目前國(guó)內(nèi)乘用車變速器齒輪為了達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的 NVH 要求，避免齒面燒傷，普遍采用了強(qiáng)力珩齒的工藝作為齒面的最終加工工藝。實(shí)際應(yīng)用中，由于珩齒切削效率的限制，強(qiáng)力珩齒對(duì)毛坯狀態(tài)和余量的要求很高，導(dǎo)致在很多零件加工時(shí)，難以避免地會(huì)出現(xiàn)因磨削阻力的變化引起的不同類型的振動(dòng)，導(dǎo)致齒面一些帶有固定階次的振幅，反而讓零件的實(shí)際 NVH 表現(xiàn)變差，產(chǎn)生很多復(fù)雜而不好控制的質(zhì)量問(wèn)題。PRAWEMA 是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的強(qiáng)力珩齒設(shè)備，其特有的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為 HRI(Hybrid Reactive Index)，能夠提升強(qiáng)力珩齒的加工質(zhì)量。
1、在線振動(dòng)監(jiān)控功能的原理
為了采集到設(shè)備加工時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，首先需要在機(jī)床的各主要快速運(yùn)動(dòng)部件上設(shè)置采集點(diǎn)，如圖 1 所示。
PRAWEMA 珩齒設(shè)備加工時(shí)的 3 個(gè)主要運(yùn)動(dòng)部件是：
(1)工件回轉(zhuǎn)軸C 軸，負(fù)責(zé)工件的夾緊和旋轉(zhuǎn)。
(2)珩磨頭回轉(zhuǎn)軸B 軸，負(fù)責(zé)珩磨砂輪的夾緊和旋轉(zhuǎn)。
(3)尾座移動(dòng)軸U 軸，負(fù)責(zé)尾座的支撐和旋轉(zhuǎn)。
通過(guò)在 3 個(gè)軸上布置的振動(dòng)傳感器，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)瞬時(shí)測(cè)量設(shè)備傳遞到 PC 端保存。
2、強(qiáng)力珩齒的加工過(guò)程
強(qiáng)力珩齒工藝是珩磨輪主軸和工件主軸分別通過(guò)電主軸驅(qū)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高度同步，加工過(guò)程工件沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)同時(shí)工件徑向進(jìn)給。利用嚙合處的相對(duì)滑動(dòng)，并在齒面間施加一定的壓力來(lái)進(jìn)行磨削加工。表 1 列出了強(qiáng)力珩齒的幾個(gè)主要過(guò)程階段。
為了便于針對(duì)不同加工階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析，在振動(dòng)采樣時(shí)分別賦予一個(gè)數(shù)值代碼，不同數(shù)值代碼代表了不同的加工階段，表 2 列出了幾個(gè)主要加工階段的代碼。
正是由于珩磨過(guò)程中的應(yīng)力和切削率低的特點(diǎn)，在加工過(guò)程中容易由于應(yīng)力的周期性變化產(chǎn)生共振，進(jìn)而導(dǎo)致零件表面呈現(xiàn)出周期性的紋理變化，從而導(dǎo)致齒輪在嚙合時(shí)產(chǎn)生噪聲。
3、HRI 系統(tǒng)的應(yīng)用
HRI 頻譜界面
HRI 的頻譜界面采用實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，如圖 2 所示，其中橫坐標(biāo)為頻率 / 階次，可通過(guò)設(shè)定按鈕進(jìn)行切換，兩者的換算關(guān)系是：
式中：f——頻率，單位 Hz;O——階次;n——軸轉(zhuǎn)速，單位 r/min。
縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)頻率 / 階次的振幅幅值，單位為 mg，圖形通過(guò)不同的顏色顯示不同的軸的實(shí)時(shí)振幅曲線。
對(duì)于機(jī)器而言，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必然存在一些固有的特征階次和頻率，表 3 列出了根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析得出的部分已知的問(wèn)題頻率和階次，便于使用者在分析解決問(wèn)題時(shí)參考。
HRI analyze+ 的界面
HRI 系統(tǒng)針對(duì)加工時(shí)不同階段的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集和保存，數(shù)據(jù)以 CSV 格式存儲(chǔ)在 PC 端，HRI analyze+ 提供了針對(duì) CSV 文件的多種查看方式，可通過(guò)表格、曲線和色階譜線的方式進(jìn)行分析。
CSV 文件可以通過(guò)路徑 :\……\HRIdata 文件夾進(jìn)行獲取，包含以下子文件夾：
HriDebugLog 文件夾包含每一個(gè)工件隨時(shí)間變化的加工過(guò)程參數(shù)。
HriLog 文件夾包含每一個(gè)零件的 HRI 數(shù)據(jù)總覽。
HriFFTlog 文件夾包含每一個(gè)工件的各階段的頻譜數(shù)據(jù)，該文件是分析加工的振動(dòng)的頻率的數(shù)據(jù)，以下簡(jiǎn)稱 FFT 文件，后面將重點(diǎn)介紹本文件的分析方法。
FFT 文件名稱采取固定的方式生成，包含了程序代號(hào)、加工時(shí)間、零件代號(hào)、軸號(hào)和工步。
HriFFTlog 文件列表
FFTlog 文件導(dǎo)入到 HRI analyze+ 后如圖 3 所示，每組 FFT 文件包含了近 2 h 的所有零件數(shù)據(jù)，可通過(guò)時(shí)間或者工件記數(shù)標(biāo)簽找到需要分析的數(shù)據(jù)段。
1. FFT 數(shù)據(jù)的篩選
因原始導(dǎo)入的 FFTlog 包含了所有的數(shù)據(jù)，分析時(shí)往往不需要對(duì)全過(guò)程所有零件和所有軸進(jìn)行分析，通過(guò)過(guò)濾選項(xiàng)，可以篩選出對(duì)于零件加工質(zhì)量影響最大的軸和階段，一般情況下，選擇決定齒面最終形態(tài)的工作路徑(階段 4 和 10)和清磨(階段 5)進(jìn)行分析。
2. 生成光譜圖
完成篩選后的數(shù)據(jù)依然是以列表的方式顯示，為了更加直觀地發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程的異常，還需將列表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光譜圖形式顯示。圖 4 通過(guò)顏色從淺到深的色差，可以更便捷地看到一些特征頻率和加工過(guò)程中出現(xiàn)高幅值的區(qū)間。
3. 對(duì)光譜圖進(jìn)行切片分析
為了更加詳細(xì)地看到高振動(dòng)幅值區(qū)域的階次和發(fā)生階段，可以選擇對(duì)光譜圖進(jìn)行切片，切片圖如圖 4 所示，右下角紅色曲線代表切片階次的振動(dòng)曲線，黑色曲線代表對(duì)應(yīng)的階段。
HRI 和 HRI analyze+ 在實(shí)際加工中的應(yīng)用
1. 故障階次和階段的確定
舉例：某珩齒設(shè)備出現(xiàn)加工后零件齒 S 形，對(duì)比分析頻譜發(fā)現(xiàn)，相比于零件合格時(shí)期的狀態(tài)，本次故障時(shí) 32 ～ 36 階次在工作路徑存在明顯振動(dòng)，已知高幅值振動(dòng)區(qū)域后，為了判定該位置是否異常，可對(duì)比同一種工況下正常零件的光譜圖，如圖 5 所示，對(duì)比正常零件頻譜，在同位置未發(fā)現(xiàn)振動(dòng)，該階次換算成頻率為 3081～ 3466 Hz，根據(jù)表 3 的經(jīng)驗(yàn)，該頻率為尾座參與時(shí)夾緊系統(tǒng)的共振，重點(diǎn)排查工裝與尾座的同軸度，經(jīng)過(guò)重新校準(zhǔn)精度，問(wèn)題得到解決。
2. 故障預(yù)防
為了預(yù)防今后再次發(fā)生同樣問(wèn)題，可以在監(jiān)控窗口進(jìn)行限值設(shè)置和抽檢超過(guò)設(shè)置限值的零件。如圖 6 所示，對(duì)于階次(2±2)，珩齒階段 10，工件軸C 如超過(guò) 60 mg 振幅，零件將被送往抽檢區(qū)域，提示操作者該零件存在風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)行檢測(cè)，此舉可以有效避免風(fēng)險(xiǎn)零件的流出。
4、結(jié)語(yǔ)
本文只介紹了 PRAWEMA 強(qiáng)力珩齒設(shè)備振動(dòng)分析的通用過(guò)程，這項(xiàng)工作在實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累的過(guò)程，因?yàn)樗械脑O(shè)備運(yùn)行時(shí)必然存在振動(dòng)，而判定哪些振動(dòng)是正常的、哪些是異常的，需要大量檢測(cè)數(shù)據(jù)的積累，其影響因子也是復(fù)雜多變的，文中提到的對(duì)比分析法是最快捷有效的。本文介紹的振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和分析方式，對(duì)于其他齒形精加工(如磨齒)設(shè)備利用振動(dòng)監(jiān)控進(jìn)行故障分析也有參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)略.