淺析曲軸磨床的可靠性改進(jìn)
2020-10-15 來源： 上汽通用五菱汽車股份有限公司寶駿基地發(fā) 作者：張紅，黃懷翔
摘要：由于磨削加工中鐵泥較多，采用水基乳化液進(jìn)行加工冷卻的磨床，冷卻液經(jīng)過過濾后依然存在部分微小鐵泥，長(zhǎng)期積累后，冷卻系統(tǒng)調(diào)壓機(jī)構(gòu)受影響出現(xiàn)故障，導(dǎo)致機(jī)床頻繁停機(jī)。主要介紹 JUNKER 磨床使用的冷卻系統(tǒng)調(diào)壓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、原理和缺陷，以及針對(duì)此問題制定的改進(jìn)方案，實(shí)施完成后極大地提升機(jī)床可靠性。
關(guān)鍵詞：JUNKER 磨床；停線率；可靠性改進(jìn)
1 、JUNKER 磨床使用的冷卻系統(tǒng)調(diào)壓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
JUNKER 磨床在曲軸加工中用于軸頸外圓磨削，隨著使用時(shí)間的累積，運(yùn)行穩(wěn)定性明顯下降，成為整線瓶頸[1]。本文主要基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析磨床穩(wěn)定性差的影響因素，針對(duì)故障占比最大的問題做出改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)磨床加工可靠性提升的目標(biāo)。見圖 1。
圖 1 JUNKER 磨床結(jié)構(gòu)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，冷卻系統(tǒng)故障占比位居首位。圖 3 顯示冷卻系統(tǒng)故障占比逐年遞增，停機(jī)次數(shù)和時(shí)間到2018 年超出 20%。根據(jù)圖 2 圖 3 分析，磨床可靠性主要受冷卻系統(tǒng)影響，要達(dá)到提升目的需要提高冷卻系統(tǒng)可靠性。JUNKER 磨床冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障高發(fā)點(diǎn)主要為 Lanny 閥。
圖 2 磨床主要故障種類占比
圖 3 冷卻系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間占比
JUNKER 磨床在軸頸加工工藝中，工件質(zhì)量精度范圍僅 5 μm，冷卻系統(tǒng)在磨削工件時(shí)的不同階段提供不同壓力的冷卻液，用于冷卻、沖洗砂輪和工件，供液壓力不穩(wěn)定將導(dǎo)致批量工件軸頸圓度不好。改進(jìn)前冷卻系統(tǒng)使用比例 Lanny 閥調(diào)節(jié)冷卻壓力，Lan－ny 閥組成結(jié)構(gòu)如圖 4，主要由比例氣控閥和腔體組成，系統(tǒng)輸出模擬量控制氣閥開度調(diào)節(jié)腔體大小改變輸出壓力。JUNKER 磨床一個(gè)加工循環(huán)中單通道需要完成 4 個(gè)軸頸磨削，每個(gè)軸頸磨削需要切換 5次壓力，完成一個(gè)加工循環(huán)單個(gè) lanny 閥切換 20 次。
圖 4 Lanny 閥機(jī)構(gòu)組成
機(jī)床使用時(shí)間 1 年后，伺服比例 Lanny 閥閥芯由于長(zhǎng)期地頻繁動(dòng)作，內(nèi)部數(shù)個(gè)密封圈出現(xiàn)磨損導(dǎo)致動(dòng)作卡滯或冷卻液泄漏，機(jī)床開始出現(xiàn)軸頸圓度過程能力差、冷卻報(bào)警頻繁等問題。Lanny 閥受物理結(jié)構(gòu)組成和控制原理的限制，可改進(jìn)空間小。因此，磨床可靠性提升方案為使用三相交流變頻器替代 Lan－ny 閥調(diào)壓。
2 、冷卻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)
磨床冷卻系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由 Lanny閥、電機(jī)和高壓泵組成。電機(jī)啟動(dòng)后以固定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)高壓泵提供冷卻液，冷卻液壓力通過 Lanny 閥調(diào)節(jié)。磨床磨削曲軸軸頸時(shí)，冷卻壓力在 0 MPa、0.1
MPa、0.3 MPa、0.8 MPa 之間快速切換，由于磨床加工精度極高，冷卻壓力直接影響軸頸圓度，當(dāng) LANNY閥異常時(shí)，冷卻壓力切換不及時(shí)或不穩(wěn)定，工件軸頸圓度過程能力下降或機(jī)床報(bào)警停機(jī)，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生工件批量報(bào)廢。
圖 5 為改進(jìn)前后對(duì)比，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)由三相交流變頻器、電機(jī)和高壓泵組成。變頻器啟動(dòng)后，實(shí)時(shí)獲取機(jī)床加工壓力需求，直接控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)高壓泵輸出冷卻壓力。
圖 5 冷卻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)
3 、電機(jī)控制方式改進(jìn)
如圖 6 所示，改進(jìn)前電機(jī)由 PLC 邏輯控制三相交流接觸器吸合后啟動(dòng)，改進(jìn)后電機(jī)將不再直接受PLC 控制，而是由變頻器控制電機(jī)啟停。并實(shí)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定壓力調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
圖 6 電機(jī)控制方式改進(jìn)
4 、冷卻壓力調(diào)節(jié)方式改進(jìn)
Lanny 閥的壓力調(diào)節(jié)需通過示教實(shí)現(xiàn)，調(diào)壓系統(tǒng)屬于開環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)反應(yīng)稍緩，受閥芯穩(wěn)定性影響大，在加工環(huán)境惡劣時(shí)，冷卻液中雜質(zhì)含量較多，直接影響閥芯密封部件，致使密封不嚴(yán)，壓力建立不起來，影響加工質(zhì)量。由于 Lanny 閥的開度調(diào)節(jié)是通過示教實(shí)現(xiàn)，所以當(dāng)輸出的冷卻壓力與設(shè)定壓力差距大的時(shí)候無法自動(dòng)調(diào)節(jié)適應(yīng)，機(jī)床報(bào)警停機(jī)。如圖 7，改進(jìn)后應(yīng)用變頻器 PID[2]閉環(huán)控制，在泵的輸出管路的壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋冷卻液壓力給變頻器，變頻器將其與系統(tǒng)給定壓力對(duì)比，當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)，立即調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)偏差的不斷縮小并最終消除偏差，改進(jìn)后冷卻液壓力更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確。
圖 7 冷卻壓力調(diào)節(jié)方式改進(jìn)
5 、冷卻壓力調(diào)試方式改進(jìn)
JUNKER 磨床應(yīng)用的比例 Lanny 閥的控制壓力校準(zhǔn)設(shè)定需要復(fù)雜的操作才能實(shí)現(xiàn)，包括分別對(duì)三個(gè)不同壓力單獨(dú)進(jìn)行設(shè)定、運(yùn)行專用程序啟動(dòng)機(jī)床輸出冷卻壓力，核對(duì)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力差異并進(jìn)
行人工調(diào)整直到差異為 0。據(jù)歷史作業(yè)工單時(shí)間統(tǒng)計(jì)，單臺(tái)校準(zhǔn)作業(yè)耗時(shí)約 2 h，改進(jìn)后，無需再作壓力校準(zhǔn)，只需按工藝需求，在 NC 程序中定義冷卻液壓力即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，如圖 8 所示。
圖 8 冷卻壓力調(diào)試方式改進(jìn)
LANNY 閥內(nèi)部密封件數(shù)量大成本高，單個(gè)閥的配套密封件單價(jià)達(dá) 2 萬(wàn)元，應(yīng)用中不僅有長(zhǎng)時(shí)間、高頻次的停機(jī)問題，在備件成本方面的耗費(fèi)也極大。因此，改進(jìn)后不再使用 LANNY 閥，具有極大的成本優(yōu)勢(shì)，如圖 9 所示。
圖 9 改進(jìn)前后停線率對(duì)比
6 、結(jié)束語(yǔ)
通過改進(jìn)，冷卻液壓力控制應(yīng)用具有高柔性特點(diǎn)，通過 NC 程序定義壓力值，冷卻液壓力即可在 0~1 MPa 范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)。其次，因 PID 閉環(huán)控制具有提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)點(diǎn)，使變頻器可以自動(dòng)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速輸出目標(biāo)壓力，響應(yīng)速度快，壓力輸出穩(wěn)定準(zhǔn)確[3]。改進(jìn)后經(jīng)過 1 年的運(yùn)行，機(jī)床開通率提升，如圖 9，停線率降低 6%，機(jī)床可靠性顯著提高。
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