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淺析曲軸磨床的可靠性改進

2020-10-15 來源：上汽通用五菱汽車股份有限公司寶駿基地發作者：張紅，黃懷翔

摘要：由於磨削加工中鐵泥較多，采用水基乳化液進行加工冷卻的磨床，冷卻液經過過濾（lǜ）後依然存在部分微小鐵泥，長期積累後，冷卻係統調壓機構受影響出現故障（zhàng），導致（zhì）機（jī）床頻（pín）繁停機。主要介紹 JUNKER 磨床使用的冷卻係統調（diào）壓機構結構、原理和缺陷，以及針對此（cǐ）問題製定的改進方案，實施（shī）完成後極（jí）大地提升機床可靠性。

關鍵詞：JUNKER 磨床；停線率；可（kě）靠性改進

1 、JUNKER 磨床（chuáng）使用的（de）冷卻係統調壓結構特點

JUNKER 磨床在曲軸加（jiā）工中用於（yú）軸頸外圓磨（mó）削，隨著使用時間的累積，運行穩定性（xìng）明顯下（xià）降，成為整線瓶頸[1]。本文主要基於實際運（yùn）行數據，分析磨（mó）床穩定性差（chà）的影響因素，針對故障占比最大的問題做（zuò）出改進，最終實現磨床加工可靠性提升的目標。見圖 1。

圖 1 JUNKER 磨床結構示意圖

圖 2 所示為 2016 至 2018 三年中磨床主要故障種類占比情況，冷卻（què）係統故障占比位居首（shǒu）位。圖 3 顯示冷卻係統故障占比逐年遞增，停機次數和時間到2018 年超出 20%。根據圖 2 圖 3 分析，磨床可靠性主（zhǔ）要受冷卻係統影響，要達到提升目的需要（yào）提（tí）高冷卻係統可（kě）靠性。JUNKER 磨床冷卻係統結構簡單，故障高（gāo）發點（diǎn）主要為 Lanny 閥。

圖 2 磨床主要故障種（zhǒng）類（lèi）占比

圖（tú） 3 冷（lěng）卻係（xì）統停機時（shí）間占比

JUNKER 磨床在軸頸加工工藝中（zhōng），工件質量精度範圍僅 5 μm，冷卻係統在磨削工（gōng）件時的不同階（jiē）段提供不同（tóng）壓力的冷卻液，用於冷卻、衝洗砂輪和工件，供液壓力不穩（wěn）定（dìng）將導致批量工件軸頸圓度不好。改進前冷卻係（xì）統使用比例 Lanny 閥調節冷卻壓力，Lan－ny 閥組（zǔ）成結構（gòu）如圖（tú） 4，主要（yào）由比（bǐ）例氣控閥和腔（qiāng）體組成，係統輸出模擬量控製氣閥開度調節腔體（tǐ）大小改變輸出壓力。JUNKER 磨床一個加工循環（huán）中單通道（dào）需要完成 4 個軸頸磨（mó）削，每個軸頸磨削需要切換 5次壓力，完成一個加工循環單個 lanny 閥切換 20 次。

圖 4 Lanny 閥機構組成

機床使用（yòng）時間 1 年後（hòu），伺服比例 Lanny 閥閥芯由於長期（qī）地頻繁動作，內部數個密封圈出（chū）現磨損導致動作卡滯或冷卻液泄漏，機床（chuáng）開始出現軸頸圓度（dù）過程能力差、冷卻報警頻繁等問（wèn）題。Lanny 閥受物理結構組成和控製原理的限製，可（kě）改進空間小。因此，磨床可（kě）靠性提升方（fāng）案為使用三相交流（liú）變頻器替代 Lan－ny 閥調壓。

2 、冷卻係統驅（qū）動結構改進

磨床冷卻係統原有設計驅（qū）動結構主要由 Lanny閥、電（diàn）機和高（gāo）壓泵組成。電機啟動後以固（gù）定轉速帶動高壓泵提供冷卻液，冷卻液壓力通過 Lanny 閥調節。磨床磨削曲軸（zhóu）軸頸時，冷卻壓力在 0 MPa、0.1

MPa、0.3 MPa、0.8 MPa 之間快速（sù）切換，由於磨床加工（gōng）精度極高，冷卻壓力直接（jiē）影響軸頸（jǐng）圓度，當（dāng） LANNY閥異常時，冷卻壓力切換不及時或不穩定，工件軸頸圓度過程（chéng）能（néng）力下降或機床報警停機，嚴重時產生工件批量報廢。

圖 5 為改進前後對比，改進後的結構由三相交流變頻器、電機和高壓泵組成。變頻器啟動後，實時獲取機床加工壓力需求，直接控（kòng）製驅動（dòng）電機調節轉（zhuǎn）速驅動高壓泵輸出冷卻壓力。

圖 5 冷卻係統驅（qū）動結構改進

3 、電機（jī）控製方式改進

如圖 6 所示，改進前電機由 PLC 邏輯控製三相交流接觸器吸合後啟（qǐ）動，改進後電機將不再直接受PLC 控製，而是由變頻器控製電機啟停。並實時根據（jù）係統設定壓力調節電機轉速。

圖 6 電機控製方式改進

4 、冷卻壓力調節方式改（gǎi）進

Lanny 閥的（de）壓力調節（jiē）需通過示教實現，調壓係統屬於開環係統，係（xì）統（tǒng）壓力調（diào）節反應稍緩，受閥（fá）芯穩定性影響大，在加（jiā）工環境惡劣時，冷卻液中雜質含量較多，直接影響閥芯密封部件，致使密封不嚴，壓力建立不起來，影（yǐng）響加工質量。由於 Lanny 閥的開度調節是通過（guò）示教實（shí）現，所（suǒ）以當輸出的冷卻壓力與設定壓力差距大的時候無法自動調節適應（yīng），機床報警停機。如圖 7，改進後應（yīng）用變（biàn）頻器 PID[2]閉環控製，在（zài）泵的輸出管路的壓（yā）力傳感器實時反饋冷卻液壓力給變頻（pín）器，變頻器將其與係統給定壓力對比（bǐ），當出現偏（piān）差（chà）時，立（lì）即調節電機轉速實現（xiàn）偏差的不斷縮小並最終消（xiāo）除（chú）偏差（chà），改進後冷卻液壓力更穩定、更準確（què）。

圖 7 冷卻壓力（lì）調節方式改進

5 、冷卻壓力調（diào）試方式改進（jìn）

JUNKER 磨床應（yīng）用的比例 Lanny 閥的控（kòng）製壓（yā）力校準（zhǔn）設定需要複雜的操（cāo）作才能實現，包括分別對三個不同壓力單獨進行設（shè）定、運行專用程序啟動機床輸（shū）出（chū）冷（lěng）卻壓力，核對實際壓力和設定壓力（lì）差異並進

行人工調整直（zhí）到差異為 0。據曆史作業工（gōng）單時間統（tǒng）計，單台校準作業耗時約 2 h，改進後，無需（xū）再（zài）作壓力校準，隻需按工藝需求（qiú），在 NC 程序中定義冷（lěng）卻液壓力即可實現自動調節，如圖 8 所示。

圖 8 冷卻（què）壓力調試方式改（gǎi）進

LANNY 閥內部密（mì）封件數（shù）量大成本高，單個閥的配套密（mì）封件單價達 2 萬元，應用中不僅有長時（shí）間、高（gāo）頻次的停（tíng）機（jī）問題，在備件成本方麵的耗費也極大。因此，改進後不再使用 LANNY 閥，具有極大的成本（běn）優勢（shì），如圖 9 所示。

圖 9 改進前後停線率對比

6 、結束語

通過改進，冷卻液壓力控製應用具有高柔性特點，通過 NC 程序（xù）定義壓（yā）力值，冷卻液壓力即可在（zài） 0~1 MPa 範圍內自動調節。其（qí）次（cì），因 PID 閉環控製具有（yǒu）提高係統穩態性（xìng）能和動（dòng）態性能的優（yōu）點，使變（biàn）頻器可以自動調節泵的轉速輸出目標壓力，響應（yīng）速度快，壓力輸出穩定準確[3]。改進後經過 1 年的（de）運行，機（jī）床開通率（lǜ）提升，如圖 9，停線率降低 6%，機床可（kě）靠（kào）性顯（xiǎn）著提（tí）高。

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