凸輪磨削產生小平面問題分析及處理

神龍汽車有限公司襄陽工廠 (湖北 441004)楊正凱 陸曉龍 劉 浩

神龍公司生產的TU5JP4 凸輪軸的磨削加工，是利用英國Landis 公司生產的超精密凸輪軸磨削機床，對凸輪軸軸頸、凸輪輪廓部位進行精磨削，特別是凸輪的磨削，依靠機床的X 軸(砂輪進給)、Z 軸(砂輪左右移動)和C 軸(頭架高精密回轉)，配合自定心中心架，以精確的角度控制和砂輪進給磨成凸輪輪廓形狀，形成理想的輪廓曲線。這類高精尖機床技術復雜，精度高，尤其是在加工的產品質量方面，凝聚了機床各方面綜合精度。凸輪軸生產線上XF0663 Landis 凸輪磨床使用中，磨出的凸輪輪廓表面，出現小平面、輪廓線失真等質量問題，束縛了機床正常運行。機床技術狀態劣化產生故障后，需要分析探索故障產生的原因，尋找問題點，盡快恢復其原有功能和精度。因此，研究不同類型機床的維修方法，摸索一些特色的維修技巧，巧妙地修復機床各類復雜故障，是擺在維修人員面前的首要課題。

1.Landis 凸輪磨床介紹

Landis No.860 系列凸輪磨床配置:砂輪進給軸(X 軸)和砂輪橫向移動(Z 軸)使用直線電動機驅動(見圖1)，直線電動機的磁體部分(次級線圈)直接安裝在床身與磨頭下滑板之間，電氣控制移動部件 (初級線圈)安裝在滑板中，組成直線伺服電動機驅動，光柵尺反饋以提高機床性能和可靠性;機床用密封靜壓導軌承載;靜壓軸承承載砂輪主軸;頭架主軸控制零件精密回轉;自定心中心架支承零件。

圖1 直線電動機驅動結構

XF0663 是Landis No.860 系列精密凸輪磨床，機床在磨削加工的時候，工作臺固定不動，工作臺上裝置4 套Arobotech 產自定心中心架和高精度的頭尾架裝置，對零件定位、夾緊、支承及精密旋轉控制;砂輪架前后移動進給，左右移動換位，滿足凸輪軸上8 個凸輪的磨削要求。

2.問題的出現

XF0663 凸輪磨床加工產品過程中磨出的凸輪，在輪廓的開啟段與基圓交接處留有小平面(見圖2)，最小平面寬度約0.3mm;最大2～3mm，在同一根凸輪軸上(產品8 個凸輪在360°分配)，磨削出8 個凸輪小平面均在同一位置。2D 輪廓線檢測結果，也是一根凸輪軸上8 個凸輪輪廓線同一位置出現缺陷(見圖3)。如果停一會兒機床，修改輪廓線起始點角度或加工參數，加工前2～3 件，出現的平面窄小成暗紋，到第4～6 件時逐漸明顯，越來越寬(0.2～0.7mm)，加工10 件后寬度0.8～1mm，且越來越大。

圖2 凸輪出現小平面位置

圖3 在8 個凸輪輪廓線上同一位置

3.對產生問題的思考分析

根據Landis 機床說明書介紹，凸輪磨削這樣的超精密機床，加工零件有質量缺陷。出現機床精度故障，首先從檢查零件支承系統是否有問題入手;其次測試各合成運動軸之間的同步，以及進給軸的快速響應速度測試，其他相關檢查等一整套的測試、判斷、分析、驗證;最后綜合判斷才能逐步找到故障原因。

(1)零件支承系統分析驗證 查看磨削過的有缺陷零件，部分中心架支承痕跡不規則，分析判斷4個中心架的軸心線調整不一致，零件在旋轉時扭曲點正好和凸輪開啟段與基圓交接處重合，致使頭架在這個點與砂輪架之間振動而出現平面或臺階。中心架沒有調整好，零件軸線與回轉中心不重合，會引起加工質量問題。現場檢查驗證:把心棒夾緊后，檢查1～5 軸頸跳動值為:0.002mm、0.002mm、0.006mm、0.004mm、0.002mm，多次規范調整后加工零件小平面無改變，說明零件支承系統無問題。

(2)頭架回轉和砂輪進給的同步分析 根據機床多軸合成運動的特性分析，C 軸(頭架)運行中，回轉角度有誤差或者有停頓振動，這樣整個加工表面都會產生振紋(細小的小棱面)，同時出現振紋的位置會發生變化，不會集中在不同角度的同一位置。試驗改變機床輪廓線起始點角度，機床故障無改善，從8 個凸輪加工結果分析，除產生的開啟段輪廓線與基圓交接處留有小平面外，其他部位全部符合要求，包括圓跳動、輪廓線的光滑、表面粗糙度等均符合質量要求，這就驗證頭架旋轉與砂輪進給的同步沒有問題。

(3)砂輪進給軸的響應速度影響分析 Landis凸輪磨床，砂輪進給采用的是“零傳動”，整個閉環控制系統動態響應性能非常高，反應非常靈敏快捷;通過直線位置檢測反饋控制，既減少了差補時系統反應滯后帶來的跟蹤誤差，也提高了機床的定位精度和傳動精度;直線電動機動子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，消除了定子和動子之間的接觸摩擦力，大大地提高了系統的靈敏度、快速性和隨動性。機床這些特點說明，進給系統不能有任何磨損和誤差，否則將帶來運動滯后，響應速度達不到要求，還會在零件上留下痕跡。

綜合分析判斷得出下列結論:砂輪進給X 軸在換向進給時存在滯后響應誤差，響應速度瞬間產生變化。根據凸輪加工特性，砂輪軸前進加工到位，需要反向進給加工時，快速性和隨動性不允許有差異，因此，合成運動的任何單元反應滯后，瞬間就會把缺陷留在零件上。

4.對問題的驗證分析及處理

根據上述分析，要找到和驗證砂輪進給X 軸的滯后誤差出現在那里，究竟哪部分零件因磨損而失去原有的功能，采取下列三種方法逐步驗證故障點出在何處。

(1)軸測試 按照Landis cnc6400 系統軸測試說明，對XF0663 砂輪進給X 軸和回轉軸C 軸做軸測試。軸測試可以判定任何不同之處，不同之處可能由于機床的機械磨損、伺服故障、污損、潤滑故障等造成。LandisCNC6400 中提供了兩種軸(回轉軸和直線移動軸)的性能測試功能。

測試前把C:cnc6400projectlog 中，文件備份，然后按說明書要求測試，測試后的數據和原始數據進行對比，查看差異點，進行對應調整。也可以把該數據及備份數據傳給Landis 進行分析，給出處理對策。

按說明要求測試后，把XF0663C 軸、X 軸的軸測試后的數據，與機床出廠保存的原始精度數據進行對比分析，同時把原始數據文件、測試后C 軸、X軸的測試數據文件，以及近期加工零件的數據發給Landis 技術部門協助分析。數據對比后發現:C 軸沒有問題，X 軸每段進給的轉矩值有微小的變化。Landis技術部門分析后也確認:C 軸沒有問題，X 軸進給的分段轉矩值曲線，有逐漸微小變大的改變。給出的結論是:轉矩微小變化從常規推斷影響不大，但可以看成是最大的疑點，還要檢查導軌浮起量，是否浮起不一致產生阻力，再綜合分析影響高速響應速度變化的原因。

(2)檢查導軌 對砂輪架的X 軸、Z 軸的密封靜壓導軌進行浮起量檢測。Landis 凸輪磨床砂輪架設計的是全密封靜壓導軌技術，在兩個相對運動的導軌面之間通入壓力油，使運動部分浮起，工作過程中油膜壓力隨外載荷變化而變化，來平衡作用在導軌上的外負載。在不同速度下都能保證導軌面始終處于液體摩擦狀態，減少拖動導軌運動的直線電動機的動力消耗，穩定進給轉矩的輸出，具有很高的運動精度和穩定性。設計的靜壓導軌在導軌的幾個方向開若干個油腔，承受正向、反向載荷，承受顛覆力矩的能力強，油膜剛度高，導軌各方向均有靜壓壓力，運動時金屬與金屬之間無接觸、無摩擦，重復定位精確。

由于凸輪輪廓加工精度高，配置這種高剛度的導軌，是為了很好地保證機床加工質量。因此，機床通液壓油后，導軌的運動部分浮起量將直接影響穩定性改變進給轉矩的輸出。在導軌的前后及側面幾個方向放置百分表，檢測導軌通壓力油后的浮起量為0.018～0.020mm，符合機床出廠精度，驗證機床導軌無問題。那么進給滑臺的阻力究竟在何處?出現了故障分析難題問題不明朗，到此故障已縮小到X 軸進給阻力上。

(3)手動推拉滑臺驗證 由于驗證機床導軌無問題，要再次證明X 軸阻力產生在何處，經思考啟發:運用觸覺的辦法直接感覺X 軸轉矩變化，手動推拉進給滑臺是否有很大的摩擦阻力，判斷其阻力來自何處。操作方法:①機床液壓系統啟動，讓靜壓導軌浮起。②手輪把Z 軸移到工件正前方 (防止異物干涉損壞砂輪)。③取消X 軸使能。④實際做推拉試驗，用手推拉X 軸運動滑臺。正常情況下:推拉很輕松，用很輕的力就能推拉移動運動滑臺。可是實際在分段手動推拉過程中，發現每段使用的推拉力不一致，非常不順暢，一個人費力才能推走滑臺，并且有死點，特別是滑臺進給到離終點部位處100mm 處，需要兩人來推拉滑臺才能移動，這種人工感覺到的推拉阻力足以改變X 軸進給轉矩，制約響應速度。用同樣的方法推拉相同工序另一臺Landis 凸輪磨床XF0671作對比，單手30～50N 左右的力很輕松推動，整個行程非常順暢。

對這兩臺機床的人力推拉對比驗證分析得出結論:機床X 軸直線電動機存在問題，原因:可能存在直線電動機的線圈(初級部件)與磁鐵(次級部件)干涉，發生摩擦，摩擦阻力增大了進給轉矩，致使快速響應速度發生變化。

拆開X 軸直線電動機，發現初級線圈膨脹，膨脹后防護鋼板與磁鐵防護鋼板接觸，產生很大的摩擦力，且初級部件防護套即將磨穿，這就是進給滑臺形成進給阻力，改變進給轉矩變化的問題所在，也是移動快速響應產生誤差的原因。確定進給滑臺反向進給時，初級和次級部件相互摩擦產生阻力，致使響應速度遇阻力滯后，瞬間在零件上留下小平面，至此故障原因找到。

(4)問題的處理 按照機床維修說明書要求，規范細致地安裝新的直線電動機備件，電動機安裝好后，在沒有使能的狀態下，通液壓油讓密封靜壓導軌浮起，手推滑臺感覺推拉力輕松，和XF0671 一樣，單手30～50N 的力很輕松推動，整個行程非常順暢。這時再做X 軸同步，確認同步做好后，空運行機床約1h 沒有異常，按操作規程定標修正砂輪，砂輪修好后，打表確認中心架、卡盤跳動，確認無問題開始加工零件，檢測零件質量小平面消失，精度恢復，機床故障處理完。

5.結語

設備某些零件因磨損而失去原有的功能和精度，就會出現復雜的故障難以查找，有些故障隱秘性強，需要層層分析，剝離故障的表面現象，最終完成故障的處理，恢復精度保證正常運行。經過對XF0663加工出的零件質量問題的分析處理，針對不明確的難題，運用邏輯性思維推論去具體分析，從而采取對應的處理措施，特別是在理論分析和實際驗證出現阻礙，故障仍不明朗的情況下，在故障分析驗證判斷不準的關鍵時刻，思考運用手觸方法，巧妙地用手動推拉進給滑臺，直接感覺進給滑臺摩擦力的變化，找到故障的癥結，順利地把故障處理好。這次凸輪加工出現的質量問題，以往沒有出現過，因此，對日常維修過程中遇到的復雜技術問題作出些經驗總結，便于給從事Landis 凸輪軸加工機床的維修人員啟發和借鑒，有助于在維修過程中少走彎路，提高維修效率，規避質量風險，供讀者參考。