凸轮磨削产生小平面问题分析及处理

神龙汽车有限公司襄阳工厂 (湖北 441004)杨正凯 陆晓龙 刘 浩

神龙公司生产的TU5JP4 凸轮轴的磨削加工，是利用英国Landis 公司生产的超精密凸轮轴磨削机床，对凸轮轴轴颈、凸轮轮廓部位进行精磨削，特别是凸轮的磨削，依靠机床的X 轴(砂轮进给)、Z 轴(砂轮左右移动)和C 轴(头架高精密回转)，配合自定心中心架，以精确的角度控制和砂轮进给磨成凸轮轮廓形状，形成理想的轮廓曲线。这类高精尖机床技术复杂，精度高，尤其是在加工的产品质量方面，凝聚了机床各方面综合精度。凸轮轴生产线上XF0663 Landis 凸轮磨床使用中，磨出的凸轮轮廓表面，出现小平面、轮廓线失真等质量问题，束缚了机床正常运行。机床技术状态劣化产生故障后，需要分析探索故障产生的原因，寻找问题点，尽快恢复其原有功能和精度。因此，研究不同类型机床的维修方法，摸索一些特色的维修技巧，巧妙地修复机床各类复杂故障，是摆在维修人员面前的首要课题。

1.Landis 凸轮磨床介绍

Landis No.860 系列凸轮磨床配置:砂轮进给轴(X 轴)和砂轮横向移动(Z 轴)使用直线电动机驱动(见图1)，直线电动机的磁体部分(次级线圈)直接安装在床身与磨头下滑板之间，电气控制移动部件 (初级线圈)安装在滑板中，组成直线伺服电动机驱动，光栅尺反馈以提高机床性能和可靠性;机床用密封静压导轨承载;静压轴承承载砂轮主轴;头架主轴控制零件精密回转;自定心中心架支承零件。

图1 直线电动机驱动结构

XF0663 是Landis No.860 系列精密凸轮磨床，机床在磨削加工的时候，工作台固定不动，工作台上装置4 套Arobotech 产自定心中心架和高精度的头尾架装置，对零件定位、夹紧、支承及精密旋转控制;砂轮架前后移动进给，左右移动换位，满足凸轮轴上8 个凸轮的磨削要求。

2.问题的出现

XF0663 凸轮磨床加工产品过程中磨出的凸轮，在轮廓的开启段与基圆交接处留有小平面(见图2)，最小平面宽度约0.3mm;最大2～3mm，在同一根凸轮轴上(产品8 个凸轮在360°分配)，磨削出8 个凸轮小平面均在同一位置。2D 轮廓线检测结果，也是一根凸轮轴上8 个凸轮轮廓线同一位置出现缺陷(见图3)。如果停一会儿机床，修改轮廓线起始点角度或加工参数，加工前2～3 件，出现的平面窄小成暗纹，到第4～6 件时逐渐明显，越来越宽(0.2～0.7mm)，加工10 件后宽度0.8～1mm，且越来越大。

图2 凸轮出现小平面位置

图3 在8 个凸轮轮廓线上同一位置

3.对产生问题的思考分析

根据Landis 机床说明书介绍，凸轮磨削这样的超精密机床，加工零件有质量缺陷。出现机床精度故障，首先从检查零件支承系统是否有问题入手;其次测试各合成运动轴之间的同步，以及进给轴的快速响应速度测试，其他相关检查等一整套的测试、判断、分析、验证;最后综合判断才能逐步找到故障原因。

(1)零件支承系统分析验证 查看磨削过的有缺陷零件，部分中心架支承痕迹不规则，分析判断4个中心架的轴心线调整不一致，零件在旋转时扭曲点正好和凸轮开启段与基圆交接处重合，致使头架在这个点与砂轮架之间振动而出现平面或台阶。中心架没有调整好，零件轴线与回转中心不重合，会引起加工质量问题。现场检查验证:把心棒夹紧后，检查1～5 轴颈跳动值为:0.002mm、0.002mm、0.006mm、0.004mm、0.002mm，多次规范调整后加工零件小平面无改变，说明零件支承系统无问题。

(2)头架回转和砂轮进给的同步分析 根据机床多轴合成运动的特性分析，C 轴(头架)运行中，回转角度有误差或者有停顿振动，这样整个加工表面都会产生振纹(细小的小棱面)，同时出现振纹的位置会发生变化，不会集中在不同角度的同一位置。试验改变机床轮廓线起始点角度，机床故障无改善，从8 个凸轮加工结果分析，除产生的开启段轮廓线与基圆交接处留有小平面外，其他部位全部符合要求，包括圆跳动、轮廓线的光滑、表面粗糙度等均符合质量要求，这就验证头架旋转与砂轮进给的同步没有问题。

(3)砂轮进给轴的响应速度影响分析 Landis凸轮磨床，砂轮进给采用的是“零传动”，整个闭环控制系统动态响应性能非常高，反应非常灵敏快捷;通过直线位置检测反馈控制，既减少了差补时系统反应滞后带来的跟踪误差，也提高了机床的定位精度和传动精度;直线电动机动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，消除了定子和动子之间的接触摩擦力，大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性。机床这些特点说明，进给系统不能有任何磨损和误差，否则将带来运动滞后，响应速度达不到要求，还会在零件上留下痕迹。

综合分析判断得出下列结论:砂轮进给X 轴在换向进给时存在滞后响应误差，响应速度瞬间产生变化。根据凸轮加工特性，砂轮轴前进加工到位，需要反向进给加工时，快速性和随动性不允许有差异，因此，合成运动的任何单元反应滞后，瞬间就会把缺陷留在零件上。

4.对问题的验证分析及处理

根据上述分析，要找到和验证砂轮进给X 轴的滞后误差出现在那里，究竟哪部分零件因磨损而失去原有的功能，采取下列三种方法逐步验证故障点出在何处。

(1)轴测试 按照Landis cnc6400 系统轴测试说明，对XF0663 砂轮进给X 轴和回转轴C 轴做轴测试。轴测试可以判定任何不同之处，不同之处可能由于机床的机械磨损、伺服故障、污损、润滑故障等造成。LandisCNC6400 中提供了两种轴(回转轴和直线移动轴)的性能测试功能。

测试前把C:cnc6400projectlog 中，文件备份，然后按说明书要求测试，测试后的数据和原始数据进行对比，查看差异点，进行对应调整。也可以把该数据及备份数据传给Landis 进行分析，给出处理对策。

按说明要求测试后，把XF0663C 轴、X 轴的轴测试后的数据，与机床出厂保存的原始精度数据进行对比分析，同时把原始数据文件、测试后C 轴、X轴的测试数据文件，以及近期加工零件的数据发给Landis 技术部门协助分析。数据对比后发现:C 轴没有问题，X 轴每段进给的转矩值有微小的变化。Landis技术部门分析后也确认:C 轴没有问题，X 轴进给的分段转矩值曲线，有逐渐微小变大的改变。给出的结论是:转矩微小变化从常规推断影响不大，但可以看成是最大的疑点，还要检查导轨浮起量，是否浮起不一致产生阻力，再综合分析影响高速响应速度变化的原因。

(2)检查导轨 对砂轮架的X 轴、Z 轴的密封静压导轨进行浮起量检测。Landis 凸轮磨床砂轮架设计的是全密封静压导轨技术，在两个相对运动的导轨面之间通入压力油，使运动部分浮起，工作过程中油膜压力随外载荷变化而变化，来平衡作用在导轨上的外负载。在不同速度下都能保证导轨面始终处于液体摩擦状态，减少拖动导轨运动的直线电动机的动力消耗，稳定进给转矩的输出，具有很高的运动精度和稳定性。设计的静压导轨在导轨的几个方向开若干个油腔，承受正向、反向载荷，承受颠覆力矩的能力强，油膜刚度高，导轨各方向均有静压压力，运动时金属与金属之间无接触、无摩擦，重复定位精确。

由于凸轮轮廓加工精度高，配置这种高刚度的导轨，是为了很好地保证机床加工质量。因此，机床通液压油后，导轨的运动部分浮起量将直接影响稳定性改变进给转矩的输出。在导轨的前后及侧面几个方向放置百分表，检测导轨通压力油后的浮起量为0.018～0.020mm，符合机床出厂精度，验证机床导轨无问题。那么进给滑台的阻力究竟在何处?出现了故障分析难题问题不明朗，到此故障已缩小到X 轴进给阻力上。

(3)手动推拉滑台验证 由于验证机床导轨无问题，要再次证明X 轴阻力产生在何处，经思考启发:运用触觉的办法直接感觉X 轴转矩变化，手动推拉进给滑台是否有很大的摩擦阻力，判断其阻力来自何处。操作方法:①机床液压系统启动，让静压导轨浮起。②手轮把Z 轴移到工件正前方 (防止异物干涉损坏砂轮)。③取消X 轴使能。④实际做推拉试验，用手推拉X 轴运动滑台。正常情况下:推拉很轻松，用很轻的力就能推拉移动运动滑台。可是实际在分段手动推拉过程中，发现每段使用的推拉力不一致，非常不顺畅，一个人费力才能推走滑台，并且有死点，特别是滑台进给到离终点部位处100mm 处，需要两人来推拉滑台才能移动，这种人工感觉到的推拉阻力足以改变X 轴进给转矩，制约响应速度。用同样的方法推拉相同工序另一台Landis 凸轮磨床XF0671作对比，单手30～50N 左右的力很轻松推动，整个行程非常顺畅。

对这两台机床的人力推拉对比验证分析得出结论:机床X 轴直线电动机存在问题，原因:可能存在直线电动机的线圈(初级部件)与磁铁(次级部件)干涉，发生摩擦，摩擦阻力增大了进给转矩，致使快速响应速度发生变化。

拆开X 轴直线电动机，发现初级线圈膨胀，膨胀后防护钢板与磁铁防护钢板接触，产生很大的摩擦力，且初级部件防护套即将磨穿，这就是进给滑台形成进给阻力，改变进给转矩变化的问题所在，也是移动快速响应产生误差的原因。确定进给滑台反向进给时，初级和次级部件相互摩擦产生阻力，致使响应速度遇阻力滞后，瞬间在零件上留下小平面，至此故障原因找到。

(4)问题的处理 按照机床维修说明书要求，规范细致地安装新的直线电动机备件，电动机安装好后，在没有使能的状态下，通液压油让密封静压导轨浮起，手推滑台感觉推拉力轻松，和XF0671 一样，单手30～50N 的力很轻松推动，整个行程非常顺畅。这时再做X 轴同步，确认同步做好后，空运行机床约1h 没有异常，按操作规程定标修正砂轮，砂轮修好后，打表确认中心架、卡盘跳动，确认无问题开始加工零件，检测零件质量小平面消失，精度恢复，机床故障处理完。

5.结语

设备某些零件因磨损而失去原有的功能和精度，就会出现复杂的故障难以查找，有些故障隐秘性强，需要层层分析，剥离故障的表面现象，最终完成故障的处理，恢复精度保证正常运行。经过对XF0663加工出的零件质量问题的分析处理，针对不明确的难题，运用逻辑性思维推论去具体分析，从而采取对应的处理措施，特别是在理论分析和实际验证出现阻碍，故障仍不明朗的情况下，在故障分析验证判断不准的关键时刻，思考运用手触方法，巧妙地用手动推拉进给滑台，直接感觉进给滑台摩擦力的变化，找到故障的症结，顺利地把故障处理好。这次凸轮加工出现的质量问题，以往没有出现过，因此，对日常维修过程中遇到的复杂技术问题作出些经验总结，便于给从事Landis 凸轮轴加工机床的维修人员启发和借鉴，有助于在维修过程中少走弯路，提高维修效率，规避质量风险，供读者参考。