比之下,后一種的信號傳送能力更強些,不但傳送距離大,在受到物體阻擋的情況下也不受影響。圖一給出了一種典型系統的組成和工作過程:接觸式測頭的檢測結果以紅外信號方式發送到安裝在加工中心內的接收器,接收器通過輸出電纜(或經過接口裝置)將信號傳送到機床控制系統。目前,檢測軟件部分兩類:由在機量儀廠家提供的全面三維計量在機測量軟件,由在機量儀廠家或者機床廠商按實際需求編制好的簡單的一維或二維幾何特征測量宏程式。目前有很多用戶采用后者輔助加工,有普及的勢頭。

    1.2 主要功能

    在機量儀的接觸式測頭,測量的對象可以是工件、夾具,也可以是刀具,完全根據不同用戶的需要來。設計和實施相應的功能。當檢測對象是工件和夾具時,將采用圖一中的測頭1。此時,接觸式測頭就象刀具一樣,平時存放在加工中心的刀庫中,依照不同的要求,在一道加工工序之前或之后調出,再按程序執行自動檢測,從而實現某種功能。而當檢測對象是刀具,就采用圖1中的測頭2(也叫對刀儀),這時“座式”的測頭被固定在加工中心的機床工作臺面上。概括地說,通過在機量儀執行的在機測量,主要可以達到以下目的:

    • 刀具狀態的檢測

    對刀具狀態的檢測也稱為“對刀”,參見圖二。此時,是利用設置在機床工作臺面上的測量裝置(對刀儀),對刀庫中的刀具按事先設定的程序進行對刀測量,然后與既定值進行比較后作出判斷。同時,通過對刀具的檢測也能實現對刀具磨損、破損或安裝型號正確與否的識別。圖二是對刀測量的幾個示例:

    A:正在進行刀具的長(高)度檢測,B:正在進行刀具半徑方向的測量,C:待檢測的刀具此時已破損,通過對刀測量能及時發現并報警。利用對刀儀進行機內對刀,不僅節約了機外對刀時的人力、物力,提高了工效,而且對刀所處的環境與加工狀態一致,能最大程度地減少由刀具夾緊力和溫度變化帶來的影響。

    在“刀具狀態檢測”這種應用場合,檢測信號采用的是前述電纜傳送方式輸入接口裝置,或直接與機床數控系統連接。對刀測量裝置有接觸式和非接觸(光學)式等兩種,圖二是較常用的接觸式的示例。 

    • 機床加工參數的設定

    通過在機量儀的在機測量,間接或直接地獲取加工中心在執行下道工序時最合適的的加工參數,從而可大大提高工件的制造質量。這種有針對性的、智能化的工作方式在那些有配合關系或特殊要求的場合應用較多,如帶缸套的缸體上平面加工、缸蓋燃燒面的加工等場合。

    • 確保正確的加工狀態:工件、夾具的找正和補償

    所謂“找正”,是指為了保證工件的正確安裝、定位而采取的相應措施。至于存在“不正”,則既有夾具方面的原因,也有工件自身因素的影響。無疑,加工狀態的找正是確保工件加工質量的基礎。另外,對于夾具“找正”過程中測得的偏差,以及由于受到溫度變化和刀具磨損等漸變因素作用,加工狀態的穩定性所發生的會影響到制成品質量的變化,在必要時還需采取一些補償措施。在機測量系統在期間也發揮了重要的作用。

    • 工件的自動檢測

    在一道工序完畢后,或者在所有工序都已完成后再對工件進行自動測量,即直接在機床上實施對制成品的檢驗,是機內在機測量的又一種功能。此時,相當于把一臺坐標測量機移到了機床上,顯然,這能大大減少脫機測量的輔助時間,降低質量成本。事實上,現今這種在機測量功能也確已十分強大,除了可進行各種幾何元素的快速檢測外,利用專門開發的軟件還能完成脫機編程,通過在電腦中模擬,還可避免在機測量中可能發生的干涉、碰撞等現象。

    2、應用實例

    加工中心多年前在國內機械制造業已有所應用,但在機檢測系統則還是近十年來才出現的一種過程控制設備和方式。由于能顯著提升過程控制能力,提高制造質量、工作效率和降低差錯,汽車行業、模具、航天航空及其他制造行業對其的應用逐漸廣泛起來,而在汽車行業,汽車發動機、變速箱等工廠的應用日趨增多。以下一些來自汽車行業的生產實際的示例提供了充分的說明。

    2.1、溫度補償和刀具磨損補償

    10年前,某發動機廠正在驗收一條柔性缸蓋自動生產線,在對其中二臺加工中心幾項關鍵線性尺寸參數進行設備能力評定時,發現機器能力指數都能滿足要求。但當執行過程能力評價時,即對延續二班或更長時間的抽檢數據進行統計分析時,就出現分散性較大,過程能力指數、值偏低的情況,即工序質量達不到規定的要求。經過對可能引起的原因較全面的剖析,確認是環境溫度變化造成的,顯然,若不采取補償措施就難以消除由此引起的誤差。最后,通過給機床添加了在機檢測功能,終于徹底解決了問題。方法是:在刀庫中配一觸發式測頭,根據預先設定的頻次(如1次/10件),如同一把刀具般地取出,打在安裝工件的夾具上的某一固定位置。由于正確地判斷出這一位置的變化與受控關鍵尺寸之間存在著線性相關,因此就可以根據測得值的變化來調整進刀量,從而有效地實施了補償。

    同樣地,進行溫度補償或刀具磨損補償也可采用另一種方法。不久前,南方一汽車發動機廠為了確保加工缸蓋上平面后的尺寸精度,采取了將在機量儀的測頭打在銑削完畢后的工件表面上,按每10件1次的間隔進行測量。若發現有較大偏差,即根據設定的補償方式自動調整加工參量。一般來說,受溫度變化或刀具磨損的影響而帶來的波動呈現規律性,據此可確定相應的補償方式。

    2.2、機床加工參數的設定

    圖三中的鋁質缸體需鋃嵌缸套,缸套是外購件,其安裝平面(見圖中綠色箭頭所指)低于缸體上平面(見圖中紅色箭頭所致),這臺加工中心的一道工序即是加工該缸套安裝平面。為了確保缸體上平面至安裝平面的軸向距離h能控制在規定公差范圍內,機床內設置了在機檢測系統。

    這道工序需控制的h值是由缸體的底平面到上平面的高度 和缸套的高度決定的,即:
    h= --L 

    由于缸體底平面固定于機床夾具的支承面,后者是加工的基準面,而L是定值,因此為了確保得到一致的h值,就必須通過在機檢測獲取每個工件的 值后,再來確定對應的切削量m:
    m= --(h+L)

    具體做法是圖三中的觸發式測頭順序在缸體的上平面測量4個點,并按得到的數據取平均值,然后由之前的已設定值來求出相對應的切削量,作為下道工序加工缸套安裝面時的依據。

    2.3、夾具找正
    圖四所示的加工中心擁有一個碩大的、稱為“交換器”的轉臺,在其直徑方向安裝了二個“托盤”,

    其實是二個用于裝夾工件的回轉工作臺,可背向安裝二個缸蓋罩殼。二個工作臺所處位置總是對應機床前、后部的“上下料”和“加工”工位,即當一組工件處于加工工位被順序進行加工時,操作工則在上下料工位從事工序完畢后的卸料和再次上料。“交換器”和“托盤”的回轉精度很高,但前者在交換兩個工作臺位置時,必須先由舉升機構將整個轉臺抬起,然后轉動180°,再落入由四個錐體、錐孔組成的,依靠錐面匹配的定位裝置。由于工作環境惡劣,難免會有冷卻液帶入的鋁屑、雜物等粘附在定位面上,由此會造成轉臺的微量偏移,并傳遞到工作臺(“托盤”)和其上的夾具。但定位裝置的原理和結構決定了、也確保了微量偏移只可能是平移,而不可能是歪斜。從圖4可見,被加工的缸蓋罩殼是直立裝夾的,若不對這一項引起誤差的因素進行監控,將不利于保證工件的質量,為此,安排了在機檢測的環節,用于夾具的找正,更確切地說,是通過“找正”進行補償。具體的實施方法是在工作臺上夾具的上部設一基準塊,當工作臺置于機床的加工工位時,在對工件實施切削加工前,動力頭先調出測頭,打在基準塊的小平面上(見圖四所示),通過與預先的設定值相比較來判斷夾具的狀態,當出現超出允許范圍的偏差時,即通知操作人員或機修人員進行處理。根據圖4所示的被加工工件的實際情況,這項允差范圍定為±0.2mm,即當在機測量的結果小于±0.2mm時,認為可以通過補償來解決夾具偏移引起的加工誤差。并在之后的加工過程中,通過在切削量參數中引入對應的補償值,以消除夾具偏移的帶來的影響,從而確保工件的制造質量。

    2.4、工件找正

    被加工工件是一種新穎汽車發動機上的大型鋁鑄件—— 鏈輪罩殼,在這臺機床的眾多工序中,對其中4個孔的加工是極為重要的。圖五中,從左至右顯示了這些孔,其中第4個,也是最右側一個正所處在待測(相當于“加工”)位置。為了確??椎募庸ぶ柿?,在工藝上就必須使刀具的回轉中心與工件毛坯孔的中心保持一致。但從圖中可見,四個孔呈輻射、散布狀,孔徑和中心高又相差很大。在這種情況下,如果對每一個工件都仍執行一成不變的加工程序,那么即使是裝夾中的細微差別,或是鑄件自身的一些差異,都將會影響孔的制造質量。為此,必須先對工件進行圖5 在機檢測用于工件找正 “找正”,即利用機床的在機檢測系統在加工前先逐個對每個毛坯孔進行測量。方法是通過在圓周的上下、左右共打4點來精確地確定孔中心的坐標位置,據此,再有針對性地執行各個孔的加工,顯然,經過“工件找正”之后,各孔的制造質量就有了充分保證。此外,在找正的同時,還可以得到鑄孔的毛坯余量,若進一步利用變量編程,還可以實現毛坯余量的自動分配,這樣就既能保證孔加工過程中切削力不會過大,以免損傷機床和刀具,又能提高刀具的耐用度,以使工作效率達到最高。

    3、在機測量的應用提升了工序質量

    利用設置在加工中心內的在機量儀進行機內對刀,通過加工前的在機測量完成相關加工參數的自動設定,或對夾具、工件實施“找正”,并據此進行相應的修正、補償,以及在加工后通過在機測量進行溫度、刀具磨損的補償。凡此種種,不但保證了零件的加工質量,而且能有效地提高生產過程運行的質量水平。圖六是上一節實例4(2.4)的過程能力分析結果,選用的評價項是圖五中測頭正進行找正的那個孔: ,也是4個被找正的孔中要求最高的一個。為了驗證實物的加工質量和生產過程運行的質量水平,根據一個月正常生產期間規范采樣的數據,進行了統計分析。圖六中,A是單值進程圖,也稱“散點圖”,反映了這期間被加工項的變化趨勢,B是直方圖。據此,可計算出評價這期間生產過程運行質量的指標值——過程能力指數CP、CPK,得到的結果為:CP=3.24,CPK=2.95,顯然表明了該加工中心的工序質量已達到了相當高的水平。

    圖七是上一節實例3(2.3)的過程能力分析結果。從圖四-B可以看出,通過在機測量對夾具的“找正”和進行相應的補償后,直接改善了精度的工件尺寸參數是與動力頭軸線同向的高度值,因為這個值的大小完全取決于刀具對工件垂直面的銑削量。類似于上述對實例4的統計分析,為了驗證工件的實際制造質量和生產過程的工序質量,也對近一個月來以規范抽檢方式獲得的數據做了分析,評定對象是工件一定位面到圖四-B中被加工面的距離:20.4±0.2。從獲得的單值進程圖(圖七-A)和直方圖(圖七-B),以及由此經計算得到的反映了這期間過程運行質量水平的指標——過程能力指數的值:CP=3.33,CPK=3.01,也表明了工序質量相當高。

    在本案例中,采用在機測量過程控制方法直接提升了位于機床加工現場的加工質量,很好的體現了現代工業“產品質量是制造出來的”這一理念。