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淺析曲軸磨床的（de）可靠性改進

2020-10-15 來源：上汽通用五菱汽車股（gǔ）份有限公司寶（bǎo）駿基地發作者：張紅，黃（huáng）懷翔（xiáng）

摘要：由於磨削（xuē）加工中鐵泥較多（duō），采用（yòng）水基乳化液進行加工（gōng）冷卻的磨床，冷卻液經過過濾後（hòu）依然（rán）存（cún）在部分微小鐵泥，長期（qī）積累後，冷卻係（xì）統調壓機構受影響出現（xiàn）故障，導致機床頻（pín）繁停機。主要介紹 JUNKER 磨（mó）床使（shǐ）用的冷卻係（xì）統調壓機構結構、原理和缺陷（xiàn），以及針對此問（wèn）題製定的改進方案，實施完成後極大地（dì）提升機（jī）床可靠性。

關鍵（jiàn）詞：JUNKER 磨床；停線率；可靠性改（gǎi）進（jìn）

1 、JUNKER 磨床使用的冷卻係統調壓結構特（tè）點

JUNKER 磨床在（zài）曲軸加工中用於軸頸外圓（yuán）磨削，隨著使（shǐ）用時間的累積，運行穩定性明顯下降，成為（wéi）整線瓶（píng）頸[1]。本文主要基於實際運（yùn）行數據，分（fèn）析（xī）磨床穩定性差的影（yǐng）響因素，針對故障占比最大的問題做出改進，最終實現磨床加工可（kě）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（nián）中磨床（chuáng）主要故障種類占比情況，冷卻係統（tǒng）故障占（zhàn）比位居（jū）首位。圖 3 顯示冷卻係（xì）統故障占比逐年遞增，停機次數和時間到2018 年超出 20%。根據（jù）圖 2 圖 3 分析，磨床可靠性主要受冷（lěng）卻係統影響（xiǎng），要（yào）達到提升目的（de）需要提高（gāo）冷（lěng）卻係統可靠性。JUNKER 磨（mó）床冷卻（què）係統（tǒng）結（jié）構簡單（dān），故障（zhàng）高發點主（zhǔ）要為 Lanny 閥。

圖 2 磨床主要故障種類（lèi）占比

圖 3 冷卻（què）係統（tǒng）停機（jī）時間占比

JUNKER 磨床在（zài）軸頸加工工藝中，工（gōng）件質量精度（dù）範圍僅 5 μm，冷卻係統在磨削（xuē）工（gōng）件時的不同階段提供（gòng）不（bú）同壓力的冷卻液，用於冷卻、衝洗砂輪和工（gōng）件，供液壓力不穩定將導致批量（liàng）工件軸頸圓度不好。改（gǎi）進前冷卻係統使用比例 Lanny 閥調（diào）節冷卻壓力（lì），Lan－ny 閥組成（chéng）結構如圖 4，主要由比例氣控閥（fá）和腔體組成，係統輸出模擬量（liàng）控製氣閥開度調節腔體大小（xiǎo）改變輸出壓力。JUNKER 磨床一個加工循（xún）環中單通道需要完成（chéng） 4 個軸頸磨削，每個軸頸磨削需要（yào）切換 5次壓力，完成一個加工循環單個 lanny 閥切換 20 次。

圖（tú） 4 Lanny 閥機構組成（chéng）

機床（chuáng）使用時間 1 年後，伺服（fú）比例 Lanny 閥閥（fá）芯由於長期地頻繁（fán）動作，內部數個密封圈（quān）出現磨損導致動作卡滯或冷卻液泄漏，機床開始出現軸頸圓度過程能力差、冷卻報警頻繁等問題。Lanny 閥受物理結構組成和控製原理的（de）限製，可（kě）改進空間小。因此，磨床可靠性提升方案為使（shǐ）用三相交流變頻器（qì）替代 Lan－ny 閥調壓。

2 、冷卻係統驅動結（jié）構改（gǎi）進

磨床冷卻係統原有（yǒu）設（shè）計驅動結構（gòu）主要由 Lanny閥、電機和高（gāo）壓泵組成（chéng）。電機啟動後以固定轉速帶動高壓泵提（tí）供冷卻液，冷卻液壓力通過 Lanny 閥調節。磨床磨削曲（qǔ）軸軸頸時，冷卻壓力在 0 MPa、0.1

MPa、0.3 MPa、0.8 MPa 之間快速切換，由於磨床加工（gōng）精度極（jí）高（gāo），冷卻壓力直接影響軸頸圓度，當 LANNY閥異常時，冷卻壓力切換不及時（shí）或不穩定，工件軸頸圓度（dù）過程能（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（wéi）改進前後對比，改進後的結構由三相（xiàng）交流（liú）變頻器、電機和高壓泵組成。變頻器（qì）啟動後，實時獲取機床加工壓力需求，直接控製驅動電機調節轉速驅動高壓泵輸出冷卻壓力。

圖 5 冷卻（què）係統驅動結構改進

3 、電（diàn）機控製（zhì）方式改進

如圖 6 所示，改（gǎi）進前電機由 PLC 邏輯控製三（sān）相交流接觸器吸合後啟動，改進後電機將不再直接（jiē）受PLC 控製，而是由變頻器控製電機啟停。並實時根據係統設定壓（yā）力調節（jiē）電機轉（zhuǎn）速。

圖 6 電機控製方式改進

4 、冷卻壓力調節方（fāng）式改進

Lanny 閥的壓力調節需通過示教實現，調壓係統（tǒng）屬於開環係統，係統壓力（lì）調節反應稍緩，受閥芯（xīn）穩定性影響大（dà），在（zài）加工（gōng）環境惡劣時，冷卻（què）液中雜質含量較多，直接影（yǐng）響閥芯（xīn）密封部件，致使密封不嚴，壓力建立不起來，影響加工質量。由於（yú） Lanny 閥的開度調節（jiē）是（shì）通過示教實現，所以當輸出的冷卻壓力與設定壓力差距大的時候無法自（zì）動調節適應，機床報警停機。如圖 7，改進後（hòu）應用變頻（pín）器 PID[2]閉環控製，在泵的（de）輸出管路（lù）的壓力傳（chuán）感器實時反饋冷卻液壓力給變（biàn）頻器，變頻器將其與係統給定壓力對比，當出現偏（piān）差時，立即調節電機轉速實現偏差的不斷縮小並最終消除偏差（chà），改進後冷卻液（yè）壓力更穩（wěn）定、更準確。

圖 7 冷卻壓力（lì）調節方式改進

5 、冷卻壓力調試方式改進

JUNKER 磨床應（yīng）用的比例 Lanny 閥的控製壓力校準設（shè）定需要複雜的操作（zuò）才能（néng）實現（xiàn），包（bāo）括（kuò）分別對三個不同壓力單獨進行設定、運行專用程序啟動機床（chuáng）輸出冷卻壓力，核對實際（jì）壓力和設定壓力差異並進

行人工（gōng）調整直到差異為 0。據曆史作業工單（dān）時間統計，單台校準（zhǔn）作（zuò）業耗（hào）時約 2 h，改進後，無需再作壓力校準，隻需（xū）按工藝需求，在 NC 程序中定（dìng）義冷卻液壓力即可實現（xiàn）自動（dòng）調節，如圖 8 所示。

圖 8 冷卻壓力調試方式改進

LANNY 閥內部密封件數（shù）量大成本高，單個閥的配套（tào）密封件單價達 2 萬元，應用中不僅有（yǒu）長時間、高（gāo）頻次的停機問題，在備（bèi）件（jiàn）成本方麵的耗費也極大。因此，改進後不再使用 LANNY 閥，具有極大的成本優勢，如圖 9 所示。

圖 9 改進前後停線率對比

6 、結（jié）束（shù）語

通過改進，冷（lěng）卻液壓力控製應用（yòng）具（jù）有高柔性特點，通過 NC 程序定義壓力值，冷卻液壓力即可在 0~1 MPa 範圍內自動調節。其（qí）次，因 PID 閉環控製（zhì）具有提高係統（tǒng）穩態性能和動態（tài）性能的優點，使變頻器可以自動調節泵的轉速輸出（chū）目標壓力（lì），響應速度快，壓力輸出（chū）穩定準確（què）[3]。改進後經過 1 年的運行，機床開通率提升（shēng），如圖 9，停線率降低 6%，機床（chuáng）可（kě）靠性顯著提高。

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