淺談曲軸圓角滾壓設備刀具監控功能及其應用

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

曲軸圓角滾壓強化具有成本低、效率高和強化效果顯著等優點。據統計，國外圓角滾壓的發動機曲軸在整個曲軸中所占的比例已從七十年代的50%提高到現在的80%左右，而轎車發動機曲軸則幾乎無一例外地采用圓角滾壓工藝進行強化。因此，曲軸圓角滾壓技術已成為發展汽車工業，尤其是轎車工業必不可少的關鍵技術之一。

圓角滾壓對曲軸疲勞強度的影響很大，滾壓過程中若出現刀具破損、刀體損壞等情況，將直接導致曲軸疲勞強度不足，曲軸報廢或發動機運行過程中曲軸斷裂的風險。所以，在曲軸圓角滾壓過程當中，設備需要具備一項很重要的功能——將滾壓過程中出現的異常情況檢測出來，那就是刀具監控功能。由于來料工件的質量、工件清潔度、滾壓刀具的磨損、滾壓刀具的破損以及設備精度不足都會影響曲軸的滾壓效果，降低曲軸的疲勞強度，導致曲軸在正常運行過程中斷裂，刀具監控功能則可以在第一時間將這些缺陷檢測出來，從而確保了工件加工后的質量以及滿足疲勞強度要求。本文主要講述了曲軸圓角滾壓設備刀具監控功能的原理及其在實際加工中的應用，推廣曲軸圓角滾壓刀具監控技術，指導技術人員合理設置刀具監控范圍，為企業創造更高的經濟效益。

1 設備刀具監控原理

刀具監控是在曲軸滾壓過程中，利用磁柵尺檢測前后滾壓臂的轉角位移量，將這些轉角位移量信號以波形形式輸出，并對這些波形信號進行不同形式的分析，判定所采集的數據是否在設置的監控范圍之內，從而判斷整個滾壓過程是否正常的監測手段。

根據對磁柵尺檢測的波形信號分析的形式不同，可將刀具監控類型分為刀具監控Ⅰ和刀具監控Ⅱ。

1.1 滾壓單元結構簡介

曲軸圓角滾壓滾壓單元是曲軸圓角滾壓的主體，如圖1所示，主要由前、后滾壓臂、支撐輪、滾壓輪、磁柵尺、滾壓油輸出油路、滾壓臂驅動機構等組成。

其工作原理為：滾壓輪裝在前滾壓臂上，支撐輪裝在后滾壓臂上，滾壓油輸出油路輸出的滾壓油可用來清洗和潤滑滾壓輪和支撐輪。前后滾壓臂的夾緊通過滾壓臂驅動機構驅動，利用磁柵尺檢測前后滾壓臂夾緊后的轉角位移，并通過PMS系統對轉角位移波形進行分析，從而得到刀具監控Ⅰ和刀具監控Ⅱ的分析數據。

圖1滾壓單元結構圖

1.2 磁柵尺檢測原理

對整個滾壓過程中前后滾壓臂的轉角位移通過磁柵尺感應進行數據采集，磁柵尺信號采集原理如圖2所示。

圖2 磁柵尺信號采集原理圖

磁柵傳感器由磁柵（簡稱磁尺）、磁頭和檢測電路組成。磁尺是用非導磁性材料做尺基，在尺基的上面鍍一層均勻的磁性薄膜，然后錄上一定波長的磁信號而制成的。磁信號的波長（周期）又稱節距，用W表示。磁信號的極性是首尾相接，在N、N重疊處為正的最強，在S、S重疊處為負的最強。當磁尺和磁頭產生相對遠動時，通過磁頭來檢測磁性的強弱，從而知道磁尺和磁頭相對運動的位移信號，或者是轉角位移信號。

1.3 刀具監控I原理

通過磁柵尺采集的勵磁信號進行處理，如圖3所示，截取固定頻率段的波形信號進行分析，如圖4所示，當該頻率段信號最高振幅超出設置監控振幅時，便觸發刀具監控I報警。

圖3刀具監控I數據收集波形圖

圖4刀具監控I數據判定分析界面

1.4 刀具監控Ⅱ原理

通過磁柵尺采集的勵磁信號進行處理，截取每20 ms內的波形信號進行分析，采集該20 ms內超出監控振幅的幅值進行求和計算，總和大于監控設置沖量等級，便觸發刀具監控Ⅱ報警。

圖5 刀具監控Ⅱ數據收集波形圖

圖6刀具監控Ⅱ數據判定分析界面

2 刀具監控參數的設置

2.1 刀具監控I參數設置

刀具監控I是監控整個滾壓過程中某個頻率段的最高幅值，當該最高幅值大于預警級別，機床會產生預警信號，亮黃燈；當該最高幅值大于報警級別，機床會產生報警信號，亮紅燈。

圖7刀具監控I數據收集波形圖

圖7刀具監控I數據收集波形圖為，有兩點信息需要進一步進行分析。

（1）為何整個波形圖中頻率相隔約2 Hz便會產生一個突跳？

因為目前機床設置滾壓圈數12圈，每圈頻率間隔相差約2 Hz，每滾壓一圈結束后，計算出一個振幅最大值，該最大幅值產生的準確頻率段是通過加工工件的直徑、加工刀具尺寸、滾壓速度決定的，由于涉及到技術方面的機密問題，對此不進行詳細分析。

（2）何整個波形圖中振幅會產生衰減？

因為在整個滾壓過程中，工件表面圓度、輪廓度均得到進一步的改善，進而使每一圈的監控振幅最大值逐漸減小。

2.2 刀具監控Ⅱ參數設置

刀具監控Ⅱ參數設置如圖8和圖9所示。

圖8刀具監控Ⅱ濾波數據采集

圖9刀具監控Ⅱ監控參數設置

從刀具監控Ⅱ的監控原理可以看出，可通過以下方式對刀具監控Ⅱ參數進行優化：

（1）沖量等級（P1204）設置：通過修改沖量等級，直接修改了刀具監控Ⅱ的數據采集區間，進而使采集數據發生變化。在預警級別、報警級別不變的前提下，直接影響了刀具監控Ⅱ的監控靈敏度。如圖9所示，若沖量等級設置為10，則計算20 ms內數值10上方的數據；若沖量等級設置為12，則計算20 ms內數值12上方的數據。

（2）報警級別（P1205）設置：報警級別是以超出沖量等級后的數據20 ms內進行求和計算的結果進行判定是否紅色報警的標準，如果修改了報警級別，也就相當于修改了判定標準，直接影響刀具監控Ⅱ的報警靈敏度。

（3）預警級別（P1206）設置：預警級別是以超出沖量等級后的數據20 ms內進行求和計算的結果進行判定是否黃色預警的標準，如果修改了預警級別，只是改變了刀具監控的預警靈敏度，對刀具監控Ⅱ的報警沒有影響。

3 刀具監控功能的實際運用

刀具監控功能原理：通過磁柵尺感應對整個滾壓過程中前后滾壓臂的轉角位移進行數據采集，并對采集數據進行不同方式的統計分析，進而得到刀具監控Ⅰ、刀具監控Ⅱ兩種監控方式。所以，刀具監控的作用就是：將所有可能引起前后滾壓臂轉角位移變化的因素都可以通過兩種刀具監控方式探測出來，進而提前發現缺陷并作出相應的反應計劃。

以下將通過幾個實際應用的例子說明刀具監控在實際加工中的作用。

3.1 案例1：對曲軸線車車拉機床中心架破損引起主軸頸跳動偏大的探測

2014年10月9日，曲軸線滾壓機頻繁出現第三滾壓單元刀具監控Ⅱ報警，如圖10所示，利用FlexNet（工件信息查詢系統）查詢10件報警件，結果發現這10件工件均為OP20工位第二臺車車拉機床加工。根據這一特征，從該機床直接抽檢5件工件測量主軸頸跳動，測量結果顯示工件M1、M5軸頸跳動偏大，跳動上限為0.15，實際跳動值最大已經達到0.129。經檢查機床發現機床中心架滾輪破損，造成滾輪卡滯、工件跳動偏大，更換滾輪后，OP50工位曲軸圓角滾壓設備刀具監控Ⅱ報警消除。圖11為OP20機床中心架滾輪破損圖。

圖10第三單元刀具監控Ⅱ監控頻繁報警

圖11 OP20機床中心架滾輪破損

3.2 案例2：對曲軸線連桿頸外銑圓度超差的探測

2014年8月24日，曲軸線滾壓機頻繁報滾壓臂2、4、6、8單元刀具監控 II報警（如圖 12所示）。也就是所有連桿頸滾壓均激發了刀具監控II報警，檢查機床未發現異常，利用FlexNet系統查詢該批報警件，均為OP30工位第二臺連桿頸外銑機床加工。隨后對該機床加工工件進行連桿頸圓度測量，測量結果顯示連桿頸外圓圓度最大達0.127（如圖13所示），對機床進行圓度補償，將工件連桿頸圓度控制在0.06以內加工，機床運行無報警。

圖12所有連桿頸滾壓均激發刀監Ⅱ報警

圖13 OP30連桿頸圓度最大達0.127

3.3 案例3：對曲軸線滾壓機滾壓刀具破損的探測

2014年8月18日 15：00，曲軸線OP50工位滾壓機P4連桿頸刀具監控I&II報警，檢查發現零件P4靠芯軸側溝槽有刀痕，停機檢查刀具發現左邊滾壓輪有2 mm的崩口，如圖14所示。從該例子可以看出，合理設置刀具監控值，可以及時探測刀具破損等缺陷。

圖14 滾壓輪有2mm的崩口

4 結束語

通過合理地設置刀具監控值，可以有效地監控出來料工件質量、刀具的破損狀態，提前發現缺陷，防止缺陷逃逸。從本文例子可以看出，刀具監控的作用不僅僅只是針對刀具破損的探測，對來料工件的質量也起到了很好的探測作用，當上工位設備出現異常并造成工件跳動、軸頸圓度變大時，滾壓機的刀具監控就起到了很大的探測作用。

但是，過嚴的刀具監控參數值設置，會造成設備誤報警頻繁，即使工件跳動或軸頸圓度稍微變大，或者工件表面不干凈、滾壓刀具磨損等，都會激發刀具監控報警，影響生產線正常運行；過寬的刀具監控值設置，又會導致當產生工件質量問題或刀具破損時，設備沒有在第一時間將這些問題探測出來，失去了設備的監控效果，刀具破損時還會造成溝槽滾壓不光滑，疲勞強度達不到要求，曲軸壽命降低，工件報廢。

[1]薛隆泉，劉榮昌，崔亞輝 .曲軸圓角滾壓運動及結構參數的優化設計[J].機械工程學報，2002，38(1):146-148.

[2]李鎖牢,薛隆泉,邊寶麗.曲軸圓角滾壓加工機理及滾壓工藝參數設計[J].拖拉機與農用運輸車，2010，37(4):102-103.

[3]王立錦，李希勝.AMR磁柵尺磁頭輸出波形的半次諧波現象與分析[J].傳感技術學報，2007，20(3):1-3.