凸輪表面磨削棱面是凸輪磨削加工中最常見又最難排除的質量缺陷之一，它來源于磨削系統的振動，砂輪與凸輪產生時重時輕或斷續的磨削與接觸，在凸輪表面留下的一道道不均勻的磨削或接觸痕跡，俗稱磨削棱面，專業名稱叫震紋，是零件表面的一種質量缺陷。若磨削系統內存在振動，磨削深度越小，零件表面的震紋越明顯，振源不同，震紋的特征也不同;通常有兩種震紋對凸輪軸的功能影響最大，一種是在凸輪表面形成的軸向多邊形棱面，深而寬，手感很明顯，如圖1所示，肉眼很容易識別，這種震紋叫“小棱面”;另一種是在凸輪表面呈現軸向白線條，淺而窄，手感不明顯，如圖2所示，肉眼很難識別，給人的感覺是時隱時現，很不明顯，這種震紋叫“顫痕”;這兩種凸輪表面缺陷都會給發動機功能帶來影響，增加了發動機的噪音，嚴重時，會使發動機在高速運轉過程中產生“哨聲”和“嘯叫”，影響汽車駕駛的舒適性，造成整車的質量缺陷。因此，國際上各大汽車企業對凸輪表面的“小棱面”和“顫痕”的質量控制都非常嚴格，大多數企業為了避免用戶退返，采取100%的目視檢查來防止有“棱面”的和有“顫痕”的凸輪軸流入到裝配。這不僅增加了質量控制成本，而且漏檢的風險仍然存在;企業應采取一些積極預防性措施來防止凸輪軸磨削過程中產生“棱面”和“顫痕”，要從源頭消除磨削震紋的產生，這才是提升產品質量的關鍵。
圖1 棱面比較明顯的凸輪表面
圖2 棱面不明顯的凸輪
凸輪表面“棱面”和“顫痕”檢查目前存在的問題
凸輪表面“棱面”和“顫痕”實質就是凸輪回轉表面因磨削不當而在其表面形成的一種微觀結構。就頻率而言，它們介于高頻的粗糙度和低頻的形狀誤差之間，屬于“圓周波紋度”范疇，經驗表明，此時的頻率約在45~350UPR之間，具體說，“棱面”發生的頻率在45~75UPR，“顫痕” 發生的頻率在75~350UPR。凸輪表面磨削震紋檢查不同于常規的幾何參數，如尺寸公差、角度公差、形狀和位置公差、表面波紋度及表面粗糙度等幾何量參數檢查，這些幾何量參數都有國際標準或國家標準來定義，有一定的公差等級和具體的界限值，全球都執行這個標準，同時有全球認可的檢測標準或檢測規范，有大量的通用檢測設備或專用檢測設備來測量，按標準執行，很容易控制;凸輪表面震紋也不同于常規的功能參數，如泄漏量、容積及功率等，這些功能參數都有行業標準或企業標準來規范，大多數企業都積累了大量的經驗值和具體的判定標準，有一系列的檢測規范和專用檢測設備，汽車行業都執行類似的規范，或者借鑒這個規范再根據自身企業實際制定本企業規范，也容易控制;無論是幾何參數還是功能參數都有量化的標準，但凸輪表面震紋控制，目前還沒有量化標準，更沒有行業標準和國際標準，僅有的是一句定性描述——“凸輪表面不允許有棱面存在”，目前沒有一家產品圖紙或工藝圖紙能夠給出一個定量標準，更沒有專用檢測設備來檢測，大多數企業都是依靠人的感官來定性判斷，這就給凸輪表面棱面的符合性判定或控制帶來了一定的不確定性，而且很容易引起爭議，造成制造成本的增加，同時給產品質量控制帶來了風險。因此目前凸輪表面“棱面”和“顫痕”控制存在的最大問題就是沒有量化的判斷標準，缺少專用的檢測設備和檢測分析方法，可以借鑒的應用案例較少。
因此，研究探索凸輪表面棱面的量化標準和檢測分析方法有一定的現實意義，對提升發動機性能具有積極的推動作用。
凸輪表面棱面目視檢查法介紹
目前，絕大多數汽車制造企業檢測凸輪表面“棱面”和“顫痕”的方法是采用目視定性檢查法，具體檢查方法有三種：第一種方法是直接拿一根凸輪軸在白光下觀察每個凸輪表面一周是否有沿軸向方向上的直線白條紋，如果看不出就認為零件無棱面，或者用手沿凸輪軸向凸輪表面方向上感觸，如果感觸不到棱角的存在，就認為凸輪沒有棱面;第二種方法是用一根沒有棱面或者是棱面高度較淺、不影響使用功能的零件作為樣件，將被檢測的零件與樣件做比較在白光下觀察或用手觸摸，被測凸輪表面棱面感覺不超過樣件棱面感覺的認為合格;第三種方法是采用著色法檢查，就是在凸輪表面涂紅丹粉或綠丹粉，然后用一個液壓挺桿或搖臂放在凸輪表面上且施加一定的力，旋轉凸輪一周或數周后，觀察凸輪表面的涂紅丹粉或綠丹粉是否呈現很明顯的白色條紋，如果有，說明凸輪表面有棱面，如果沒有，說明凸輪表面沒有棱面。另外，用這種檢查方法如果發現有白色條紋，還可以數出棱面數量，如果數量低于50個，一般認為是不可以接受的棱面，如果數量大于50個，認為不影響零件功能，可以接受。
以上三種棱面的目視檢查方法在凸輪軸制造企業廣泛使用，且有一定的判斷能力，尤其對于磨削系統低頻率震動產生的較寬、較深的棱面判斷效果非常明顯，但對于磨削系統高頻震動產生的“顫痕”就無能為力了。這些高頻震紋，如果振幅較大，同樣可能在發動機高速運轉過程中產生噪音，因此對高頻振幅也應該進行有效控制，給出一定的界限值，一旦超出這個界限值，就應該及時調整磨削系統的震動，將其控制在一個合理的范圍，問題是如何檢測出這些高頻震紋的振幅呢?
凸輪表面棱面高度測量方法探索
ADCOLE震紋分析軟件的功能簡介
世界最早的自動化凸輪軸檢測設備制造商──美國ADCOLE公司，近年來根據用戶的需求開發出了一款凸輪軸顫動分析軟件，是目前分析凸輪軸棱面和震紋高度較成熟的一種震紋分析方法，其原理就是利用諧波分析原理，使用“快速傅立葉變換”算法將凸輪表面圖形還原成一系列頻率的波形并計算每一個波形的最大幅值，用戶通過對一組諧波最大幅值的分析判斷，確定零件運轉過程是否會產生噪音，進而判斷零件棱面和震紋的符合性，對零件質量實施監控。
ADCOLE顫動分析軟件提供了3種顫動分析方法：標準方法、可選方法、標準方法加上去除在區域1開始UPR的80%UPR數據，3種顫動分析方法通過指令197來選擇。
第1種方法為標準方法，計算在規定角度(根據指令192)內數據的離散“傅立葉變換(DFT)”。變換長度等于每轉的數據點數(N)，該變換經過標準化，即給定頻率(每轉的波動)的正弦波一個單位振幅，將產生在該頻率的一個單位的傅立葉系數振幅，然后在整個規定的區域編號上確定傅立葉系數的最大振幅，例如：10-50，50-150，150-500 UPR。
第2種方法為可選的方法，用快速傅立葉變換(FFT)的冪，代替N長度的 DFT。此外，最小二乘線用所選的數據構建后從原始數據中減去，然后在整個規定的區域編號上確定傅立葉系數的最大振幅，例如：10-50，50-150，150-500 UPR。
第3種方法為標準方法加上去除在區域1開始UPR的80%UPR數據的方法，該方法具體指用標準方法還原UPR數據，同時去除80%的UPR數據，這些數據低于區域1 UPR的開始角。
下面我們通過一個凸輪軸檢測實例分別用三種顫動分析方法分析凸輪表面震紋，觀察三種分析方法有什么差異，以明確我們在實際應用中如何選擇合理的顫動分析方法。
圖3 帶有基圓跳動的凸輪軸升程誤差圖形
如圖3，這是一張被測零件的凸輪升程型線誤差圖形，從這個標準凸輪軸誤差圖形上我們可以看到凸輪軸在基圓區域的某些形狀誤差，特別是在第3和第4桃形處，該形狀誤差影響了高頻UPR區域的顫動分析數據。將該數據可以用第1種標準顫動分析方法(指令197，初始化A-1)和第3種方法80%濾波器方法(指令197，初始化A-3)進行還原，得到圖4、圖5顫動分析，比較圖4與圖5，就會發現80%濾波器方法，通過過濾掉低于第一區域的規定開始角度的80%的UPR，降低了形狀誤差的影響。
圖4 用標準方法顫動分析的線形圖
用第一種方法即標準方法還原誤差數據得到如圖4所示的顫動分析圖，從圖3中可以看出：由于顫動引起的噪聲，被基圓跳動的形狀誤差引起的噪聲所掩蓋。仔細檢查，發現在178UPR周圍的數據有較高振幅。用第二種方法即可選方法還原誤差數據得到的顫動分析圖同圖4類似，沒有看出明顯差異，接著我們用了第三種方法即80%濾波器來還原數據。
用80%濾波器方法來還原數據時，該方法自動將形位誤差影響(基圓形狀、徑向跳動)從顫動圖形中去除。得到如圖5所示的顫動分析圖，實際顫動清楚地出現在178UPR的高振幅處。
圖5 用80%濾波器還原誤差數據顫動分析的線形圖
通過實例分析可以得出這樣的結論，第三種顫動分析方法可以將震紋從輪廓誤差和形位誤差中分離出來，分析報告更直觀，更容易發現不正常諧波造成的震紋，因此分析方法也最精確。我們在實際生產應用中大多采用第三種方法即80%濾波器來還原數據。
顫動分析軟件為用戶提供了3種顫動分析報告：條形圖、線性圖或二者均有。
震紋分析軟件檢測凸輪軸棱面高度應用實踐
我們在2008年11月份，驗收德國Junker兩臺凸輪軸磨床時，供應商以磨削棱面無量化標準問題與我們檢查人員產生了分歧，拒絕調整設備。我們就利用ADCOLE測量機上的震紋分析軟件，在該品種凸輪軸磨削工序OP50的凸輪升程誤差測量程序中加入了幾行顫動分析指令，輸出顫動分析報告，但就諧波范圍的如何劃分、顫動分析方法的選擇、顫動分析報告的選擇等幾個方面遇到了問題，其中最關鍵、最有可能產生爭議的幾個問題是：對不同的諧波區域如何設置有意義的公差、哪些諧波范圍的振幅是棱面，哪些諧波范圍的振幅是顫痕，哪些范圍振幅又有可能是測量機的噪音不應當分析，以及如何與目視測量相對應等等。由于ADCOLE凸輪軸震紋分析軟件是近年來才開發的，再加上震紋分析沒有標準或規范，國內汽車行業應用很少，國際上也不多，因此，無法借鑒同行業的經驗數據。于是我們通過大量檢測零件，同時查閱了大量資料和國際上少數幾家的應用案例，最終解決了這幾個關鍵問題。
諧波范圍的劃分主要是確定我們進行顫動分析時選取多大的頻率范圍，將頻率范圍劃分為幾個區域比較合適，以及每個區域的開始頻率與結束頻率的如何選擇。我們當時解決這三個問題主要依據是圓度測量時濾波器選擇方法的國際推薦標準，美國三大汽車公司的一些凸輪軸產品的技術要求，日本幾個主要汽車零部件制造商的凸輪軸產品的技術要求，ADCOLE測量公司的一些經驗數據及汽車行業圓度測量普遍采用的一些經驗數據，結合我們自身產品的技術要求與實際測量實驗的結果，確定了我們進行該產品顫動分析時的頻率范圍為45UPR~350UPR，劃分為7個區域：45~75UPR、76~89UPR、90~119UPR、120~169UPR、170~230UPR、231~305UPR、306~350UPR，每個頻率范圍首先預置一個較大的振幅作為最小初始公差值，分別為0.00050、0.00045、0.00004、0.000035、0.000030、0.000025、0.000020，單位mm，最終的公差需要根據收集的大量零件測量結果的顫動分析報告結合零件功能試驗結果再最終確定，以便確定最佳的質量控制精度。
我們選用的數據分析范圍為0°~359°，即凸輪軸一周360°范圍內數據，主要考慮凸輪軸一周內均有可能產生震紋。選用的顫動分析方法為標準方法加上去除在區域1開始UPR的80%UPR數據的方法，即第三種分析方法，目的就是去除輪廓誤差、形位誤差對棱面或震紋分析的影響。選用的顫動分析報告形式為條形圖和線性圖二者均有的圖形報告，目的是可以清晰觀察最大振幅所處的頻率范圍和震紋在整個頻率范圍的波動趨勢。
于是我們開始了建立“基本”頻譜的測量試驗和收集工作，我們根據棱面目視檢查的結果選擇了三種類型的零件進行測量，第一種情況的零件是工藝人員、檢查員、操作工及測量人員都認為目視無棱面的零件;第二種情況的零件是都認為目視有棱面的零件;第三種情況的零件是部分人認為目視有棱面，部分人認為無棱面，也就是目視棱面不明顯的零件。兩個月內，我們測量了近200根凸輪軸，建立了初始“基本”頻譜。然后根據顫動分析報告從這200根零件中選擇了8根零件做2小時的發動機臺架試驗，主要觀察這些零件在發動機不同速度的運轉過程中是否會產生附加噪音，依據臺架試驗報告，我們得出了一些有實際意義的重要結論，如可能產生發動機噪音的諧波區域與最大振幅，可以通過目視發現的諧波范圍及振幅的最大值，通過目視不能發現的諧波范圍及振幅的最大值，哪些諧波范圍的振幅是顫痕，哪些諧波范圍振幅是棱面，哪些諧波范圍振幅是由測量機的噪音造成的不會產生發動機噪音也不應當分析的，以及如何與目視測量相對應等重要結論。
圖6 有棱面有噪音的零件顫動分析報告圖
如圖6所示，只要頻率在45~75UPR范圍內諧波的振幅超過了0.0003 mm的零件在臺架試驗時就會發出噪音，振幅越大，噪音也越大，而且這種零件目視棱面明顯，不同崗位的人都可以識別。
如圖7所示，頻率在45~75UPR范圍內諧波的振幅低于0.0003 mm，這種零件目視棱面不明顯，4個人有2個人看不出棱面，但在臺架試驗低速運轉時也會發出噪音，可能的原因就是頻率在169~230UPR范圍內諧波的振幅高于0.0003 mm產生的顫動引起的噪音。
圖7 無棱面有噪音的零件顫動分析報告
如圖8所示頻率在45~75UPR范圍內諧波的振幅低于0.0003 mm，頻率在75~230UPR范圍內諧波的振幅低于0.0002 mm，這種零件目視棱面不明顯，在臺架試驗時也未發現有附加的噪音，但從報告上看 230UPR范圍以外諧波的振幅高于0.00015 mm，后來發現近200個顫動分析報告都有頻率230UPR范圍以外諧波的振幅高于0.00015 mm的現象，這可能是測量機的噪聲產生的，不應該把這些諧波當做零件的震紋來分析。
圖8 測量機的噪聲產生的諧波振幅
通過對200張顫動分析報告的分析，我們最終確定了驗收該產品凸輪表面是否存在影響零件功能的震紋的頻率范圍為45UPR~230UPR，劃分為5個區域：45~75UPR、76~89UPR、90~119UPR、120~169UPR、170~230UPR，每個頻率范圍振幅公差值分別為0.00025、0.00020、0.00015、0.00015、0.00015，只要被驗收的磨床連續加工的35件零件震紋分析報告都在該公差范圍內，我們就認為該設備加工零件棱面問題可以通過，并且將這個棱面檢查標準列入到質檢工藝卡和產品的技術要求中，不僅用于產品的驗收，而且用于現場的質量監控，且規定了每班一次的檢查頻次;隨后我們將這個棱面量化標準發給了Junker供應商，供應商按約在2009年2月底來到生產現場，通過一周的調試，最終兩臺磨床連續磨削的6個品種零件各35件零件表面棱面都達到了這個標準。
目前我們對襄陽機加工廠所有凸輪軸產品的磨削加工都采用了這種預防性凸輪表面棱面監控措施，當我們每班通過震紋分析獲得的圖譜中發現有超過設定的監控振幅值時，我們就認為此時磨削后的凸輪存在隱患，必須調整相關加工參數改善表面微觀結構后，設備才可以繼續生產。通過近三年的凸輪表面震紋分析方法的實踐應用，我們全系列的凸輪軸產品未發生一次售后退返的質量事故。
凸輪磨削震紋產生的原因及解決措施
低頻率震紋(小棱面)產生原因及解決措施
如圖1所示的凸輪軸表面多邊形棱面震紋，振痕深而寬，手感最明顯，這多來自工件系統的振動，振幅較大，頻率較低，一般在75UPR以下，其產生的主要原因如下：
(1)工件不平衡或轉速太高，磨削時產生顫抖，改進措施：改善工件旋轉時的平衡條件，如在夾具上加配重;適當降低工件轉速。
(2)工件細長、剛性不足，磨削時產生顫抖，改進措施：提高支承剛性;降低進給速度、磨削深度及工件轉速;把砂輪修粗一點。
(3)工件中心架支撐塊與工件未經磨合，接觸不良，產生振顫，改進措施：用工件與支撐塊對研;注意給支撐塊加潤滑油。
(4)工件頂尖孔有多棱形，或頂尖與頂尖孔接觸不良，產生振顫，改進措施：提高頂尖孔質量，如增加研磨工序;在頂尖孔內加潤滑油。
(5)工件頂的過緊或過松，過緊產生彎曲，過松出現晃動，改進措施：頂緊工件，以手轉動工件不感吃力為宜，軸向左右推動工件不應有竄動;調整后頂尖彈簧壓力。
(6)頭架主軸承磨損、松動，撥盤、撥桿松動或剛性不足，改進措施：調整和更換磨損的軸承;緊固撥盤和撥桿，采用剛性好的撥桿。
(7)砂輪主軸間隙過大，又加上砂輪嚴重不平衡，產生了振幅較大的振動，改進措施：調整軸承，平衡砂輪。
高頻率震紋(顫痕)產生原因及解決措施
如圖2所示的白線條高頻震紋，振痕淺而窄，這一般來自砂輪系統的振動，振幅較小，頻率較高，一般在75~230UPR之間，其產生的主要原因是磨削系統的各種振動，具體如下：
(1)砂輪不平衡，轉動時引起主軸振動;改進措施：提高砂輪平衡技術，如經過2次平衡、采用動平衡等。
(2)砂輪主軸與軸承配合間隙大，旋轉時產生徑向跳動，改進措施：檢查配合間隙是否在0.02范圍內。
(3)砂輪硬度過高或硬度不均勻，缺乏自銳性，磨削時產生自激振動，改進措施：檢查砂輪硬度是否符合工藝要求，適當提高工件速度或降低砂輪速度。
(4)砂輪已磨鈍或未修整及修整量不夠修整砂輪，改進措施：檢查修整工具是否磨損，適當增加修整量。
(5)砂輪修整太光，或金剛石頂角已磨損，改進措施：正確選擇修整速度與進給量;更換新的修整工具;使用充足的磨削液。
(6)砂輪粒度過細或直徑已小，磨削性能降低;改進措施：依據工件質量要求，正確選擇砂輪粒度;減小磨削余量，適當降低進給量;提高砂輪修整工具的速度或增加進給量，把砂輪修粗一些。
(7)電機振動引起砂輪架振動，改進措施：更換電機;采取隔振措施，座底墊橡皮。
(8)砂輪主軸磨損不圓，使主軸產生跳動，改進措施：修復主軸精度，保證主軸徑向跳動不超過0.005。
(9)砂輪主軸傳動帶未拉緊或過緊都可能使主軸產生跳動，改進措施：調整傳動帶松緊度。
(10)工作臺運動不平或床身導軌磨損變形使磨削不均，改進措施：修理導軌，達到慢速無爬行。
以上僅列舉了凸輪軸磨削過程中產生震紋的部分原因，有經驗維修工程師可以直接根據震紋分析報告中的超差振幅的頻率范圍，快速查找到產生震紋原因，及時恢復設備精度，保證產品質量。
結束語
隨著汽車市場競爭的加劇，各大汽車公司都在努力提高自己的產品質量，降低經營成本，提高勞動生產力，過去靠目視、靠感官檢查的微觀質量項目，現在越來越多地需要用儀器檢查，需要量化標準，只有依靠數據說話，才能減少爭議，規避質量風險;同時數據檢查有利于實施質量預防，對質量改善起著積極推動作用。凸輪軸棱面高度的數字化測量方法的研究與應用就是很好的一個例子，汽車零部件中還有許多類似的定性質量檢查項目需要轉化為定量檢測，所有這些定性項目的量化還需要檢測儀器制造商、汽車主機廠及零部件制造商等共同努力來解決。
來源：中國機械與金屬
本文來自: 中國潤滑油信息網(www.sinolub.com) 詳細出處參考：http://js.sinolub.com/2012/1123/article_239.html
