曲軸的跟蹤磨削
作者：Helmut Wustenhofer 
 
道依茨發(fā)動機是以其出色的動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)矩的柴油機被廣泛應用于工程機械，運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，在去年道依茨對曲軸生產(chǎn)線進行了優(yōu)化，將生產(chǎn)線從450m縮短到150m。此時，加工時間降低了35%，材料庫存降低30%。道依茨負責曲軸和凸輪軸機械加工的領(lǐng)導Hemut Verbocket強調(diào)說：“安裝Naxos集團的新的曲軸磨削中心是最重要的舉措之一，” 在曲軸加工中時間節(jié)省的很大部分最終要記在新的Naxos機床賬上：過去軸頸的磨削時間平均要25分鐘，而目前只需5分鐘。新設(shè)備按三班制運行，設(shè)計的曲軸年產(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 發(fā)動機的曲軸——加工時毋需作任何調(diào)整，每個磨削工位和龍門式上料裝置的Sinumerik控制系統(tǒng)操縱整個機床

Naxos集團（目前是享有盛譽的Emag集團的成員）像道依茨一樣已有一百多年的歷史，傳統(tǒng)精通磨削工藝，長期以來是載重汽車曲軸加工的市場主導者。即使現(xiàn)在，在道依茨仍有6臺超役的Naxos機床在使用，這絕不是偶然的事。像這些機床一樣，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)計的。“但是磨削中心不應只是為了能較長時間的使用，而首先應是高的利用率。” Alexander Haas工程師（圖2）強調(diào)說，這位項目領(lǐng)導認為這是道依茨公司購置設(shè)備的重要準則。“如果設(shè)備很快就失靈，我們早就另選別的曲軸磨床了。通過選擇技術(shù)高度集成的磨削中心，就不會有這樣的事發(fā)生。”因此，就磨床而言，Naxos磨削中心提供了應急對策。
                                                                                    
道依茨公司的Alexander Haas(左) 和Naxos集團的Heino Claussen-Markefka之間進行密切協(xié)商, 對道依茨如此重要的購置設(shè)備的準則所取得的大量成果作出了貢獻

道依茨發(fā)動機廠使用的新的曲軸磨削中心是由兩臺雙磨頭往復擺動的磨床組成. 磨床通過各能儲存10根曲軸的上料傳送帶和下料傳送帶進行供料. 由一臺寬度超過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)接成一個加工單元。

磨削中心的兩臺CBN砂輪磨床, 各有兩個往復擺動的磨頭，磨削速率各達到120m/s. 正常工作時, 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間內(nèi)把曲軸傳送到后續(xù)加工工位的自動裝夾裝置上. 對于樣件生產(chǎn)或當兩臺磨床中有一臺機床停機時，每一個磨削工位可以單獨使用. 編程在機床控制系統(tǒng)軟件中的安全功能可以按動按鈕開關(guān)就能實現(xiàn)磨削工位的單獨運行, 而無需裝設(shè)機械安全裝置，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Naxos的解決辦法特別感到滿意，是因為設(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達1200mm的任意一種曲軸，并且在機床上工件的裝夾長度可擴大到1500mm”，道依茨的項目領(lǐng)導Haas指出了跟蹤磨削中心所提供的技術(shù)性能。對于道依茨發(fā)動機系列，四種最重要的曲軸型號是BF4/6M2012/ 2013和 CD2012L4/62/ 4V，在目前，所有品種的工件可同時存放到機床上，機床能自動識別這些曲軸并對它們進行加工。在更換不同型號的曲軸時，看來不需要作任何一次的手動校準、重新調(diào)整或進行參數(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機床可以在同一個工序過程中磨削曲軸前后端軸頸，使用戶省了一臺單獨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，并且對于每一個曲軸，還節(jié)省了工件傳送和重新裝夾的輔助時間。
                                                                                               
                        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， 毋須操作人員進行重新調(diào)整

由于跟蹤磨削設(shè)備有很高的柔性，對于道依茨公司來說，對應付發(fā)動機未來的挑戰(zhàn)看來也是一種很好的裝備。對于發(fā)動機，人們已經(jīng)注意到由歐Ⅲ和歐Ⅳ排放性能而導致進一步加嚴排放標準，這也就需要十分苛求的設(shè)計，并在曲軸制造中要求更高的精度。

三班制運行和工廠內(nèi)部的維護

由于生產(chǎn)低、中等馬力的柴油機，對道依茨十分重要，因此，跟蹤磨削設(shè)備的維修保養(yǎng)必須要非常簡單。工廠的機床維修部門能自己掌握排除所有故障的必要措施。“實現(xiàn)這個任務(wù)的前提條件是，我們的維修人員要對投入使用的自動化設(shè)備很熟悉。”項目領(lǐng)導Haas把這個問題作為對機床制造廠的重要約定之一。“在那個時期，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集團曾不得不涉足新的領(lǐng)域。

裝有標準控制系統(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疊加的三角函數(shù)以必要的性能和超微米的精度來實現(xiàn)擺動運動。“這使我們對裝有Simumerik-NCU573.2這種高端機床實現(xiàn)新的全盤自動化的不尋常任務(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Heino Claussen-Markefka回憶說。通過安全集成對敷設(shè)35m長電纜的設(shè)備不僅很簡單，而且費用也較低。此外，實現(xiàn)維護、調(diào)整和維修要比采用單獨的安全性控制簡單得多。因此，盡管磨削技術(shù)中心功能很復雜，道依茨的維修部門還是發(fā)現(xiàn)這是一個精細和層次分明的自動化結(jié)構(gòu)。“由于安全集成，我們可以使操作人員十分簡單地單獨使用兩個磨削工位——按動按鈕，而不需要機械聯(lián)鎖。“

對于“最苛刻的情況”有足夠的計算效率

這個關(guān)系到公司威望的應用項目的規(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)控專家對該項的實施進行了協(xié)助。鑒于所要求的性能，西門子把目前Sinumerik數(shù)控家族中性能最強的控制系統(tǒng)NCU573.5應用于設(shè)備的磨削工位上（圖4）。對于要求如此苛刻的應用情況，系統(tǒng)載荷的全面測量顯然是必要的。因為，只有以足夠高的計算效率隨時應付“最壞情況”時，才能使設(shè)備可靠進行生產(chǎn)，不出廢品。對于這樣一個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備，這確實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)動調(diào)節(jié)方面。”借助于西門子Erlagen總部的機電專家們的幫助，使存在于結(jié)構(gòu)和驅(qū)動技術(shù)方面的關(guān)鍵問題（因為它嚴重限制了效率）十分迅速地得到了驗證，并對此進行了優(yōu)化。“迄今，對于往復擺動軸，增益系數(shù)KV的微調(diào)肯定是絕對沒有把握，也就是說，因為情況是很極端，對于軸停在一個位置和對于軸的移動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態(tài)性能，每個軸只要唯一的增益系數(shù)KV也就能滿足了，就象標準應用那樣。就是說，現(xiàn)在我們用不著不斷的對整個參數(shù)進行轉(zhuǎn)換并且在調(diào)試時也用不著對往復擺動軸的調(diào)節(jié)器進行兩次優(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化裝置層次分明的布局中得到了好處

層次分明的自動化結(jié)構(gòu)保證了生產(chǎn)的可靠性

在選擇機床供應商時，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)知識來進行自動化設(shè)備的維護考慮進去，這對道依茨的發(fā)動機生產(chǎn)是十分重要的。在這里，除了有一個可信賴的控制系統(tǒng)外，特別還需要有一個層次分明的自動化結(jié)構(gòu)，這對于工藝上要求很高的應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)生一個比采用單獨的安全性控制或采用所有專門的解決方案更為精簡和層次分明的自動化結(jié)構(gòu)。這對機床的設(shè)計、敷設(shè)電纜以及軟件和通訊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了有益影響，并且同時改善了生產(chǎn)設(shè)備的維護和診斷品質(zhì)。對于機床制造廠家來說，通過安全集成功能（如可靠的減速、可靠的制動加速度，即使在懸吊負載或交變負載作用下也能可靠停機。）就可以從機床控制方面借助于驅(qū)動功能來幫助解決潛在的一些危險的維護工作，這種維護相當于3類安全性要求。自從提供Sinumerik尖端模塊NCU573.5以來，對控制技術(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往復擺動磨削設(shè)備所證實的那樣。目前，Naxos集團可以提供裝有西門子自動化裝置、驅(qū)動裝置和電動機的機床全系列產(chǎn)品。通過本項目進一步認識到：“在將來，我們將盡早利用機電一體化技術(shù)的支持。通過特別精確的模擬,在很短的時間里來指明結(jié)構(gòu)或驅(qū)動技術(shù)可以進行優(yōu)化或必須進行優(yōu)化的地方。根據(jù)我們的經(jīng)驗，對于所有的參與者來說這樣的投資在機床驗收前就能獲得實惠。”

跟蹤磨削(往復擺動磨削)

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. 對于磨削與曲軸主軸頸有一個偏心距的連桿頸滑動表面,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行定心裝夾. 在磨削連桿頸時, 砂輪仍然可以按照像磨削主軸頸那樣的工作原理進行磨削。簡單地說, 砂輪作直線移動移向所要加工的連桿頸的外徑. 這種加工工藝, 對控制和調(diào)節(jié)的要求不高. 但是, 缺點是曲軸需要在不同的位置上進行精確找正, 一次是對主軸頸進行找正, 然后一次是對每個連桿頸進行找正.這些找正需要花費較多的時間。

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行定心裝夾。當磨削曲軸連桿頸時，砂輪跟蹤連桿頸的表面作往復擺動。這種工藝原則上是合理的，但是，對整個驅(qū)動技術(shù)和機械傳動有特殊的要求。上噸重的磨頭在以秒計的節(jié)拍內(nèi)必須跟蹤一個復雜的、在最簡單的情況下由三個疊加的三角函數(shù)決定的軌跡——磨頭通過附加的磨削運動按預先設(shè)定的軌跡以超微米精度的準確性接近軸頸的給定輪廓。因此，對于跟蹤磨削來說，磨頭采用靜壓支承和對整個設(shè)備的環(huán)境進行溫度調(diào)控是一種基本要求。這種工藝會造成較高的技術(shù)費用，當使用這種磨削工藝時，會由于短的加工時間、較高的加工精度和較高的柔性而得到回報。