曲軸的跟蹤磨削
作者：Helmut Wustenhofer 
 
道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)是以其出色的動(dòng)力性能而聞名於全球，它所生產(chǎn)的排量為4至7升空載轉(zhuǎn)矩的柴油機(jī)被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械，運(yùn)輸汽車和載貨車等領(lǐng)域。為了解決在這些領(lǐng)域里穩(wěn)定的高需求，在去年道依茨對(duì)曲軸生產(chǎn)線進(jìn)行了優(yōu)化，將生產(chǎn)線從450m縮短到150m。此時(shí)，加工時(shí)間降低了35%，材料庫存降低30%。道依茨負(fù)責(zé)曲軸和凸輪軸機(jī)械加工的領(lǐng)導(dǎo)Hemut Verbocket強(qiáng)調(diào)說：“安裝Naxos集團(tuán)的新的曲軸磨削中心是最重要的舉措之一，” 在曲軸加工中時(shí)間節(jié)省的很大部分最終要記在新的Naxos機(jī)床賬上：過去軸頸的磨削時(shí)間平均要25分鐘，而目前只需5分鐘。新設(shè)備按三班制運(yùn)行，設(shè)計(jì)的曲軸年產(chǎn)量為63000件。
                                                                             
                       每年頻繁交替加工63000多根4缸和6 缸 不同型號(hào) 發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸——加工時(shí)毋需作任何調(diào)整，每個(gè)磨削工位和龍門式上料裝置的Sinumerik控制系統(tǒng)操縱整個(gè)機(jī)床

Naxos集團(tuán)（目前是享有盛譽(yù)的Emag集團(tuán)的成員）像道依茨一樣已有一百多年的歷史，傳統(tǒng)精通磨削工藝，長(zhǎng)期以來是載重汽車曲軸加工的市場(chǎng)主導(dǎo)者。即使現(xiàn)在，在道依茨仍有6臺(tái)超役的Naxos機(jī)床在使用，這絕不是偶然的事。像這些機(jī)床一樣，新的跟蹤磨削中心也是為超過汽車工業(yè)中通常為6年的使用期而設(shè)計(jì)的。“但是磨削中心不應(yīng)只是為了能較長(zhǎng)時(shí)間的使用，而首先應(yīng)是高的利用率。” Alexander Haas工程師（圖2）強(qiáng)調(diào)說，這位項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為這是道依茨公司購置設(shè)備的重要準(zhǔn)則。“如果設(shè)備很快就失靈，我們?cè)缇土磉x別的曲軸磨床了。通過選擇技術(shù)高度集成的磨削中心，就不會(huì)有這樣的事發(fā)生。”因此，就磨床而言，Naxos磨削中心提供了應(yīng)急對(duì)策。
                                                                                    
道依茨公司的Alexander Haas(左) 和Naxos集團(tuán)的Heino Claussen-Markefka之間進(jìn)行密切協(xié)商, 對(duì)道依茨如此重要的購置設(shè)備的準(zhǔn)則所取得的大量成果作出了貢獻(xiàn)

道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)廠使用的新的曲軸磨削中心是由兩臺(tái)雙磨頭往復(fù)擺動(dòng)的磨床組成. 磨床通過各能儲(chǔ)存10根曲軸的上料傳送帶和下料傳送帶進(jìn)行供料. 由一臺(tái)寬度超過35m、足夠跨越所有工位的龍門式上料裝置把曲軸傳送給磨床和除油裝置, 并通過龍門式上料裝置把所有設(shè)備聯(lián)接成一個(gè)加工單元。

磨削中心的兩臺(tái)CBN砂輪磨床, 各有兩個(gè)往復(fù)擺動(dòng)的磨頭，磨削速率各達(dá)到120m/s. 正常工作時(shí), 磨床各自分別磨削不同類型的曲軸軸頸, 龍門式上料裝置在幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)把曲軸傳送到后續(xù)加工工位的自動(dòng)裝夾裝置上. 對(duì)于樣件生產(chǎn)或當(dāng)兩臺(tái)磨床中有一臺(tái)機(jī)床停機(jī)時(shí)，每一個(gè)磨削工位可以單獨(dú)使用. 編程在機(jī)床控制系統(tǒng)軟件中的安全功能可以按動(dòng)按鈕開關(guān)就能實(shí)現(xiàn)磨削工位的單獨(dú)運(yùn)行, 而無需裝設(shè)機(jī)械安全裝置，要不然切斷其連接看來是不可缺少的。

設(shè)備具有高柔性和高生產(chǎn)能力

“我們對(duì)Naxos的解決辦法特別感到滿意，是因?yàn)樵O(shè)備具有高的柔性和高的生產(chǎn)能力。在這樣的設(shè)備上，我們基本上可以加工總長(zhǎng)達(dá)1200mm的任意一種曲軸，并且在機(jī)床上工件的裝夾長(zhǎng)度可擴(kuò)大到1500mm”，道依茨的項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)Haas指出了跟蹤磨削中心所提供的技術(shù)性能。對(duì)于道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)系列，四種最重要的曲軸型號(hào)是BF4/6M2012/ 2013和 CD2012L4/62/ 4V，在目前，所有品種的工件可同時(shí)存放到機(jī)床上，機(jī)床能自動(dòng)識(shí)別這些曲軸并對(duì)它們進(jìn)行加工。在更換不同型號(hào)的曲軸時(shí)，看來不需要作任何一次的手動(dòng)校準(zhǔn)、重新調(diào)整或進(jìn)行參數(shù)化（圖3）。在磨削中心上不僅磨削主軸頸、連桿頸和止推軸承面（連同磨削其軸肩），而且還磨削曲軸的前后端軸頸。由于Naxos機(jī)床可以在同一個(gè)工序過程中磨削曲軸前后端軸頸，使用戶省了一臺(tái)單獨(dú)用于磨削曲軸前后端軸頸的磨床，從而節(jié)省了百萬元投資，并且對(duì)于每一個(gè)曲軸，還節(jié)省了工件傳送和重新裝夾的輔助時(shí)間。
                                                                                               
                        無論是4缸還是6缸：在毛坯傳送帶上 （圖的右邊）可以按任意的順序給磨床供給曲軸， 毋須操作人員進(jìn)行重新調(diào)整

由于跟蹤磨削設(shè)備有很高的柔性，對(duì)于道依茨公司來說，對(duì)應(yīng)付發(fā)動(dòng)機(jī)未來的挑戰(zhàn)看來也是一種很好的裝備。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)，人們已經(jīng)注意到由歐Ⅲ和歐Ⅳ排放性能而導(dǎo)致進(jìn)一步加嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn)，這也就需要十分苛求的設(shè)計(jì)，并在曲軸制造中要求更高的精度。

三班制運(yùn)行和工廠內(nèi)部的維護(hù)

由于生產(chǎn)低、中等馬力的柴油機(jī)，對(duì)道依茨十分重要，因此，跟蹤磨削設(shè)備的維修保養(yǎng)必須要非常簡(jiǎn)單。工廠的機(jī)床維修部門能自己掌握排除所有故障的必要措施。“實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)的前提條件是，我們的維修人員要對(duì)投入使用的自動(dòng)化設(shè)備很熟悉。”項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)Haas把這個(gè)問題作為對(duì)機(jī)床制造廠的重要約定之一。“在那個(gè)時(shí)期，Naxos可能沒有提供具有必要性能的Siemens控制系統(tǒng)，因而在對(duì)我們?nèi)绱酥匾�的設(shè)備上沒有可信賴的控制系統(tǒng)。”因此，Naxos集團(tuán)曾不得不涉足新的領(lǐng)域。

裝有標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)和集成安全性技術(shù)的高端設(shè)備

從控制技術(shù)和調(diào)節(jié)技術(shù)上看，跟蹤磨削是一種技術(shù)要求很高的加工工藝。鑒于必要的CPU效率，迄今采用的是沒有集成可靠性功能的控制系統(tǒng)，不然就得采用專門的解決方案，以便使上噸重的磨頭按照三個(gè)疊加的三角函數(shù)以必要的性能和超微米的精度來實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。“這使我們對(duì)裝有Simumerik-NCU573.2這種高端機(jī)床實(shí)現(xiàn)新的全盤自動(dòng)化的不尋常任務(wù)特別感到興趣，指望在這種功能范圍內(nèi)也可以利用集成的安全性技術(shù)——安全集成”，Naxos公司的技術(shù)和銷售領(lǐng)導(dǎo)Heino Claussen-Markefka回憶說。通過安全集成對(duì)敷設(shè)35m長(zhǎng)電纜的設(shè)備不僅很簡(jiǎn)單，而且費(fèi)用也較低。此外，實(shí)現(xiàn)維護(hù)、調(diào)整和維修要比采用單獨(dú)的安全性控制簡(jiǎn)單得多。因此，盡管磨削技術(shù)中心功能很復(fù)雜，道依茨的維修部門還是發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)精細(xì)和層次分明的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)。“由于安全集成，我們可以使操作人員十分簡(jiǎn)單地單獨(dú)使用兩個(gè)磨削工位——按動(dòng)按鈕，而不需要機(jī)械聯(lián)鎖。“

對(duì)于“最苛刻的情況”有足夠的計(jì)算效率

這個(gè)關(guān)系到公司威望的應(yīng)用項(xiàng)目的規(guī)劃，得到了西門子公司的全力支持。即使在工藝要求轉(zhuǎn)化為機(jī)床控制系統(tǒng)的過程中，西門子在Erlagen技術(shù)支持中心的數(shù)控專家對(duì)該項(xiàng)的實(shí)施進(jìn)行了協(xié)助。鑒于所要求的性能，西門子把目前Sinumerik數(shù)控家族中性能最強(qiáng)的控制系統(tǒng)NCU573.5應(yīng)用于設(shè)備的磨削工位上（圖4）。對(duì)于要求如此苛刻的應(yīng)用情況，系統(tǒng)載荷的全面測(cè)量顯然是必要的。因?yàn)�，只有以足夠高的�?jì)算效率隨時(shí)應(yīng)付“最壞情況”時(shí)，才能使設(shè)備可靠進(jìn)行生產(chǎn)，不出廢品。對(duì)于這樣一個(gè)要求十分苛刻的控制任務(wù)，NCU573.5即使具有了集成的安全性功能，還具有如次大的性能儲(chǔ)備，這確實(shí)使所有參與者感到驚奇。“這表明，今天真正的挑戰(zhàn)是在驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)方面。”借助于西門子Erlagen總部的機(jī)電專家們的幫助，使存在于結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面的關(guān)鍵問題（因?yàn)樗鼑?yán)重限制了效率）十分迅速地得到了驗(yàn)證，并對(duì)此進(jìn)行了優(yōu)化。“迄今，對(duì)于往復(fù)擺動(dòng)軸，增益系數(shù)KV的微調(diào)肯定是絕對(duì)沒有把握，也就是說，因?yàn)榍闆r是很極端，對(duì)于軸停在一個(gè)位置和對(duì)于軸的移動(dòng)必須要有各自的增益系數(shù)KV。目前，通過Sinumerik數(shù)控系統(tǒng)和Simodrive-611-變頻器的組合，即使是軸具有特別高的動(dòng)態(tài)性能，每個(gè)軸只要唯一的增益系數(shù)KV也就能滿足了，就象標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用那樣。就是說，現(xiàn)在我們用不著不斷的對(duì)整個(gè)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并且在調(diào)試時(shí)也用不著對(duì)往復(fù)擺動(dòng)軸的調(diào)節(jié)器進(jìn)行兩次優(yōu)化”Claussen-Markefka這樣說。
                                                                                                       
通過采用Sinumerik的尖端模塊 NCU573.5，即使對(duì)控制技術(shù)有苛刻要求的工藝也可采用 安全集成—跟蹤磨削就屬于這類加工工藝，道依茨的維修部門從自動(dòng)化裝置層次分明的布局中得到了好處

層次分明的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)保證了生產(chǎn)的可靠性

在選擇機(jī)床供應(yīng)商時(shí)，過去是現(xiàn)在還是要把通過本企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)有的技術(shù)知識(shí)來進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備的維護(hù)考慮進(jìn)去，這對(duì)道依茨的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)是十分重要的。在這里，除了有一個(gè)可信賴的控制系統(tǒng)外，特別還需要有一個(gè)層次分明的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)，這對(duì)于工藝上要求很高的應(yīng)用情況恰恰是需要這樣。裝有安全集成的Sinumerik數(shù)控方案產(chǎn)生一個(gè)比采用單獨(dú)的安全性控制或采用所有專門的解決方案更為精簡(jiǎn)和層次分明的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)。這對(duì)機(jī)床的設(shè)計(jì)、敷設(shè)電纜以及軟件和通訊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了有益影響，并且同時(shí)改善了生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)和診斷品質(zhì)。對(duì)于機(jī)床制造廠家來說，通過安全集成功能（如可靠的減速、可靠的制動(dòng)加速度，即使在懸吊負(fù)載或交變負(fù)載作用下也能可靠停機(jī)。）就可以從機(jī)床控制方面借助于驅(qū)動(dòng)功能來幫助解決潛在的一些危險(xiǎn)的維護(hù)工作，這種維護(hù)相當(dāng)于3類安全性要求。自從提供Sinumerik尖端模塊NCU573.5以來，對(duì)控制技術(shù)有苛刻要求的生產(chǎn)工藝，也就可以采用安全集成。如道依茨在Koln使用的新的Naxos往復(fù)擺動(dòng)磨削設(shè)備所證實(shí)的那樣。目前，Naxos集團(tuán)可以提供裝有西門子自動(dòng)化裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和電動(dòng)機(jī)的機(jī)床全系列產(chǎn)品。通過本項(xiàng)目進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到：“在將來，我們將盡早利用機(jī)電一體化技術(shù)的支持。通過特別精確的模擬,在很短的時(shí)間里來指明結(jié)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以進(jìn)行優(yōu)化或必須進(jìn)行優(yōu)化的地方。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于所有的參與者來說這樣的投資在機(jī)床驗(yàn)收前就能獲得實(shí)惠。”

跟蹤磨削(往復(fù)擺動(dòng)磨削)

根據(jù)加工原理,曲軸的主軸頸和連桿頸可以有不同的回轉(zhuǎn)中心. 對(duì)于磨削與曲軸主軸頸有一個(gè)偏心距的連桿頸滑動(dòng)表面,有兩種方法：一種常規(guī)的工藝是, 曲軸以正要加工的連桿頸進(jìn)行定心裝夾. 在磨削連桿頸時(shí), 砂輪仍然可以按照像磨削主軸頸那樣的工作原理進(jìn)行磨削。簡(jiǎn)單地說, 砂輪作直線移動(dòng)移向所要加工的連桿頸的外徑. 這種加工工藝, 對(duì)控制和調(diào)節(jié)的要求不高. 但是, 缺點(diǎn)是曲軸需要在不同的位置上進(jìn)行精確找正, 一次是對(duì)主軸頸進(jìn)行找正, 然后一次是對(duì)每個(gè)連桿頸進(jìn)行找正.這些找正需要花費(fèi)較多的時(shí)間。

與常規(guī)磨削工藝不同的是跟蹤磨削工藝，曲軸始終是以主軸頸的軸心線進(jìn)行定心裝夾。當(dāng)磨削曲軸連桿頸時(shí)，砂輪跟蹤連桿頸的表面作往復(fù)擺動(dòng)。這種工藝原則上是合理的，但是，對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和機(jī)械傳動(dòng)有特殊的要求。上噸重的磨頭在以秒計(jì)的節(jié)拍內(nèi)必須跟蹤一個(gè)復(fù)雜的、在最簡(jiǎn)單的情況下由三個(gè)疊加的三角函數(shù)決定的軌跡——磨頭通過附加的磨削運(yùn)動(dòng)按預(yù)先設(shè)定的軌跡以超微米精度的準(zhǔn)確性接近軸頸的給定輪廓。因此，對(duì)于跟蹤磨削來說，磨頭采用靜壓支承和對(duì)整個(gè)設(shè)備的環(huán)境進(jìn)行溫度調(diào)控是一種基本要求。這種工藝會(huì)造成較高的技術(shù)費(fèi)用，當(dāng)使用這種磨削工藝時(shí)，會(huì)由于短的加工時(shí)間、較高的加工精度和較高的柔性而得到回報(bào)。