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凸轮轴磨削棱面数字化测量方法的研究与探索实践 |
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作者： 来源：中国机械与金属 |
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凸轮表面磨削棱面是凸轮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；通常有两种震纹对凸轮轴的功能影响最大，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”；这两种凸轮表面缺陷都会给发动机功能带来影响，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。因此，国际上各大汽车企业对凸轮表面的“小棱面”和“颤痕”的质量控制都非常严格，大多数企业为了避免用户退返，采取100%的目视检查来防止有“棱面”的和有“颤痕”的凸轮轴流入到装配。这不仅增加了质量控制成本，而且漏检的风险仍然存在；企业应采取一些积极预防性措施来防止凸轮轴磨削过程中产生“棱面”和“颤痕”，要从源头消除磨削震纹的产生，这才是提升产品质量的关键。 
图1 棱面比较明显的凸轮表面
图2 棱面不明显的凸轮
凸轮表面“棱面”和“颤痕”检查目前存在的问题
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来定义，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常规的功能参数，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，或者借鉴这个规范再根据自身企业实际制定本企业规范，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，但凸轮表面震纹控制，目前还没有量化标准，更没有行业标准和国际标准，仅有的是一句定性描述——“凸轮表面不允许有棱面存在”，目前没有一家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或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，同时给产品质量控制带来了风险。因此目前凸轮表面“棱面”和“颤痕”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较少。
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。
凸轮表面棱面目视检查法介绍
目前，绝大多数汽车制造企业检测凸轮表面“棱面”和“颤痕”的方法是采用目视定性检查法，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，或者用手沿凸轮轴向凸轮表面方向上感触，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、不影响使用功能的零件作为样件，将被检测的零件与样件做比较在白光下观察或用手触摸，被测凸轮表面棱面感觉不超过样件棱面感觉的认为合格；第三种方法是采用着色法检查，就是在凸轮表面涂红丹粉或绿丹粉，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，观察凸轮表面的涂红丹粉或绿丹粉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，还可以数出棱面数量，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。
以上三种棱面的目视检查方法在凸轮轴制造企业广泛使用，且有一定的判断能力，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”就无能为力了。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，因此对高频振幅也应该进行有效控制，给出一定的界限值，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？
凸轮表面棱面高度测量方法探索
ADCOLE震纹分析软件的功能简介
世界最早的自动化凸轮轴检测设备制造商──美国ADCOLE公司，近年来根据用户的需求开发出了一款凸轮轴颤动分析软件，是目前分析凸轮轴棱面和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还原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。
ADCOLE颤动分析软件提供了3种颤动分析方法：标准方法、可选方法、标准方法加上去除在区域1开始UPR的80%UPR数据，3种颤动分析方法通过指令197来选择。
第1种方法为标准方法，计算在规定角度（根据指令192）内数据的离散“傅立叶变换（DFT）”。变换长度等于每转的数据点数（N），该变换经过标准化，即给定频率（每转的波动）的正弦波一个单位振幅，将产生在该频率的一个单位的傅立叶系数振幅，然后在整个规定的区域编号上确定傅立叶系数的最大振幅，例如：10-50，50-150，150-500 UPR。
第2种方法为可选的方法，用快速傅立叶变换（FFT）的幂，代替N长度的 DFT。此外，最小二乘线用所选的数据构建后从原始数据中减去，然后在整个规定的区域编号上确定傅立叶系数的最大振幅，例如：10-50，50-150，150-500 UPR。
第3种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，该方法具体指用标准方法还原UPR数据，同时去除80%的UPR数据，这些数据低于区域1 UPR的开始角。
下面我们通过一个凸轮轴检测实例分别用三种颤动分析方法分析凸轮表面震纹，观察三种分析方法有什么差异，以明确我们在实际应用中如何选择合理的颤动分析方法。
图3 带有基圆跳动的凸轮轴升程误差图形
如图3，这是一张被测零件的凸轮升程型线误差图形，从这个标准凸轮轴误差图形上我们可以看到凸轮轴在基圆区域的某些形状误差，特别是在第3和第4桃形处，该形状误差影响了高频UPR区域的颤动分析数据。将该数据可以用第1种标准颤动分析方法（指令197，初始化A-1）和第3种方法80%滤波器方法（指令197，初始化A-3）进行还原，得到图4、图5颤动分析，比较图4与图5，就会发现80%滤波器方法，通过过滤掉低于第一区域的规定开始角度的80%的UPR，降低了形状误差的影响。
图4 用标准方法颤动分析的线形图
用第一种方法即标准方法还原误差数据得到如图4所示的颤动分析图，从图3中可以看出：由于颤动引起的噪声，被基圆跳动的形状误差引起的噪声所掩盖。仔细检查，发现在178UPR周围的数据有较高振幅。用第二种方法即可选方法还原误差数据得到的颤动分析图同图4类似，没有看出明显差异，接着我们用了第三种方法即80%滤波器来还原数据。
用80%滤波器方法来还原数据时，该方法自动将形位误差影响（基圆形状、径向跳动）从颤动图形中去除。得到如图5所示的颤动分析图，实际颤动清楚地出现在178UPR的高振幅处。
图5 用80%滤波器还原误差数据颤动分析的线形图
通过实例分析可以得出这样的结论，第三种颤动分析方法可以将震纹从轮廓误差和形位误差中分离出来，分析报告更直观，更容易发现不正常谐波造成的震纹，因此分析方法也最精确。我们在实际生产应用中大多采用第三种方法即80%滤波器来还原数据。
颤动分析软件为用户提供了3种颤动分析报告：条形图、线性图或二者均有。
震纹分析软件检测凸轮轴棱面高度应用实践
我们在2008年11月份，验收德国Junker两台凸轮轴磨床时，供应商以磨削棱面无量化标准问题与我们检查人员产生了分歧，拒绝调整设备。我们就利用ADCOLE测量机上的震纹分析软件，在该品种凸轮轴磨削工序OP50的凸轮升程误差测量程序中加入了几行颤动分析指令，输出颤动分析报告，但就谐波范围的如何划分、颤动分析方法的选择、颤动分析报告的选择等几个方面遇到了问题，其中最关键、最有可能产生争议的几个问题是：对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。由于ADCOLE凸轮轴震纹分析软件是近年来才开发的，再加上震纹分析没有标准或规范，国内汽车行业应用很少，国际上也不多，因此，无法借鉴同行业的经验数据。于是我们通过大量检测零件，同时查阅了大量资料和国际上少数几家的应用案例，最终解决了这几个关键问题。
谐波范围的划分主要是确定我们进行颤动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。我们当时解决这三个问题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，日本几个主要汽车零部件制造商的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颤动分析时的频率范围为45UPR~350UPR，划分为7个区域：45~75UPR、76~89UPR、90~119UPR、120~169UPR、170~230UPR、231~305UPR、306~350UPR，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，分别为0.00050、0.00045、0.00004、0.000035、0.000030、0.000025、0.000020，单位mm，最终的公差需要根据收集的大量零件测量结果的颤动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。
我们选用的数据分析范围为0°~359°，即凸轮轴一周360°范围内数据，主要考虑凸轮轴一周内均有可能产生震纹。选用的颤动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，即第三种分析方法，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。选用的颤动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，我们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。然后根据颤动分析报告从这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。
图6 有棱面有噪音的零件颤动分析报告图
如图6所示，只要频率在45~75UPR范围内谐波的振幅超过了0.0003 mm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。
如图7所示，频率在45~75UPR范围内谐波的振幅低于0.0003 mm，这种零件目视棱面不明显，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，可能的原因就是频率在169~230UPR范围内谐波的振幅高于0.0003 mm产生的颤动引起的噪音。
图7 无棱面有噪音的零件颤动分析报告
如图8所示频率在45~75UPR范围内谐波的振幅低于0.0003 mm，频率在75~230UPR范围内谐波的振幅低于0.0002 mm，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，但从报告上看 230UPR范围以外谐波的振幅高于0.00015 mm，后来发现近200个颤动分析报告都有频率230UPR范围以外谐波的振幅高于0.00015 mm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。
图8 测量机的噪声产生的谐波振幅
通过对200张颤动分析报告的分析，我们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检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；随后我们将这个棱面量化标准发给了Junker供应商，供应商按约在2009年2月底来到生产现场，通过一周的调试，最终两台磨床连续磨削的6个品种零件各35件零件表面棱面都达到了这个标准。
目前我们对襄阳机加工厂所有凸轮轴产品的磨削加工都采用了这种预防性凸轮表面棱面监控措施，当我们每班通过震纹分析获得的图谱中发现有超过设定的监控振幅值时，我们就认为此时磨削后的凸轮存在隐患，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，我们全系列的凸轮轴产品未发生一次售后退返的质量事故。
凸轮磨削震纹产生的原因及解决措施
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。
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，具体如下：
（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，改进措施：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，提高劳动生产力，过去靠目视、靠感官检查的微观质量项目，现在越来越多地需要用仪器检查，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。凸轮轴棱面高度的数字化测量方法的研究与应用就是很好的一个例子，汽车零部件中还有许多类似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。(end)
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(6/12/2012) |
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