加工中心在机测量对工序质量的提升
大众动力总成（上海）有限公司 朱正德
[摘要]：随着生产模式的转变，加工中心在汽车制造业中的配备数量日趋增多。尤其是用于发动机中的缸体、缸盖，变速箱中的壳体等复杂零件的加工过程中。本文阐述了如何利用机床内在机量仪的在机测量功能，通过对刀具、工件、夹具等的检测和补偿，有效地提升了工件的制造质量和工序质量。文中例举的来自生产实际的典型示例，从不同的角度反映了这种在机检测功能的有效性。
[关键词]：在机量仪组成 在机测量功能 典型应用实例 工序质量保证
随着轿车制造业的生产模式从大批量单一品种渐渐演变成中小批量多品种，加工中心在相关企业中的应用日趋增多，尤其是用于动力总成部件中那些复杂零件的加工，如发动机中的缸体、缸盖，变速箱中的壳体等。鉴于这些零件不但形状复杂、工艺要求高，一旦出现废品就会造成很大损失，因此，如何提升加工中心的制造质量意义是很大的。而在机检测功能的设置就是一种十分有效的手段。
1、 在机测量系统的基本组成及主要功能
1.1 在机测量系统的组成
实施在机测量的在机量仪主要由接触式测头、信号接收器和输出电缆（或接口装置）组成，根据传送信号的性质，又分为红外线和无线电等二种。相比之下，后一种的信号传送能力更强些，不但传送距离大，在受到物体阻挡的情况下也不受影响。图一给出了一种典型系统的组成和工作过程：接触式测头的检测结果以红外信号方式发送到安装在加工中心内的接收器，接收器通过输出电缆（或经过接口装置）将信号传送到机床控制系统。目前，检测软件部分两类：由在机量仪厂家提供的全面三维计量在机测量软件，由在机量仪厂家或者机床厂商按实际需求编制好的简单的一维或二维几何特征测量宏程式。目前有很多用户采用后者辅助加工，有普及的势头。
1.2 主要功能
在机量仪的接触式测头，测量的对象可以是工件、夹具，也可以是刀具，完全根据不同用户的需要来。设计和实施相应的功能。当检测对象是工件和夹具时，将采用图一中的测头1。此时，接触式测头就象刀具一样，平时存放在加工中心的刀库中，依照不同的要求，在一道加工工序之前或之后调出，再按程序执行自动检测，从而实现某种功能。而当检测对象是刀具，就采用图1中的测头2（也叫对刀仪），这时“座式”的测头被固定在加工中心的机床工作台面上。概括地说，通过在机量仪执行的在机测量，主要可以达到以下目的：
- 刀具状态的检测
对刀具状态的检测也称为“对刀”，参见图二。此时，是利用设置在机床工作台面上的测量装置（对刀仪），对刀库中的刀具按事先设定的程序进行对刀测量，然后与既定值进行比较后作出判断。同时，通过对刀具的检测也能实现对刀具磨损、破损或安装型号正确与否的识别。图二是对刀测量的几个示例：
A：正在进行刀具的长（高）度检测，B：正在进行刀具半径方向的测量，C：待检测的刀具此时已破损，通过对刀测量能及时发现并报警。利用对刀仪进行机内对刀，不仅节约了机外对刀时的人力、物力，提高了工效，而且对刀所处的环境与加工状态一致，能最大程度地减少由刀具夹紧力和温度变化带来的影响。
在“刀具状态检测”这种应用场合，检测信号采用的是前述电缆传送方式输入接口装置，或直接与机床数控系统连接。对刀测量装置有接触式和非接触（光学）式等两种，图二是较常用的接触式的示例。
- 机床加工参数的设定
通过在机量仪的在机测量，间接或直接地获取加工中心在执行下道工序时最合适的的加工参数，从而可大大提高工件的制造质量。这种有针对性的、智能化的工作方式在那些有配合关系或特殊要求的场合应用较多，如带缸套的缸体上平面加工、缸盖燃烧面的加工等场合。
- 确保正确的加工状态：工件、夹具的找正和补偿
所谓“找正”，是指为了保证工件的正确安装、定位而采取的相应措施。至于存在“不正”，则既有夹具方面的原因，也有工件自身因素的影响。无疑，加工状态的找正是确保工件加工质量的基础。另外，对于夹具“找正”过程中测得的偏差，以及由于受到温度变化和刀具磨损等渐变因素作用，加工状态的稳定性所发生的会影响到制成品质量的变化，在必要时还需采取一些补偿措施。在机测量系统在期间也发挥了重要的作用。
- 工件的自动检测
在一道工序完毕后，或者在所有工序都已完成后再对工件进行自动测量，即直接在机床上实施对制成品的检验，是机内在机测量的又一种功能。此时，相当于把一台坐标测量机移到了机床上，显然，这能大大减少脱机测量的辅助时间，降低质量成本。事实上，现今这种在机测量功能也确已十分强大，除了可进行各种几何元素的快速检测外，利用专门开发的软件还能完成脱机编程，通过在电脑中模拟，还可避免在机测量中可能发生的干涉、碰撞等现象。
2、应用实例
加工中心多年前在国内机械制造业已有所应用，但在机检测系统则还是近十年来才出现的一种过程控制设备和方式。由于能显著提升过程控制能力，提高制造质量、工作效率和降低差错，汽车行业、模具、航天航空及其他制造行业对其的应用逐渐广泛起来，而在汽车行业，汽车发动机、变速箱等工厂的应用日趋增多。以下一些来自汽车行业的生产实际的示例提供了充分的说明。
2.1、温度补偿和刀具磨损补偿
10年前，某发动机厂正在验收一条柔性缸盖自动生产线，在对其中二台加工中心几项关键线性尺寸参数进行设备能力评定时，发现机器能力指数都能满足要求。但当执行过程能力评价时，即对延续二班或更长时间的抽检数据进行统计分析时，就出现分散性较大，过程能力指数、值偏低的情况，即工序质量达不到规定的要求。经过对可能引起的原因较全面的剖析，确认是环境温度变化造成的，显然，若不采取补偿措施就难以消除由此引起的误差。最后，通过给机床添加了在机检测功能，终于彻底解决了问题。方法是：在刀库中配一触发式测头，根据预先设定的频次（如1次/10件），如同一把刀具般地取出，打在安装工件的夹具上的某一固定位置。由于正确地判断出这一位置的变化与受控关键尺寸之间存在着线性相关，因此就可以根据测得值的变化来调整进刀量，从而有效地实施了补偿。
同样地，进行温度补偿或刀具磨损补偿也可采用另一种方法。不久前，南方一汽车发动机厂为了确保加工缸盖上平面后的尺寸精度，采取了将在机量仪的测头打在铣削完毕后的工件表面上，按每10件1次的间隔进行测量。若发现有较大偏差，即根据设定的补偿方式自动调整加工参量。一般来说，受温度变化或刀具磨损的影响而带来的波动呈现规律性，据此可确定相应的补偿方式。
2.2、机床加工参数的设定
图三中的铝质缸体需锒嵌缸套，缸套是外购件，其安装平面（见图中绿色箭头所指）低于缸体上平面（见图中红色箭头所致），这台加工中心的一道工序即是加工该缸套安装平面。为了确保缸体上平面至安装平面的轴向距离h能控制在规定公差范围内，机床内设置了在机检测系统。
这道工序需控制的h值是由缸体的底平面到上平面的高度 和缸套的高度决定的，即：
h= --L
由于缸体底平面固定于机床夹具的支承面，后者是加工的基准面，而L是定值，因此为了确保得到一致的h值，就必须通过在机检测获取每个工件的 值后，再来确定对应的切削量m：
m= --（h+L）
具体做法是图三中的触发式测头顺序在缸体的上平面测量4个点，并按得到的数据取平均值，然后由之前的已设定值来求出相对应的切削量，作为下道工序加工缸套安装面时的依据。
2.3、夹具找正
图四所示的加工中心拥有一个硕大的、称为“交换器”的转台，在其直径方向安装了二个“托盘”，
其实是二个用于装夹工件的回转工作台，可背向安装二个缸盖罩壳。二个工作台所处位置总是对应机床前、后部的“上下料”和“加工”工位，即当一组工件处于加工工位被顺序进行加工时，操作工则在上下料工位从事工序完毕后的卸料和再次上料。“交换器”和“托盘”的回转精度很高，但前者在交换两个工作台位置时，必须先由举升机构将整个转台抬起，然后转动180°，再落入由四个锥体、锥孔组成的，依靠锥面匹配的定位装置。由于工作环境恶劣，难免会有冷却液带入的铝屑、杂物等粘附在定位面上，由此会造成转台的微量偏移，并传递到工作台（“托盘”）和其上的夹具。但定位装置的原理和结构决定了、也确保了微量偏移只可能是平移，而不可能是歪斜。从图4可见，被加工的缸盖罩壳是直立装夹的，若不对这一项引起误差的因素进行监控，将不利于保证工件的质量，为此，安排了在机检测的环节，用于夹具的找正，更确切地说，是通过“找正”进行补偿。具体的实施方法是在工作台上夹具的上部设一基准块，当工作台置于机床的加工工位时，在对工件实施切削加工前，动力头先调出测头，打在基准块的小平面上（见图四所示），通过与预先的设定值相比较来判断夹具的状态，当出现超出允许范围的偏差时，即通知操作人员或机修人员进行处理。根据图4所示的被加工工件的实际情况，这项允差范围定为±0.2mm，即当在机测量的结果小于±0.2mm时，认为可以通过补偿来解决夹具偏移引起的加工误差。并在之后的加工过程中，通过在切削量参数中引入对应的补偿值，以消除夹具偏移的带来的影响，从而确保工件的制造质量。
2.4、工件找正
被加工工件是一种新颖汽车发动机上的大型铝铸件—— 链轮罩壳，在这台机床的众多工序中，对其中4个孔的加工是极为重要的。图五中，从左至右显示了这些孔，其中第4个，也是最右侧一个正所处在待测（相当于“加工”）位置。为了确保孔的加工质量，在工艺上就必须使刀具的回转中心与工件毛坯孔的中心保持一致。但从图中可见，四个孔呈辐射、散布状，孔径和中心高又相差很大。在这种情况下，如果对每一个工件都仍执行一成不变的加工程序，那么即使是装夹中的细微差别，或是铸件自身的一些差异，都将会影响孔的制造质量。为此，必须先对工件进行图5 在机检测用于工件找正 “找正”，即利用机床的在机检测系统在加工前先逐个对每个毛坯孔进行测量。方法是通过在圆周的上下、左右共打4点来精确地确定孔中心的坐标位置，据此，再有针对性地执行各个孔的加工，显然，经过“工件找正”之后，各孔的制造质量就有了充分保证。此外，在找正的同时，还可以得到铸孔的毛坯余量，若进一步利用变量编程，还可以实现毛坯余量的自动分配，这样就既能保证孔加工过程中切削力不会过大，以免损伤机床和刀具，又能提高刀具的耐用度，以使工作效率达到最高。
3、在机测量的应用提升了工序质量
利用设置在加工中心内的在机量仪进行机内对刀，通过加工前的在机测量完成相关加工参数的自动设定，或对夹具、工件实施“找正”，并据此进行相应的修正、补偿，以及在加工后通过在机测量进行温度、刀具磨损的补偿。凡此种种，不但保证了零件的加工质量，而且能有效地提高生产过程运行的质量水平。图六是上一节实例4（2.4）的过程能力分析结果，选用的评价项是图五中测头正进行找正的那个孔： ，也是4个被找正的孔中要求最高的一个。为了验证实物的加工质量和生产过程运行的质量水平，根据一个月正常生产期间规范采样的数据，进行了统计分析。图六中，A是单值进程图，也称“散点图”，反映了这期间被加工项的变化趋势，B是直方图。据此，可计算出评价这期间生产过程运行质量的指标值——过程能力指数CP、CPK，得到的结果为：CP=3.24，CPK=2.95，显然表明了该加工中心的工序质量已达到了相当高的水平。
图七是上一节实例3（2.3）的过程能力分析结果。从图四-B可以看出，通过在机测量对夹具的“找正”和进行相应的补偿后，直接改善了精度的工件尺寸参数是与动力头轴线同向的高度值，因为这个值的大小完全取决于刀具对工件垂直面的铣削量。类似于上述对实例4的统计分析，为了验证工件的实际制造质量和生产过程的工序质量，也对近一个月来以规范抽检方式获得的数据做了分析，评定对象是工件一定位面到图四-B中被加工面的距离：20.4±0.2。从获得的单值进程图（图七-A）和直方图（图七-B），以及由此经计算得到的反映了这期间过程运行质量水平的指标——过程能力指数的值：CP=3.33，CPK=3.01，也表明了工序质量相当高。
