圖1 曲軸機(jī)床布局
為保證曲軸加工的質(zhì)量和精度，上汽通用五菱利用Q-DAS分析系統(tǒng)對(duì)加工零件的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了過程控制。發(fā)生問題時(shí)，通過二維碼追蹤系統(tǒng)，快速查找問題發(fā)生點(diǎn)，從而抑制問題繼續(xù)發(fā)展。通過不斷努力，其曲軸線FTQ達(dá)到98%以上，將報(bào)廢率控制在0.3%以內(nèi)。
曲軸數(shù)控柔性生產(chǎn)線是一個(gè)復(fù)雜的制造系統(tǒng)，各工序之間的尺寸關(guān)系對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性有重大影響，如何進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的過程控制和查找質(zhì)量問題的發(fā)生點(diǎn)成為曲軸線柔性生產(chǎn)的關(guān)鍵。所以，引進(jìn)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)輔助分析，對(duì)于曲軸的生產(chǎn)是非常有益的。
曲軸線概況
某發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸線有機(jī)床29臺(tái)，共15道加工工序，工序間的零件轉(zhuǎn)移由機(jī)械手完成，整線配備了二維碼追蹤系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行100%的追蹤，每個(gè)工序采取多臺(tái)機(jī)床并行加工的方式。具體的布局如圖1所示。曲軸線加工的質(zhì)量指標(biāo)要求為：一次下線合格率（FTQ）≥98%；報(bào)廢率≤0.3%。
該曲軸線的一次下線合格率FTQ從2008年1月份的90%逐漸提升到2009年1月份以后98%以上的穩(wěn)定狀態(tài)。2009年開始，我們嘗試采取Q-DAS數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)下線加工尺寸進(jìn)行分析，用以查找出問題所在，并進(jìn)行解決。經(jīng)過實(shí)踐證明，取得了很好的效果，對(duì)FTQ的提升，起到了關(guān)鍵性的作用。
曲軸加工的精度要求和加工難度
軸頸的形狀精度要求控制在0.005mm，連桿頸與主軸頸的平行度要求為0.005mm，直徑的公差為0.012 mm，主軸頸的跳動(dòng)要求為0.03mm，端面跳動(dòng)要求為0.02mm，軸頸表面粗糙度要求為Ra 0.16umm。
曲軸在加工過程中易發(fā)生變形，零件對(duì)加工切削力的大小非常敏感,再加上復(fù)雜的加工工藝和高精度的要求，給發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的加工帶來(lái)了一定難度，所以在曲軸的實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)了各種各樣的質(zhì)量問題。在此以上汽通用五菱曲軸線生產(chǎn)的B系列直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為例(見圖2)，對(duì)在曲軸數(shù)控柔性操作中所遇到的一些質(zhì)量問題進(jìn)行分析，并探討解決方法。
解決質(zhì)量問題現(xiàn)場(chǎng)使用的方法
對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，采用Q-DAS分析系統(tǒng)，這是預(yù)防性控制與質(zhì)量問題的定義；對(duì)于零件的追蹤系統(tǒng)，采用二維碼追蹤系統(tǒng)，記錄每一個(gè)零件在每一個(gè)工序的加工信息，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，通過對(duì)異常零件進(jìn)行加工過程的調(diào)查，可以精確地找到發(fā)生問題的機(jī)床。表中記錄了2008年造成曲軸下線超差的統(tǒng)計(jì)，下面進(jìn)行具體分析。
1.造成曲軸下線直徑超差的主要因素和解決方法
曲軸各直徑的加工分為三個(gè)工序：粗加工（主軸頸采用車削加工，連桿頸采用銑削加工）——精磨——拋光。最后確定主軸頸、連桿頸直徑精度的工序是拋光，拋光的第一個(gè)工步為粗拋，其作用是通過MARPOSS測(cè)頭對(duì)拋光直徑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)拋光的直徑達(dá)到設(shè)置要求時(shí)，主軸頸會(huì)自動(dòng)松開拋光夾臂，連桿頸會(huì)把拋光臂拋光壓力降到低壓，等到最后一個(gè)軸頸達(dá)到尺寸后松開夾臂完成拋光。影響主軸頸、連桿頸拋光直徑精度的因素包括：
（1）測(cè)頭工作不穩(wěn)定造成的直徑超差，其尺寸統(tǒng)計(jì)表現(xiàn)如圖3所示。該尺寸的公差為（37-0.005）/（37-0.017）mm，實(shí)際加工的零件尺寸分布平均跨度為0.008 mm，雖然從圖中我們未發(fā)現(xiàn)有零件尺寸超差的情況出現(xiàn)，但是變化范圍很大，這說(shuō)明機(jī)床加工零件的穩(wěn)定性在變差。當(dāng)出現(xiàn)這樣的情況時(shí)，我們需要確認(rèn)。
（2）軸頸有錐度造成直徑難以控制產(chǎn)生超差。拋光時(shí)，每一個(gè)軸頸只有一個(gè)監(jiān)控測(cè)量，因此只能對(duì)一個(gè)直徑節(jié)面進(jìn)行控制，而終檢機(jī)每一個(gè)軸頸有三個(gè)監(jiān)控測(cè)量，出現(xiàn)軸頸有錐度時(shí)，會(huì)造成軸頸直徑難以控制。精磨軸頸和拋光軸頸是造成某個(gè)軸頸錐度可能性很大的兩個(gè)加工工序，原因在于生產(chǎn)線的精磨軸頸由兩臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成，而拋光只由一臺(tái)機(jī)床完成，我們通過最終測(cè)量機(jī)的統(tǒng)計(jì)功能能夠判斷出是哪一個(gè)工序造成的：如圖4所示，軸頸的一個(gè)節(jié)面尺寸分布為兩個(gè)集中點(diǎn)，這說(shuō)明零件在精磨軸頸時(shí)就已經(jīng)造成了錐度，拋光時(shí)并沒有改變。出現(xiàn)這樣的情況時(shí)，我們只需要收集兩個(gè)尺寸點(diǎn)的零件二維碼號(hào)，通過追蹤系統(tǒng)（QC&A）查到造成軸頸錐度的機(jī)床，然后通過調(diào)整修整錐度補(bǔ)償，將其恢復(fù)正常。圖5為精磨工序中一臺(tái)機(jī)床有錐度經(jīng)調(diào)整與調(diào)整前的統(tǒng)計(jì)對(duì)比。
當(dāng)統(tǒng)計(jì)顯示的圖形為尺寸集中在一處，尺寸偏離中心時(shí)，基本上可以判斷為拋光機(jī)拋光后造成的軸頸錐度，造成軸頸錐度的主要原因包括：①拋光帶未完全覆蓋整個(gè)軸頸，當(dāng)拋光軸向來(lái)回振蕩時(shí)會(huì)造成軸頸未覆蓋有拋光帶的邊緣直徑偏大；②拋光壓塊下有雜物，造成拋光時(shí)壓在軸頸表面的壓強(qiáng)失衡，造成壓有雜物的部分拋小，此情況可檢查拋光帶，會(huì)發(fā)現(xiàn)拋光帶有明顯的壓痕；③拋光油只噴到軸頸的一側(cè)，造成未有拋光油的軸頸部分無(wú)法把拋光產(chǎn)生的粉末帶走，使得去除余量慢，形成錐度；④拋光壓塊未完全覆蓋整個(gè)軸頸，這種情況與拋光帶未完全覆蓋結(jié)果一樣。
（3）機(jī)床溫度變化造成的尺寸不穩(wěn)定。拋光機(jī)的拋光油溫度上升，使得加工尺寸呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，當(dāng)上升到一定值時(shí)，尺寸基相得到穩(wěn)定。對(duì)此，做決策時(shí)需要準(zhǔn)確把握機(jī)床的熱變形特性。圖6是在不做尺寸調(diào)整的情況下拋光機(jī)開班加工時(shí)，拋光油溫度變化與直徑之間的情況：其溫度一般控制在20～25℃之間為好。
（4）人為調(diào)整或測(cè)頭磨損造成的尺寸超差。人為調(diào)整造成的偏差可以通過檢查發(fā)現(xiàn)，針對(duì)前后較為明顯的尺寸變化調(diào)整加工尺寸；而測(cè)頭磨損造成的尺寸變化為一個(gè)淅變的過程，兩者可以明顯地區(qū)分開。圖7為曲軸主軸頸直徑加工尺寸的統(tǒng)計(jì)圖，從該圖可看到兩次比較明顯的尺寸上下波動(dòng)，這是過程尺寸調(diào)整控制的結(jié)果：當(dāng)操作員發(fā)現(xiàn)尺寸呈連續(xù)下降的趨勢(shì)時(shí)，在還未造成尺寸超差之前提前把加工尺寸作了調(diào)整；由于磨損造成的尺寸變化如圖8所示，此時(shí)觀察統(tǒng)計(jì)圖如果尺寸集度很好，說(shuō)明制造系統(tǒng)還處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，只需要通過調(diào)整加工的測(cè)量補(bǔ)償就可以完成調(diào)整。
2.造成曲軸油封圓度超差的主要因素和解決方法
曲軸軸頸圓度精度主要靠磨床來(lái)保證。在磨床加工中造成圓度超差的情況主要有：
（1）機(jī)械因素造成的圓度超差。曲軸油封圓度由磨床進(jìn)行控制，在磨削加工中，保證油封圓度主要依靠夾具的精度，磨床的夾具主要由頂尖、中心動(dòng)支架及驅(qū)動(dòng)銷組成，三者對(duì)油封圓度影響最大的是中心支架。加工過程中，中心架對(duì)曲軸中間的2個(gè)主軸頸進(jìn)行浮動(dòng)支撐，以減小曲軸的撓度變形。當(dāng)中心架支撐磨損或者動(dòng)作異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致零件在加工中出現(xiàn)彎曲變形，或使工件發(fā)生振動(dòng)，從而直接造成零件振動(dòng)，產(chǎn)生波紋和中間下凹的情況。對(duì)于不同的零件，中心支架的夾緊力大小應(yīng)根據(jù)加工零件中心支架的夾痕來(lái)確定，與中心支架夾緊面接觸的零件部分由于有相對(duì)磨擦，在切削液的作用下會(huì)產(chǎn)生一條灰色的磨擦夾痕，觀察其夾痕，如果呈深黑色，表示夾緊力過大，這種情況下再加大夾緊力有可能會(huì)造成主軸回轉(zhuǎn)阻力增大，產(chǎn)生加工零件形狀偏差問題；夾痕的顏色如果很淺，說(shuō)明夾緊力不足，會(huì)造成曲軸中間支承不足，曲軸加工完成后彎曲，主軸頸徑向圓度超差。
（2）測(cè)量系統(tǒng)造成的圓度超差。機(jī)床有自動(dòng)的錐度補(bǔ)償功能，數(shù)控磨床加工零件時(shí)通過分布在第一主軸頸和第二主軸頸的兩個(gè)測(cè)量頭向系統(tǒng)反饋加工的狀態(tài)，當(dāng)反饋的加工尺寸相差超過一定的范圍時(shí)，機(jī)床會(huì)自動(dòng)將砂輪主軸偏移一個(gè)角度，補(bǔ)償曲軸兩端的直徑差異。當(dāng)測(cè)量出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，它反饋給系統(tǒng)的信號(hào)時(shí)大時(shí)小，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量的信號(hào)，不斷地前后補(bǔ)償錐度，會(huì)造成曲軸軸頸有規(guī)律的圓度超差。解決此類問題可以更換精度不良的測(cè)頭，調(diào)整各個(gè)測(cè)頭位置，確保位置正確。更換傳感儀器，確保測(cè)頭采集信號(hào)準(zhǔn)確不失真。測(cè)量放大系統(tǒng)的接地部分也非常重要，如果接觸不良，測(cè)頭反饋的測(cè)量信號(hào)會(huì)不穩(wěn)定，造成機(jī)床錯(cuò)誤地補(bǔ)償，加工零件圓度或尺寸超差。增加測(cè)頭的冷卻管路，確保測(cè)頭一直處于與加工零件同樣的溫度，減少因溫度差異造成的測(cè)量誤差。
3.造成曲軸止推面寬度超差的主要因素和解決方法
曲軸止推面寬度是曲軸的重要尺寸之一，止推面寬度加工經(jīng)過三道工序：粗車——精車——拋光，其中保證寬度精度的加工工序?yàn)榫嚬ば?。精車止推面的過程為：測(cè)量——根據(jù)測(cè)量結(jié)果分中——加工——測(cè)量——補(bǔ)償下磨損偏。當(dāng)測(cè)量產(chǎn)生誤差時(shí)，會(huì)造成止推面寬度加工超差。解決止推面寬度超差的方法在于，如何在測(cè)頭測(cè)量不準(zhǔn)確的時(shí)候進(jìn)行防錯(cuò)。具體方法主要包括：定期對(duì)測(cè)頭進(jìn)行校對(duì)；在加工程序中進(jìn)行防錯(cuò)：第一次測(cè)量結(jié)束后，在程序中增加測(cè)量結(jié)果的判斷語(yǔ)句，這樣當(dāng)出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)確時(shí)也不會(huì)造成零件報(bào)廢。
4.造成曲軸第三主軸頸徑向跳動(dòng)超差的主要因素和解決方法
加工比較細(xì)長(zhǎng)的曲軸很容易造成主軸頸跳動(dòng)的超差。造成主軸頸跳動(dòng)超差的因素主要有：曲軸的應(yīng)力釋放造成的變形；機(jī)械外力作用下的曲軸變形；精加工的定位誤差造成的軸頸對(duì)定位基準(zhǔn)的跳動(dòng)超差。
（1）要解決曲軸應(yīng)力釋放造成的變形，首先要保證曲軸毛坯有足夠的時(shí)效時(shí)間，以確保鑄造產(chǎn)生的應(yīng)力得以釋放，其次要保證加工余量的均勻，特別是精加工余量。
（2）機(jī)械外力作用下的曲軸變形。這種變形主要有三種情況：①切削力造成的變形；②夾具夾緊力造成的變形；③意外的磕碰造成的沖擊變形。解決前兩種情況造成的變形可采用優(yōu)化切削用量、刀具等方案，通過實(shí)驗(yàn)找到適合的加工方式、夾具夾緊力大小及夾緊點(diǎn)來(lái)解決；第三種情況可通過檢查超差零件的外表面是否有外力磕碰的傷痕即可確定。
（3）精加工的定位誤差造成的軸頸對(duì)定位基準(zhǔn)的跳動(dòng)超差。這種情況主要關(guān)注曲軸主軸精磨工序的定位，但曲軸成品的要求并沒有主軸頸相對(duì)于中心孔的跳動(dòng)要求，所以此項(xiàng)誤差只作為判斷機(jī)床夾具是否需要調(diào)整的預(yù)警信息。
5.其他問題的分析與解決
（1）有規(guī)律的尺寸波動(dòng)。圖9為曲軸加工的凸緣端到止推面的軸尺寸統(tǒng)計(jì)，從圖中可以看到尺寸在呈連續(xù)上升趨勢(shì)一段時(shí)間后突然下降，然后再連續(xù)上升。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其尺寸的變化與機(jī)床的刀具磨損、換刀時(shí)間吻合，尺寸的連續(xù)上升為刀具磨損造成尺寸變化的過程，突然下降是更換新刀造成的，這樣的尺寸波動(dòng)情況存在于沒有自動(dòng)測(cè)量和補(bǔ)償?shù)臋C(jī)床中。
（2）不明確造成超差發(fā)生點(diǎn)的質(zhì)量問題查找。這種情況下，首先要掌握現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問題零件的二維碼號(hào)，通過二維碼追蹤系統(tǒng)將所有問題零件的加工過程記錄下來(lái)，然后進(jìn)行分析，把加工問題零件數(shù)量最多的機(jī)床首先列為調(diào)查對(duì)象，并立即對(duì)可疑機(jī)床加工的零件進(jìn)行測(cè)量，依此方法逐一進(jìn)行排查。
結(jié)語(yǔ)
我們通過長(zhǎng)期的努力，不斷積累曲軸生產(chǎn)線質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)，分析質(zhì)量問題，查找原因，最后采取措施，不斷改進(jìn)加工過程，在曲軸線的質(zhì)量控制方面取得了很好的效果，主要體現(xiàn)在：
1.利用Q-DAS分析系統(tǒng)對(duì)加工零件的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在質(zhì)量問題發(fā)生前，提前發(fā)現(xiàn)問題變化趨勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)預(yù)警，做到有計(jì)劃的問題預(yù)防，實(shí)現(xiàn)過程的控制。
2.發(fā)生問題時(shí)，通過二維碼追蹤系統(tǒng)，快速查找問題發(fā)生點(diǎn)，做到快速響應(yīng)，抑制問題的繼續(xù)發(fā)展。
3.掌握各機(jī)床的加工特性，保證問題解決思路的清晰。
4.通過不斷的努力，曲軸線FTQ可以達(dá)到98%以上，將報(bào)廢率控制在0.3%以內(nèi)。
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