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加工中心在機(jī)測量對工序質(zhì)量的提升
大眾動力總成（上海）有限公司 朱正德

 [摘要]：隨著生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變，加工中心在汽車制造業(yè)中的配備數(shù)量日趨增多。尤其是用于發(fā)動機(jī)中的缸體、缸蓋，變速箱中的殼體等復(fù)雜零件的加工過程中。本文闡述了如何利用機(jī)床內(nèi)在機(jī)量儀的在機(jī)測量功能，通過對刀具、工件、夾具等的檢測和補(bǔ)償，有效地提升了工件的制造質(zhì)量和工序質(zhì)量。文中例舉的來自生產(chǎn)實(shí)際的典型示例，從不同的角度反映了這種在機(jī)檢測功能的有效性。

[關(guān)鍵詞]：在機(jī)量儀組成 在機(jī)測量功能 典型應(yīng)用實(shí)例 工序質(zhì)量保證

隨著轎車制造業(yè)的生產(chǎn)模式從大批量單一品種漸漸演變成中小批量多品種，加工中心在相關(guān)企業(yè)中的應(yīng)用日趨增多，尤其是用于動力總成部件中那些復(fù)雜零件的加工，如發(fā)動機(jī)中的缸體、缸蓋，變速箱中的殼體等。鑒于這些零件不但形狀復(fù)雜、工藝要求高，一旦出現(xiàn)廢品就會造成很大損失，因此，如何提升加工中心的制造質(zhì)量意義是很大的。而在機(jī)檢測功能的設(shè)置就是一種十分有效的手段。

1、 在機(jī)測量系統(tǒng)的基本組成及主要功能

1.1 在機(jī)測量系統(tǒng)的組成
實(shí)施在機(jī)測量的在機(jī)量儀主要由接觸式測頭、信號接收器和輸出電纜（或接口裝置）組成，根據(jù)傳送信號的性質(zhì)，又分為紅外線和無線電等二種。相比之下，后一種的信號傳送能力更強(qiáng)些，不但傳送距離大，在受到物體阻擋的情況下也不受影響。圖一給出了一種典型系統(tǒng)的組成和工作過程：接觸式測頭的檢測結(jié)果以紅外信號方式發(fā)送到安裝在加工中心內(nèi)的接收器，接收器通過輸出電纜（或經(jīng)過接口裝置）將信號傳送到機(jī)床控制系統(tǒng)。目前，檢測軟件部分兩類：由在機(jī)量儀廠家提供的全面三維計(jì)量在機(jī)測量軟件，由在機(jī)量儀廠家或者機(jī)床廠商按實(shí)際需求編制好的簡單的一維或二維幾何特征測量宏程式。目前有很多用戶采用后者輔助加工，有普及的勢頭。

1.2 主要功能
在機(jī)量儀的接觸式測頭，測量的對象可以是工件、夾具，也可以是刀具，完全根據(jù)不同用戶的需要來。設(shè)計(jì)和實(shí)施相應(yīng)的功能。當(dāng)檢測對象是工件和夾具時(shí)，將采用圖一中的測頭1。此時(shí)，接觸式測頭就象刀具一樣，平時(shí)存放在加工中心的刀庫中，依照不同的要求，在一道加工工序之前或之后調(diào)出，再按程序執(zhí)行自動檢測，從而實(shí)現(xiàn)某種功能。而當(dāng)檢測對象是刀具，就采用圖1中的測頭2（也叫對刀儀），這時(shí)座式的測頭被固定在加工中心的機(jī)床工作臺面上。概括地說，通過在機(jī)量儀執(zhí)行的在機(jī)測量，主要可以達(dá)到以下目的：

• 刀具狀態(tài)的檢測

對刀具狀態(tài)的檢測也稱為對刀，參見圖二。此時(shí)，是利用設(shè)置在機(jī)床工作臺面上的測量裝置（對刀儀），對刀庫中的刀具按事先設(shè)定的程序進(jìn)行對刀測量，然后與既定值進(jìn)行比較后作出判斷。同時(shí)，通過對刀具的檢測也能實(shí)現(xiàn)對刀具磨損、破損或安裝型號正確與否的識別。圖二是對刀測量的幾個(gè)示例：

A：正在進(jìn)行刀具的長（高）度檢測，B：正在進(jìn)行刀具半徑方向的測量，C：待檢測的刀具此時(shí)已破損，通過對刀測量能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警。利用對刀儀進(jìn)行機(jī)內(nèi)對刀，不僅節(jié)約了機(jī)外對刀時(shí)的人力、物力，提高了工效，而且對刀所處的環(huán)境與加工狀態(tài)一致，能最大程度地減少由刀具夾緊力和溫度變化帶來的影響。

在刀具狀態(tài)檢測這種應(yīng)用場合，檢測信號采用的是前述電纜傳送方式輸入接口裝置，或直接與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)連接。對刀測量裝置有接觸式和非接觸（光學(xué)）式等兩種，圖二是較常用的接觸式的示例。 

• 機(jī)床加工參數(shù)的設(shè)定

通過在機(jī)量儀的在機(jī)測量，間接或直接地獲取加工中心在執(zhí)行下道工序時(shí)最合適的的加工參數(shù)，從而可大大提高工件的制造質(zhì)量。這種有針對性的、智能化的工作方式在那些有配合關(guān)系或特殊要求的場合應(yīng)用較多，如帶缸套的缸體上平面加工、缸蓋燃燒面的加工等場合。

• 確保正確的加工狀態(tài)：工件、夾具的找正和補(bǔ)償

所謂找正，是指為了保證工件的正確安裝、定位而采取的相應(yīng)措施。至于存在不正，則既有夾具方面的原因，也有工件自身因素的影響。無疑，加工狀態(tài)的找正是確保工件加工質(zhì)量的基礎(chǔ)。另外，對于夾具找正過程中測得的偏差，以及由于受到溫度變化和刀具磨損等漸變因素作用，加工狀態(tài)的穩(wěn)定性所發(fā)生的會影響到制成品質(zhì)量的變化，在必要時(shí)還需采取一些補(bǔ)償措施。在機(jī)測量系統(tǒng)在期間也發(fā)揮了重要的作用。

• 工件的自動檢測

在一道工序完畢后，或者在所有工序都已完成后再對工件進(jìn)行自動測量，即直接在機(jī)床上實(shí)施對制成品的檢驗(yàn)，是機(jī)內(nèi)在機(jī)測量的又一種功能。此時(shí)，相當(dāng)于把一臺坐標(biāo)測量機(jī)移到了機(jī)床上，顯然，這能大大減少脫機(jī)測量的輔助時(shí)間，降低質(zhì)量成本。事實(shí)上，現(xiàn)今這種在機(jī)測量功能也確已十分強(qiáng)大，除了可進(jìn)行各種幾何元素的快速檢測外，利用專門開發(fā)的軟件還能完成脫機(jī)編程，通過在電腦中模擬，還可避免在機(jī)測量中可能發(fā)生的干涉、碰撞等現(xiàn)象。

2、應(yīng)用實(shí)例

加工中心多年前在國內(nèi)機(jī)械制造業(yè)已有所應(yīng)用，但在機(jī)檢測系統(tǒng)則還是近十年來才出現(xiàn)的一種過程控制設(shè)備和方式。由于能顯著提升過程控制能力，提高制造質(zhì)量、工作效率和降低差錯(cuò)，汽車行業(yè)、模具、航天航空及其他制造行業(yè)對其的應(yīng)用逐漸廣泛起來，而在汽車行業(yè)，汽車發(fā)動機(jī)、變速箱等工廠的應(yīng)用日趨增多。以下一些來自汽車行業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際的示例提供了充分的說明。

2.1、溫度補(bǔ)償和刀具磨損補(bǔ)償

10年前，某發(fā)動機(jī)廠正在驗(yàn)收一條柔性缸蓋自動生產(chǎn)線，在對其中二臺加工中心幾項(xiàng)關(guān)鍵線性尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)備能力評定時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器能力指數(shù)都能滿足要求。但當(dāng)執(zhí)行過程能力評價(jià)時(shí)，即對延續(xù)二班或更長時(shí)間的抽檢數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，就出現(xiàn)分散性較大，過程能力指數(shù)、值偏低的情況，即工序質(zhì)量達(dá)不到規(guī)定的要求。經(jīng)過對可能引起的原因較全面的剖析，確認(rèn)是環(huán)境溫度變化造成的，顯然，若不采取補(bǔ)償措施就難以消除由此引起的誤差。最后，通過給機(jī)床添加了在機(jī)檢測功能，終于徹底解決了問題。方法是：在刀庫中配一觸發(fā)式測頭，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的頻次（如1次/10件），如同一把刀具般地取出，打在安裝工件的夾具上的某一固定位置。由于正確地判斷出這一位置的變化與受控關(guān)鍵尺寸之間存在著線性相關(guān)，因此就可以根據(jù)測得值的變化來調(diào)整進(jìn)刀量，從而有效地實(shí)施了補(bǔ)償。

同樣地，進(jìn)行溫度補(bǔ)償或刀具磨損補(bǔ)償也可采用另一種方法。不久前，南方一汽車發(fā)動機(jī)廠為了確保加工缸蓋上平面后的尺寸精度，采取了將在機(jī)量儀的測頭打在銑削完畢后的工件表面上，按每10件1次的間隔進(jìn)行測量。若發(fā)現(xiàn)有較大偏差，即根據(jù)設(shè)定的補(bǔ)償方式自動調(diào)整加工參量。一般來說，受溫度變化或刀具磨損的影響而帶來的波動呈現(xiàn)規(guī)律性，據(jù)此可確定相應(yīng)的補(bǔ)償方式。

2.2、機(jī)床加工參數(shù)的設(shè)定

圖三中的鋁質(zhì)缸體需鋃嵌缸套，缸套是外購件，其安裝平面（見圖中綠色箭頭所指）低于缸體上平面（見圖中紅色箭頭所致），這臺加工中心的一道工序即是加工該缸套安裝平面。為了確保缸體上平面至安裝平面的軸向距離h能控制在規(guī)定公差范圍內(nèi)，機(jī)床內(nèi)設(shè)置了在機(jī)檢測系統(tǒng)。

這道工序需控制的h值是由缸體的底平面到上平面的高度 和缸套的高度決定的，即：
h= L 

由于缸體底平面固定于機(jī)床夾具的支承面，后者是加工的基準(zhǔn)面，而L是定值，因此為了確保得到一致的h值，就必須通過在機(jī)檢測獲取每個(gè)工件的 值后，再來確定對應(yīng)的切削量m：
m= （h+L）

具體做法是圖三中的觸發(fā)式測頭順序在缸體的上平面測量4個(gè)點(diǎn)，并按得到的數(shù)據(jù)取平均值，然后由之前的已設(shè)定值來求出相對應(yīng)的切削量，作為下道工序加工缸套安裝面時(shí)的依據(jù)。

2.3、夾具找正

圖四所示的加工中心擁有一個(gè)碩大的、稱為交換器的轉(zhuǎn)臺，在其直徑方向安裝了二個(gè)托盤，

其實(shí)是二個(gè)用于裝夾工件的回轉(zhuǎn)工作臺，可背向安裝二個(gè)缸蓋罩殼。二個(gè)工作臺所處位置總是對應(yīng)機(jī)床前、后部的上下料和加工工位，即當(dāng)一組工件處于加工工位被順序進(jìn)行加工時(shí)，操作工則在上下料工位從事工序完畢后的卸料和再次上料。交換器和托盤的回轉(zhuǎn)精度很高，但前者在交換兩個(gè)工作臺位置時(shí)，必須先由舉升機(jī)構(gòu)將整個(gè)轉(zhuǎn)臺抬起，然后轉(zhuǎn)動180°，再落入由四個(gè)錐體、錐孔組成的，依靠錐面匹配的定位裝置。由于工作環(huán)境惡劣，難免會有冷卻液帶入的鋁屑、雜物等粘附在定位面上，由此會造成轉(zhuǎn)臺的微量偏移，并傳遞到工作臺（托盤）和其上的夾具。但定位裝置的原理和結(jié)構(gòu)決定了、也確保了微量偏移只可能是平移，而不可能是歪斜。從圖4可見，被加工的缸蓋罩殼是直立裝夾的，若不對這一項(xiàng)引起誤差的因素進(jìn)行監(jiān)控，將不利于保證工件的質(zhì)量，為此，安排了在機(jī)檢測的環(huán)節(jié)，用于夾具的找正，更確切地說，是通過找正進(jìn)行補(bǔ)償。具體的實(shí)施方法是在工作臺上夾具的上部設(shè)一基準(zhǔn)塊，當(dāng)工作臺置于機(jī)床的加工工位時(shí)，在對工件實(shí)施切削加工前，動力頭先調(diào)出測頭，打在基準(zhǔn)塊的小平面上（見圖四所示），通過與預(yù)先的設(shè)定值相比較來判斷夾具的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)超出允許范圍的偏差時(shí)，即通知操作人員或機(jī)修人員進(jìn)行處理。根據(jù)圖4所示的被加工工件的實(shí)際情況，這項(xiàng)允差范圍定為±0.2mm，即當(dāng)在機(jī)測量的結(jié)果小于0.2mm時(shí)，認(rèn)為可以通過補(bǔ)償來解決夾具偏移引起的加工誤差。并在之后的加工過程中，通過在切削量參數(shù)中引入對應(yīng)的補(bǔ)償值，以消除夾具偏移的帶來的影響，從而確保工件的制造質(zhì)量。

2.4、工件找正

被加工工件是一種新穎汽車發(fā)動機(jī)上的大型鋁鑄件、鏈輪罩殼，在這臺機(jī)床的眾多工序中，對其中4個(gè)孔的加工是極為重要的。圖五中，從左至右顯示了這些孔，其中第4個(gè)，也是最右側(cè)一個(gè)正所處在待測（相當(dāng)于加工）位置。為了確?？椎募庸べ|(zhì)量，在工藝上就必須使刀具的回轉(zhuǎn)中心與工件毛坯孔的中心保持一致。但從圖中可見，四個(gè)孔呈輻射、散布狀，孔徑和中心高又相差很大。在這種情況下，如果對每一個(gè)工件都仍執(zhí)行一成不變的加工程序，那么即使是裝夾中的細(xì)微差別，或是鑄件自身的一些差異，都將會影響孔的制造質(zhì)量。為此，必須先對工件進(jìn)行圖5 在機(jī)檢測用于工件找正，即利用機(jī)床的在機(jī)檢測系統(tǒng)在加工前先逐個(gè)對每個(gè)毛坯孔進(jìn)行測量。方法是通過在圓周的上下、左右共打4點(diǎn)來精確地確定孔中心的坐標(biāo)位置，據(jù)此，再有針對性地執(zhí)行各個(gè)孔的加工，顯然，經(jīng)過工件找正之后，各孔的制造質(zhì)量就有了充分保證。此外，在找正的同時(shí)，還可以得到鑄孔的毛坯余量，若進(jìn)一步利用變量編程，還可以實(shí)現(xiàn)毛坯余量的自動分配，這樣就既能保證孔加工過程中切削力不會過大，以免損傷機(jī)床和刀具，又能提高刀具的耐用度，以使工作效率達(dá)到最高。

3、在機(jī)測量的應(yīng)用提升了工序質(zhì)量

利用設(shè)置在加工中心內(nèi)的在機(jī)量儀進(jìn)行機(jī)內(nèi)對刀，通過加工前的在機(jī)測量完成相關(guān)加工參數(shù)的自動設(shè)定，或?qū)A具、工件實(shí)施找正，并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的修正、補(bǔ)償，以及在加工后通過在機(jī)測量進(jìn)行溫度、刀具磨損的補(bǔ)償。凡此種種，不但保證了零件的加工質(zhì)量，而且能有效地提高生產(chǎn)過程運(yùn)行的質(zhì)量水平。圖六是上一節(jié)實(shí)例4（2.4）的過程能力分析結(jié)果，選用的評價(jià)項(xiàng)是圖五中測頭正進(jìn)行找正的那個(gè)孔： ，也是4個(gè)被找正的孔中要求最高的一個(gè)。為了驗(yàn)證實(shí)物的加工質(zhì)量和生產(chǎn)過程運(yùn)行的質(zhì)量水平，根據(jù)一個(gè)月正常生產(chǎn)期間規(guī)范采樣的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。圖六中，A是單值進(jìn)程圖，也稱散點(diǎn)圖，反映了這期間被加工項(xiàng)的變化趨勢，B是直方圖。據(jù)此，可計(jì)算出評價(jià)這期間生產(chǎn)過程運(yùn)行質(zhì)量的指標(biāo)值過程能力指數(shù)CP、CPK，得到的結(jié)果為：CP=3.24，CPK=2.95，顯然表明了該加工中心的工序質(zhì)量已達(dá)到了相當(dāng)高的水平。 

圖七是上一節(jié)實(shí)例3（2.3）的過程能力分析結(jié)果。從圖四-B可以看出，通過在機(jī)測量對夾具的找正和進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償后，直接改善了精度的工件尺寸參數(shù)是與動力頭軸線同向的高度值，因?yàn)檫@個(gè)值的大小完全取決于刀具對工件垂直面的銑削量。類似于上述對實(shí)例4的統(tǒng)計(jì)分析，為了驗(yàn)證工件的實(shí)際制造質(zhì)量和生產(chǎn)過程的工序質(zhì)量，也對近一個(gè)月來以規(guī)范抽檢方式獲得的數(shù)據(jù)做了分析，評定對象是工件一定位面到圖四-B中被加工面的距離：20.4±0.2。從獲得的單值進(jìn)程圖（圖七-A）和直方圖（圖七-B），以及由此經(jīng)計(jì)算得到的反映了這期間過程運(yùn)行質(zhì)量水平的指標(biāo)過程能力指數(shù)的值：CP=3.33，CPK=3.01，也表明了工序質(zhì)量相當(dāng)高。

在本案例中，采用在機(jī)測量過程控制方法直接提升了位于機(jī)床加工現(xiàn)場的加工質(zhì)量，很好的體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量是制造出來的這一理念。

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