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      摘要：為在新生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)兼顧設(shè)備運(yùn)行效率問(wèn)題，對(duì)JUNKER 現(xiàn)有磨床停線率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從工藝布局、機(jī)床設(shè)計(jì)等方面闡述了影響磨床可靠性的主要因素，制定了磨床可靠性改進(jìn)的方案，將方案導(dǎo)入到新生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，提高了新線磨床的可靠性和運(yùn)行效率。

      JUNKER 磨床普遍應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸的磨削。本文圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)廠應(yīng)用JUNKER磨削曲軸的實(shí)際案例，通過(guò)分析投產(chǎn)以來(lái)該磨床所有的停線問(wèn)題記錄，梳理出主要停線問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)及應(yīng)用，提出改進(jìn)方案，旨在提高JUNKER磨床的可靠性運(yùn)行。圖1 顯示了JUNKER 磨床結(jié)構(gòu)示意圖，左圖為OP80 外圓磨床，右為OP90 角度磨床。圖2、3 匯總分類JUNKER 磨床所有故障類別的停線率，其中OP80的其他故障包含了10 多項(xiàng)故障類別，單項(xiàng)故障類別占比不超過(guò)3%，限于篇幅，不詳列。對(duì)于JUNKER磨床的主要故障類型的原因分析包含在后續(xù)論述中。

       
       圖1 JUNKER 磨床結(jié)構(gòu)示意圖

      
      圖2 OP80 磨床故障類型分布

       
      圖3 OP90 磨床故障類型分布

      從匯總的故障分析，一方面，由于加工工藝布局的不合理，使得OP90 的角度磨床采用雙站加工，并且由此設(shè)計(jì)的頂尖在換型過(guò)程中精度發(fā)生很大變異，造成換型產(chǎn)生了大量的停機(jī)時(shí)間，并且OP90 為完成雙站加工，在機(jī)床內(nèi)部采用了機(jī)械手，增加了設(shè)備的復(fù)雜性、降低了設(shè)備運(yùn)行的可靠性；另一方面，從整個(gè)行業(yè)的應(yīng)用情況看，曲軸磨削設(shè)備更適合采用油冷的方式，這將大大提高設(shè)備的可靠性和可維護(hù)性。

      因此，在新生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)布局上，基于以上等方面對(duì)工藝、設(shè)備的設(shè)計(jì)布局重新安排，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的前期就把設(shè)備運(yùn)行效率納入考慮。

      1 、磨削工藝布局改進(jìn)

      當(dāng)前的工藝布局，OP80 外圓磨床磨削主軸頸、連桿頸，OP90 角度磨床磨削法蘭端面、法蘭油封直徑、芯軸直徑。

      為此，OP90 設(shè)計(jì)成雙站結(jié)構(gòu)，ST1 站完成法蘭端面、法蘭油封直徑同步磨削，ST2 站完成芯軸直徑磨削。為實(shí)現(xiàn)雙站功能，OP90 設(shè)計(jì)了內(nèi)部機(jī)械手（圖1右的W1/W2/W3 軸） 負(fù)責(zé)零件的上下料以及站間輸送。OP90 存在的主要問(wèn)題包含以下幾個(gè)方面：

      首先，機(jī)床的換型策略問(wèn)題。機(jī)床設(shè)計(jì)的換型需要調(diào)整頭架、尾架位置，頭架尾架位置的調(diào)整又造成了中心支架原有的抬起度與推出度、機(jī)床頂尖直線度超差。多個(gè)機(jī)械特性的偏差使得歷次換型的零件加工的法蘭端垂直度、芯軸錐度、表面粗糙度首件均不合格，甚至出現(xiàn)局部磨削不完、臺(tái)階等問(wèn)題，并且涉及到多個(gè)維度機(jī)械特性的調(diào)整難度較大，換型造成了大量的停機(jī)浪費(fèi)。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，換型首件不合格率100%，換型后精度調(diào)整及加工驗(yàn)證造成的零件報(bào)廢平均在7 件左右，換型造成的停機(jī)占該設(shè)備所有停機(jī)時(shí)間的38.7%。

      其次，內(nèi)部機(jī)械手設(shè)計(jì)缺陷。第一，內(nèi)部機(jī)械手缺少工件狀態(tài)感應(yīng)及識(shí)別元器件，工件狀態(tài)完全通過(guò)邏輯寄存器傳遞及交換，當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)械手工件狀態(tài)不正確，造成碰撞等問(wèn)題。第二，內(nèi)部機(jī)械手的工件裝夾精度不高，特別是機(jī)械手夾緊工件時(shí)，工件中心線與機(jī)床頂尖中心線存在1~3°的夾角，使得零件無(wú)法正確裝夾，并且存在在不可調(diào)整的問(wèn)題。第三，裝夾過(guò)程中，機(jī)械手需要夾緊工件保持位置不變，右頂尖推動(dòng)工件貼靠左頂尖，長(zhǎng)期在此工況下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損明顯，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損又使得中心線夾角進(jìn)一步惡化。第四，內(nèi)部機(jī)械手的存在，增加了不少電氣元件如DP 子站、電磁閥、傳感器，由于該部分元器件安裝在加工倉(cāng)內(nèi)部，受冷卻液沖擊、腐蝕等影響，成為故障易發(fā)區(qū)。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明內(nèi)部機(jī)械手造成的停機(jī)占該設(shè)備所有停機(jī)時(shí)間的29.6%。

      第三，砂輪無(wú)法自動(dòng)修整的問(wèn)題。機(jī)床雙站結(jié)構(gòu)，雙站的砂輪結(jié)構(gòu)完全不同，兩個(gè)砂輪由同一個(gè)金剛石修整輪修整。機(jī)床自動(dòng)修整過(guò)程中，按照加工零件數(shù)與磨損量線性比例關(guān)系計(jì)算磨損量進(jìn)行補(bǔ)償，而由于兩個(gè)砂輪的磨損與零件加工數(shù)并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，以及金剛修整輪磨損的非線性，因此頻繁存在因磨損量計(jì)算與實(shí)際值不符造成無(wú)法修整或修整后零件表面粗糙度等質(zhì)量特性不合格的問(wèn)題。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明砂輪無(wú)法自動(dòng)修整的停機(jī)占該設(shè)備所有停機(jī)時(shí)間的9.5%。

      更由于OP90 為單臺(tái)設(shè)備，故其停機(jī)時(shí)間直接影響整線的輸出，OP90 的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。改進(jìn)后的工藝布局為，將OP90 的芯軸磨削工藝轉(zhuǎn)移到OP80 完成，OP90 只完成法蘭端及油封的角磨，單站加工，取消內(nèi)部機(jī)械手，換型策略也相應(yīng)改進(jìn)。對(duì)于OP80 而言，增加的工藝內(nèi)容不需要對(duì)現(xiàn)有的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行任何修改，只需要修改機(jī)床現(xiàn)有的磨削工藝參數(shù)。改進(jìn)后，OP90 預(yù)計(jì)停線率減少77.8%。

      改進(jìn)前后的工藝對(duì)比如圖4、5 所示，左側(cè)圖表示改進(jìn)前，右側(cè)圖表示改進(jìn)后，灰色粗實(shí)線表示磨削加工的部位。

       圖4 OP80 加工工藝改進(jìn)前后示意圖

       
       圖5 OP90 加工工藝改進(jìn)前后示意圖

      2 、冷卻方式改進(jìn)

      當(dāng)前OP80/OP90 冷卻液使用水基乳化液，鐵泥隨著冷卻液濺射到加工倉(cāng)內(nèi)部的各個(gè)角落，運(yùn)行不足一個(gè)星期，加工倉(cāng)內(nèi)即覆蓋一層厚厚的鐵泥，清潔維護(hù)非常困難。圖6、7、8 直觀地反應(yīng)了水冷式與油冷式磨床在加工倉(cāng)內(nèi)部環(huán)境的鮮明對(duì)比。

      首先，鐵泥粘附在加工倉(cāng)內(nèi)部，特別是關(guān)鍵元件如Fenar-L 隨動(dòng)測(cè)頭，鐵屑附著在測(cè)頭波紋管彈簧的溝槽處，而隨動(dòng)測(cè)頭由于測(cè)量的特殊性無(wú)法增加有效防護(hù)，實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)波紋管彈簧斷裂或者測(cè)量穩(wěn)定的頻率很高，運(yùn)行數(shù)據(jù)表明冷卻液?jiǎn)栴}造成OP80 測(cè)頭相關(guān)的停機(jī)占該工位所有停機(jī)時(shí)間的24.5%，占據(jù)OP80 停機(jī)原因的第一位。

      其次，水基乳化液的濃度控制要求較高，濃度偏高容易造成乳化液起泡，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)冷卻液泡沫含量較高時(shí)，泡沫將攜帶細(xì)小的鐵泥沿機(jī)床防護(hù)罩涌入驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌，造成冷卻液侵入靜壓回路，出現(xiàn)靜壓濾芯堵塞等問(wèn)題。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明冷卻液?jiǎn)栴}造成OP80 靜壓系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng)的停機(jī)占該工位所有停機(jī)時(shí)間的11.4%。

      第三，遍布加工倉(cāng)內(nèi)部的鐵泥有時(shí)影響工件的定位精度或磨削質(zhì)量，典型的表現(xiàn)是連桿頸跳動(dòng)超差，運(yùn)行數(shù)據(jù)表明冷卻液?jiǎn)栴}造成OP80 連桿頸跳動(dòng)超差的停機(jī)占該工位所有停機(jī)時(shí)間的8.6%。相對(duì)于水冷式，油冷式的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在較高的磨削質(zhì)量，較高的刀具壽命，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果，使用油冷式，OP80 預(yù)計(jì)停線率減少44.5%。

      3、 靜壓回路改進(jìn)

      當(dāng)前JUNKER 磨床驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)防護(hù)罩為半閉式，Z軸防護(hù)罩密封，但是X 軸無(wú)防護(hù)，如圖1 左所示。X軸靜壓導(dǎo)軌完全暴露。并且，靜壓系統(tǒng)油路沒(méi)有單獨(dú)的回路，與機(jī)床液壓系統(tǒng)共用。因此，存在以下兩方面問(wèn)題。

         圖9 JUNKER 磨床改進(jìn)前后停線率對(duì)比預(yù)測(cè)

      首先，冷卻液攜帶鐵屑濺射到機(jī)床各個(gè)部位，部分鐵屑粘附在X 軸靜壓導(dǎo)軌上，運(yùn)行不到一年，所有四臺(tái)JUNKER 磨床所有X 軸靜壓導(dǎo)軌都存在密封損壞導(dǎo)致漏油的問(wèn)題。造成巨大的停機(jī)時(shí)間與維護(hù)成本，單臺(tái)磨床的X 軸導(dǎo)軌密封更換維護(hù)時(shí)間至少4個(gè)工作日。

      其次，由于與機(jī)床液壓系統(tǒng)共用油路，使得靜壓與液壓?jiǎn)栴}交叉影響。靜壓系統(tǒng)出現(xiàn)上述導(dǎo)軌密封損壞問(wèn)題，除了造成靜壓濾芯堵塞外，冷卻液侵入靜壓系統(tǒng)，同時(shí)直接影響到機(jī)床液壓油油品。運(yùn)行過(guò)程中，僅靜壓濾芯平均每月的維護(hù)成本在￥3500 左右。采取的改進(jìn)方案是，靜壓系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)分開(kāi)，各自獨(dú)立供油。

      4 、結(jié)束語(yǔ)

      在新生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)，將上述磨削工藝布局、冷卻方式、靜壓回路三項(xiàng)改進(jìn)納入到前期設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)實(shí)施前，預(yù)計(jì)OP80 磨床的停線率預(yù)計(jì)將從7.6%降低到4.2%，OP90 磨床的停線率預(yù)計(jì)將從10.9%降低到2.4%（如圖9）。新線建造后經(jīng)過(guò)近1 年的運(yùn)行，OP80和OP90 磨床在排除其他差異的條件下，同期停線率分別下降了5%、7%，達(dá)到了預(yù)期效果，顯著提高了設(shè)備的可靠性。