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凸轮轴磨削震纹的测量与分析
来源: 作者:神龙汽车有限公司 叶宗茂 浏览次数:0
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神龙汽车有限公司 叶宗茂


    通过对凸轮轴升程型线误差数据的深层次研究与分析,利用震纹分析软件,建立了凸轮轴震纹基本频谱图,经过发动机台架试验的验证,确定了在加工过程中不同频率范围内震纹的接受标准,将目前凸轮磨削震纹的主观定性判断转化为基于数字的精确判断,并在长期的工作实践中总结出了凸轮轴磨削震纹产生的原因及解决措施,对凸轮轴磨削质量控制具有一定的指导意义。

1.前言

凸轮表面磨削震纹是凸轮轴磨削加工中最常见又最难排除的质量缺陷之一,它来源于磨削系统的振动,砂轮与凸轮产生时重时轻或断续的磨削与接触,在凸轮表面留下的一道道不均匀的磨削或接触痕迹,俗称磨削棱面,专业名称叫震纹,是零件表面的一种质量缺陷。若磨削系统内存在振动,磨削深度越小,零件表面的震纹越明显;振源不同,震纹的特征也不同,最典型、最常见的震纹特征有两种,一种是在凸轮表面形成的轴向多边形棱面,深而宽,手感很明显,如图1所示,肉眼很容易识别,这种震纹叫“小棱面”;另一种是在凸轮表面呈现轴向白线条,浅而窄,手感不明显,如图2所示,肉眼很难识别,给人的感觉是时隐时现,很不明显,这种震纹叫“颤痕”;这两种震纹都会对发动机的性能带来影响,增加了发动机的噪音,严重时,会使发动机在高速运转过程中产生“哨声”和“啸叫”,影响汽车驾驶的舒适性,造成整车的质量缺陷。由于磨削震纹的数字化测量非常困难,目前大多数发动机制造企业及汽车零部件制造企业对凸轮表面的磨削震纹的质量控制都还停留在目视检查的基础上,目视检查结果与检查人员的经验、技能及身体状态有很大的关系,加上符合性标准是定性的描述,对于这种介于宏观与微观之间的几何量的符合性判断存在很大的模糊性、不确定性和争议性,那么企业如何在生产过程中监控凸轮轴磨削过程中的震纹的符合性呢?如何从源头上消除磨削震纹的产生?如何通过过程质量来保证产品质量?
                            
   2.凸轮轴磨削震纹目视检查法简介

目前,绝大多数汽车零部件制造企业检查凸轮轴磨削震纹的方法有很大的局限性,只能对凸轮表面震纹幅度较大的“棱面”和“颤痕”进行目视检查,具体检查方法有三种,第一种方法是直接拿一根凸轮轴在白光下观察每个凸轮表面一周是否有沿轴向方向上的直线白条纹,如果看不出就认为零件无棱面,或者用手沿凸轮周向方向上感触,如果感触不到棱角的存在,就认为凸轮没有棱面;第二种方法是用一根没有棱面或者是棱面高度较浅的零件作为样件,在白光下将被检测零件与样件做比较,通过观察或用手触摸,若对被测凸轮表面棱面的感觉不超过样件棱面的感觉就认为合格;第三种方法是采用着色法检查,就是在凸轮表面均匀涂红丹粉或绿丹粉,然后用一个液压挺杆或摇臂放在凸轮表面上且施加一定的力,旋转凸轮一周或数周后,观察凸轮表面是否呈现很明显的白色条纹,如果有,说明凸轮表面有棱面,如果没有,说明凸轮表面没有棱面,另外,用这种检查方法如果发现有白色条纹,还可以数出白色条纹数量,如果数量低于50个,一般认为是不可以接受的棱面,如果数量大于50个,认为不影响零件功能,可以接受。

以上三种磨削震纹的目视检查方法在凸轮轴制造企业广泛使用,且具有一定的判断能力,尤其对于磨削系统低频率震动产生的较宽、较深的棱面判断效果非常明显,但对于磨削系统高频震动产生的“颤痕”的检查就存在很大的不确定性,这些高频震纹,如果振幅较大,同样可能在发动机高速运转过程中产生噪音,因此对高频振幅的震纹也应该进行有效控制,给定一定的界限值,一旦超出这个界限值,就应该及时调整磨削系统的震动,将其控制在一个合理的范围,问题是如何检测出这些高频震纹的振幅呢?

3.凸轮表面磨削震纹数字化测量与监控难点分析

凸轮表面“棱面”和“颤痕”实质就是凸轮回转表面因磨削不当而在其表面形成的一种微观形状结构,就频率而言,它们介于高频的粗糙度和低频的形状误差之间,属于“圆周波纹度”范畴,经验表明,此时的频率约在45~350UPR之间,具体说,“棱面”发生的频率在45~75UPR,“颤痕” 发生的频率在75~350UPR。

凸轮表面磨削震纹检查不同于常规的几何参数,如尺寸公差、角度公差、形状和位置公差、表面波纹度及表面粗糙度等几何量参数检查,这些几何量参数都有国际标准或国家标准,有一定的公差等级和具体的界限值,全球都执行这个标准,同时有全球认可的检测标准或检测规范,有大量的通用检测设备或专用检测设备来测量,按标准执行,很容易控制;凸轮表面震纹也不同于机械零件的功能参数,如泄漏量、容积及功率等,这些功能参数都有行业标准或企业标准来规范,大多数企业都积累了大量的实践经验值和具体的判定标准,有一系列的检测规范和专用检测设备,汽车行业都执行类似的规范,或者借鉴这些规范再根据企业自身实际情况制定本企业技术规范,也容易控制;无论是几何参数还是功能参数都有量化的标准,但凸轮表面磨削震纹,目前还没有量化标准,更没有国际标准和行业标准,仅有的是一句定性描述——“凸轮表面不允许有震纹存在”,目前很少有产品图纸或工艺图纸能够给出一个定量标准,更没有专用检测设备来检测,大多数企业都是依靠人的感官来定性判断,这就给凸轮表面棱面的符合性判定及控制带来了一定的不确定性,而且很容易引起争议,造成制造成本的增加和质量风险的存在。因此目前凸轮表面震纹控制存在的最大问题就是没有量化的判断标准,缺少专用的检测设备和检测分析方法,可以借鉴的应用案例很难找到。

因此,研究探索凸轮表面棱面的量化标准和检测分析方法有一定的现实意义,对提升发动机性能具有积极的推动作用。

4.凸轮表面磨削震纹测量方法的探索  
                                                          
    
 4.1 凸轮表面磨削震纹检测原理

任何轮廓表面形状都可以认为是由一系列频率不同的正弦波叠加组成的,基于这个理论,我们可以利用“快速傅立叶变换”算法将凸轮磨削后的表面形状分离成一系列频率的波形并计算每一个波形的幅值,通过对不同频率波形幅值的观察,寻找那些不正常波形,这些波形是磨削系统异常震动在零件表面的直观反映,具体表现就是在零件表面形成的一系列震纹痕迹,痕迹宽(即频率低)的就是“棱面”,痕迹窄(即频率高)的就是“颤痕”,它们是震纹的两种表现特征,仅是频率不同,这就是利用谐波分析检测凸轮表面震纹的原理。

4.2 凸轮表面磨削震纹检测数学模型的建立方法

首先将凸轮表面可以看着为一个圆周轮廓,这样凸轮表面的谐波定义为每周的波动数,简称为UPR,不同频率的谐波叠加而成圆周图形可以看做基本谐波,基本谐波是表示数据偏心的一种方法(与基准对应),不同频率的谐波则是基本谐波整除分量,这些分量被称为第n次谐波,例如,二次谐波是基本谐波除以2,使得每周有两个起伏(即椭圆),三次谐波是基本谐波除以3,使得每周有三个起伏(即三棱形)等等,至多给出500次谐波,所用的采样方法将导致高于500次的谐波被衰减,幅值用um表示。因此轮廓图形可以用一傅立叶级数来表还原这些谐波分量,根据还原后的不同次数的谐波振幅大小来发现异常震动的原因,这就是利用谐波分析编辑震纹分析软件的数学模型。

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图1 震纹明显的凸轮轴表面

4.3 凸轮表面磨削震纹检测方法的实施与应用

4.3.1 震纹分析软件分析震纹功能简介

美国艾迪科公司近年来根据用户的需求开发出了一款凸轮轴震纹分析软件,是目前分析凸轮轴震纹高度较成熟的一种震纹分析方法,其原理就是利用谐波分析原理,使用“快速傅立叶变换”算法将凸轮表面图形分离成一系列频率的波形并计算每一个波形的最大幅值,用户通过对一组谐波最大幅值的分析判断,确定零件运转过程是否会产生噪音,进而判断零件棱面和震纹的符合性,对零件质量实施监控。

检测实施方法非常简单,不会增加任何步骤和成本,仅在检测凸轮轴升程型线时增加几个指令即可完成,震纹分析报告是图形加数据,非常直观,测量分析精度可达0.1um。

具体方法就是在运用艾迪科测量机检测凸轮升程型线时,震纹分析软件通过把误差信号转换成频域中的一组谐波,来揭示其他不明显的周期性信号。如对磨削系统高频震动在零件上产生的“颤痕”,通常很难在误差数据中发现,用震纹分析软件很准确的寻找频域中不正常的谐波,可以很容易地解决该问题。因此震纹分析的实质就是识别凸轮升程型线误差数据中谐波的频率与振幅。

精确进行震纹分析的关键是瞄准正确的谐波范围(在UPR中),以及为这些单独UPR区域规定有意义的公差。ADCOLE震纹分析软件使测量机操作者能在任何可选的角度范围上,运用全范围的测量数据,或经过滤的测量数据以及操作者能够审核的数据,如全360°范围的数据、凸轮基圆数据或凸轮斜坡和尖鼻数据。

运用该诊断工具的关键步骤是,决定应当关注UPR中哪一段谐波范围,以及应当设定什么阈值(公差)。虽然某些制造商现在已经在工程图上规定了这些数值,但是更多的情况是,需要测量机操作者来设定这些数值。

为了设定该范围的公差数值,关键是建立“基本”频谱(在“无颤动”零件的合理数量分析基础上)。由于统计变化,建议用给定范围内的最大振幅,作为最小初始公差值。应当注意,工程从属于变化,因此,任何公差都需要定期进行重新评估。

震纹分析软件能够识别具有颤痕和那些不应当分析的两部分。从多个图形上对比谐波振幅,引起“颤动”的一定频率应当是突出的。可以设定特定范围,以监控这些“颤动”频率。

4.3.2凸轮表面磨削震纹检测方法的应用

首先在凸轮轴磨削工序的凸轮升程误差测量程序中加入了几行震纹分析指令,输出震纹分析报告,然后通过大量测试实验数据解决谐波范围的划分、震纹分析方法的选择、震纹分析报告的选择等几个问题,最后解决最关键、最有可能产生争议的几个问题如不同的谐波区域如何设置有意义的公差、哪些谐波范围的振幅是棱面,哪些谐波范围的振幅是颤痕,哪些范围振幅又有可能是测量机的噪音不应当分析,以及如何与目视测量相对应等等。

谐波范围的划分主要是确定进行震纹分析时选取多大的频率范围,将频率范围划分为几个区域比较合适,以及每个区域的开始频率与结束频率的如何选择。这三个问题的解决主要依据是圆度测量时滤波器选择方法的国际推荐标准,美国三大汽车公司的一些凸轮轴产品的技术要求,日本几个汽车公司凸轮轴产品的技术要求,ADCOLE测量公司的一些经验数据及汽车行业圆度测量普遍采用的一些经验数据,结合我们自身产品的技术要求与实际测量实验的结果,确定了我们进行该产品震纹分析时的频率范围及区域划分,每个频率范围首先预置一个较大的振幅作为最小初始公差值,最终的公差则根据收集的大量零件测量结果的震纹分析报告结合零件功能试验结果再最终确定,以便确定最佳的质量控制精度。

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图2 震纹不明显的凸轮轴表面

选用的数据分析范围为0°~359°,主要考虑凸轮轴一周内均有可能产生震纹。选用的震纹分析方法为标准方法加上去除在区域1开始UPR的80%UPR数据的方法,目的就是去除轮廓误差、形位误差对棱面或震纹分析的影响,选用的震纹分析报告形式为条形图和线性图二者均有的图形报告,目的是可以清晰观察最大振幅所处的频率范围和震纹在整个频率范围的波动趋势。

于是我们开始了建立“基本”频谱的测量试验和收集工作,根据棱面目视检查的结果选择了三种类型的零件进行测量,第一种情况的零件是工艺人员、检查员、操作工及测量人员都认为目视无棱面的零件,第二种情况的零件是都认为目视有棱面的零件,第三种情况的零件是部分人认为目视有棱面,部分人认为无棱面,也就是目视棱面不明显的零件。两个月内我们测量了近200根凸轮轴,建立了初始“基本”频谱。然后根据震纹分析报告从这200根零件中选择了8根零件做2小时的发动机台架试验,主要观察这些零件在发动机不同速度的运转过程中是否会产生附加噪音,依据台架试验报告,我们得出了一些有实际意义的重要结论,如可能产生发动机噪音的谐波区域与最大振幅,可以通过目视发现的谐波范围及振幅的最大值,通过目视不能发现的谐波范围及振幅的最大值,哪些谐波范围的振幅是颤痕,哪些谐波范围振幅是棱面,哪些谐波范围振幅是由测量机的噪音造成的不会产生发动机噪音也不应当分析的,以及如何与目视测量相对应等重要结论。

通过对200多件凸轮轴磨削震纹的测量分析与台架试验,我们发现只要频率在45~75UPR范围内谐波的振幅超过了0.0003mm的零件在台架试验时就会发出噪音,振幅越大,噪音也越大,而且这种零件目视棱面明显,不同岗位的人都可以识别;当该频率范围内谐波的振幅低于0.0003mm时,目视棱面不明显,4个人有2个人看不出棱面,但在台架试验低速运转时也会发出噪音,通过对该零件频谱图的进一步观察,发现该零件在频率169~230UPR范围内谐波的最大振幅超过了0.0003mm,是产生噪音的主要原因。

如图3所示,当频率在45~75UPR范围内谐波的振幅低于0.0003mm,频率在75~230UPR范围内谐波的振幅低于0.0002mm,这种零件目视棱面不明显,在台架试验时也未发现有附加的噪音,但从报告频谱图上看 230UPR范围以外谐波的振幅高于0.00015mm,后来发现近200个震纹分析报告频谱图都有频率230UPR范围以外谐波的振幅高于0.00015mm的现象,这可能是测量机的噪声产生的,不应该把这些谐波当做零件的震纹来分析。

通过对200张震纹分析报告的分析,最终确定了验收该产品凸轮表面是否存在影响零件功能的震纹的频率范围为45UPR~230UPR,划分为5个区域:45~75UPR、76~89UPR、90~119UPR、120~169UPR、170~230UPR,每个频率范围振幅公差值分别为0.00025、0.00020、0.00015、0.00015、0.00015,只要被验收的磨床连续加工的35件零件震纹分析报告都在该公差范围内,我们就认为该设备加工零件棱面问题可以通过,并且将这个棱面检查标准列入到质量检查工艺卡和产品的技术要求中,不仅用于产品的验收,而且用于现场的质量监控,且规定了每班一次的检查频次。

我们根据不同的凸轮轴产品制定的凸轮磨削震纹量化标准及检测分析方法得到了许多世界著名磨床供应商的认可,如德国Junker,英国Landis等等,我们在编辑凸轮轴磨床采购技术任务书时都要将这个磨削震纹的验收标准列入到技术任务书中,减少了许多争议和不必要的商务纠纷。

目前神龙汽车公司襄阳机加工厂所有生产的凸轮轴产品的磨削加工都采用了这种预防性凸轮表面震纹监控措施,当每班通过震纹分析获得的频图谱中发现有超过设定的监控振幅值时,就认为此时磨削后的凸轮存在质量风险,必须调整相关加工参数改善表面微观结构后,设备才可以继续生产。 通过近三年的凸轮表面震纹分析方法的实践应用,我们总结了一系列的不同振动频率产生震纹的原因及解决措施。

5.凸轮磨削震纹产生的原因分析及解决措施

5.1低频率震纹(小棱面)产生原因及解决措施

如图1所示的凸轮轴表面多边形棱面震纹,振痕深而宽,手感最明显,这多来自工件系统的振动,振幅较大,频率较低,一般在75UPR以下,其产生的主要原因如下:

① 工件不平衡或转速太高,磨削时产生颤抖,改进措施:改善工件旋转时的平衡条件,如在夹具上加配重;适当降低工件转速。

② 工件细长、刚性不足,磨削时产生颤抖,改进措施:提高支承刚性;降低进给速度、磨削深度及工件转速;把砂轮修粗一点。

③ 工件中心架支撑块与工件未经磨合,接触不良,产生振颤,改进措施:用工件与支撑块对研;注意给支撑块加润滑油。

④ 工件顶尖孔有多棱形,或顶尖与顶尖孔接触不良,产生振颤,改进措施:提高顶尖孔质量,如增加研磨工序;在顶尖孔内加润滑油。

⑤ 工件顶的过紧或过松,过紧产生弯曲,过松出现晃动,改进措施:顶紧工件,以手转动工件不感吃力为宜,轴向左右推动工件不应有窜动;调整后顶尖弹簧压力。

⑥ 头架主轴承磨损、松动,拨盘、拨杆松动或刚性不足,改进措施:调整和更换磨损的轴承;紧固拨盘和拨杆,采用刚性好的拨杆。

⑦ 砂轮主轴间隙过大,又加上砂轮严重不平衡,产生了振幅较大的振动,改进措施:调整轴承,平衡砂轮。

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图3 测量机的噪声产生的谐波振幅

5.2 高频率震纹(颤痕)产生原因及解决措施

如图2所示的白线条高频震纹,振痕浅而窄,这一般来自砂轮系统的振动,振幅较小,频率较高,一般在75~230UPR之间,其产生的主要原因是磨削系统的各种振动,具体表现形式有以下几个方面。

① 砂轮不平衡,转动时引起主轴振动;改进措施:提高砂轮平衡技术,如经过2次平衡、采用动平衡等

② 砂轮主轴与轴承配合间隙大,旋转时产生径向跳动,改进措施:检查配合间隙是否在0.02范围内。

③ 砂轮硬度过高或硬度不均匀,缺乏自锐性,磨削时产生自激振动,改进措施:检查砂轮硬度是否符合工艺要求,适当提高工件速度或降低砂轮速度。

④ 砂轮已磨钝或未修整及修整量不够修整砂轮,检查修整工具是否磨损,适当增加修整量。

⑤ 砂轮修整太光,或金刚石顶角已磨损,改进措施:正确选择修整速度与进给量;更换新的修整工具;使用充足的磨削液。

⑥ 砂轮粒度过细或直径已小,磨削性能降低;改进措施:依据工件质量要求,正确选择砂轮粒度;减小磨削余量,适当降低进给量;提高砂轮修整工具的速度或增加进给量,把砂轮修粗一些。

⑦ 电机振动引起砂轮架振动,改进措施:更换电机;采取隔振措施,座底垫橡皮。

⑧ 砂轮主轴磨损不圆,使主轴产生跳动,改进措施:修复主轴精度,保证主轴径向跳动不超过0.005。

⑨ 砂轮主轴传动带未拉紧或过紧都可能使主轴产生跳动,改进措施:调整传动带松紧度。

⑩ 工作台运动不平或床身导轨磨损变形使磨削不均,改进措施:修理导轨,达到慢速无爬行。

以上仅列举了凸轮轴磨削过程中产生震纹的部分原因,有经验维修工程师可以直接根据震纹分析报告中的超差振幅的频率范围,快速查找到产生震纹原因,及时恢复设备精度,保证产品质量。

结束语

随着汽车市场竞争的加剧,各大汽车公司都在努力提高自己的产品质量,降低经营成本,过去靠目视、靠感观检查的微观质量项目,现在越来越多的需要用仪器检查,需要量化标准,只有依靠数据说话,才能减少争议,规避质量风险;同时数据检查有利于实施质量预防,对质量改善起着积极推动作用,汽车零部件中还有许多类似凸轮轴磨削震纹的定性质量检查项目需要转化为定量检测,所有这些定性项目的量化还需要检测仪器制造商、汽车主机厂及零部件制造商等共同努力来解决。


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