| 精镗自动补偿技术正不断地在现代汽车制造领域扩展它的用武之地。本文以发动机缸孔加工为例，概述了这项技术及其在国内主流汽车发动机厂的应用现状。同时，着重对精镗自动补偿系统的核心部分—─具有补偿功能的微调镗刀—─的代表性产品进行了剖析。 |
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缸孔精镗自动工艺的选择
在缸体加工中，缸孔精镗是最重要的工序之一，涉及的尺寸精度和形位误差，将直接影响到发动机的质量。因此，企业在规划这道工序时，会持十分慎重的态度，既要保证零件的实物质量和工序质量，又要结合产品和企业的实际情况采用最适合的方案。缸孔精镗的工艺选择牵涉到加工设备、镗削工艺、镗刀（包括刀片材料、是否带补偿功能等）等诸多因素。
自上世纪90年代中期以来，加工中心得到了日益普遍的应用，还出现了完全由加工中心组成的自动线，包括缸体线，但这是否就是一种发展趋势呢？事实证明，这只是一种可取的模式。
近年来，国际知名的机床供应厂商和汽车企业集团很看好并力主优先采用的是“混合型柔性自动线”，即一种组合/专用机床和加工中心相混合的柔性线，其优点是生产效率高，同时又具有相当的柔性，能够适合大批量生产和变型产品生产。在以这种模式加工缸体时，缸孔的镗削工序是由专用机床承担的。
与此同时，多年前已经配置使用的精镗自动补偿则进一步提高了缸孔精镗的加工质量。只是这一措施的有效性虽然得到确认，但作为一种工艺选择，企业在规划和实施时仍会出于经济性、适用性等各方面的考虑，最后根据自身的实际情况做出决定。
通过对国内20多家主流汽车发动机厂（包括柴油机厂）60余条缸体生产线的调查，对缸孔精镗采用的工艺技术有了比较清晰的了解。探明了缸孔镗削加工工序中采用组合/专用机床与加工中心的比例分配概况。
在我们调查的这60余条缸体线中，于2002年后建成投产的新线占了一半弱（47.5%），但在这些新线中，缸孔镗削工序采用加工中心的比例增加到45%。这表明近年来由加工中心组成的柔性自动线在发动机主要零件制造中的应用面在扩大。
然而相对而言，上述“混合型柔性自动线”还是稍占优势，按这种制造方式，缸孔镗削工序均是在专机上完成的。事实上，国内在2005年以后建成的多条具有先进水平的、有代表性的缸体线，如东风康明斯、上海通用L850项目、大众动力总成（上海）、大连柴油机厂、大众一汽发动机（大连）等，均采用这种模式。
至于带有缸孔精镗自动补偿功能的设备，其在全部被调查的60多条生产线中占54%。其中，当缸孔精镗采用专机方式加工时，带有这项功能的占64%。而采用加工中心时，仅有25%的工序有这项功能。
图1 精镗自动补偿系统的组成及工作原理 |
事实上，尽管精镗自动补偿是一项应用多年的成熟技术（过去也被称作“自动补调”），但随数字控制、检测等相关技术的不断发展，尤其是处于补偿系统核心地位的可微调镗杆的改进、完善，都已大大提高和扩展了补偿的效能，体现了这项成熟技术正在不断进步。
精镗自动补偿功能的实现
自动补偿系统由随机检测、（信号）反馈补偿和具有微调功能的镗头等三部分组成，在发动机主要零部件中，除缸体外，连杆加工中应用镗孔自动补偿系统也较多，但就补偿的原理和系统组成而言是完全相同的，参见图1。
其工作循环为：镗刀在加工孔后退出，由电子塞规（测头）对工件进行测量；然后测头退出，检测信息送入测量仪，经放大和A/D转换后即进到补偿控制单元，在其中进行运算后，做出相应的判断，若需要实施补偿，就发出相应的指令给补偿执行器；补偿执行器可以有不同的形式，图3所示的为伺服电机，此时需通过连轴器转换为拉杆的轴向移动，有时还需配以冷却液供应装置；最后，由拉杆产生位移，并通过具有微调功能的镗头（刀）引起镗刀的切削刃（刀尖）的径向位移，从而完成了镗孔过程中刀具的自动补偿。
在构成系统的三要素中，由测头/电子塞规与测量仪组成的随机检测部分其实与常用的线外检测装置相同。而在组成（信号）反馈补偿系统的控制器、执行单元和辅助部件中，控制器已经产品化，一般由随机检测的供应厂商配套提供。当采用伺服电机或步进电机作为执行机构时，还配以驱动电源。
著名量仪公司MARPOSS就采用这种方式与机床厂合作以满足用户需要。因此，在发动机厂规划人员做出的缸孔精镗自动补偿的工艺选择中，除了补偿的执行方式外，系统三要素中的最后一个—─具有微调功能的镗头（刀）的选择就显得很重要了。
必须指出的一点是，近年来，上述系统中的测量仪和补偿控制单元已经一体化，为通用的、以工控机为基础的计算机辅助测量系统所取代，如MARPOSS公司的E9066产品。
迄今，在精镗补偿系统中，采用斜楔机构的微调镗刀所占的比例仍然最大，虽然实际应用中的刀具在具体结构上会有所差别，乃至拉杆的驱动方式也完全不同，但基本工作原理均相同。
图2是这类镗刀的示意图，其中部的拉杆前端有一角度很小的斜楔，与斜楔紧密接触的是一杠杆上部的短柱，而杠杆下部的前端即安装有精镗刀片。这样，当拉杆前后移动时，就会引起刀尖的径向微小位移。依据已知的斜楔角度和杠杆比，就能建立拉杆的轴向位移量与刀尖径向位移之间的数学关系，从而实现量化的刀具微调。
但经由随机检测后输出的测量信息，又是如何转化为相应的补偿指令，并确定刀尖的径向位移量的呢？从图1可见，乃是通过控制单元（补偿控制器）对检测结果的运算、处理，并做出相应的判断后给驱动装置发出指令来实现的。只是运算、处理的模式，也就是执行补偿的数学模型必须由用户的工艺部门、质量部门根据自身情况来决定。下面是一个有代表性的例子。
1. 设置值：
（1）T为孔径公差，可表达为±T/2；
（2） k‧T为受控范围，可表达为±1/2k‧T ，即对公差T予以压缩（k<1），“+1/2k‧T”和“-1/2k‧T ”称控制线或警戒线；
（3）Xi是孔径的测值，在采用比较测量方式时，可看作是相对孔径名义尺寸的偏差；
（4）n是一次连续检测工件的数量，是进行运算处理的基数。
2.补偿条件：
（1）控制单元执行每次连续测量5个工件，然后取平均值的处理模式；
（2）当时，需要进行补偿；
（3）在需要补偿时，补偿量取，即把镗刀的刀尖位置调整到孔径的名义值，也就是公差的中点；
一般情况下，n取5，而k取0.5。
当然，也有发动机厂采用更为简单的补偿模式，如在某一生产批量很大的缸体生产线上，缸孔精镗采取“强制补偿”方式，具体做法是精镗刀片每加工10个孔，就自动补偿刀具的磨损量1μm。
以上介绍的精镗补偿系统，是一种死循环控制的反馈自动补偿，但实际上在汽车、柴油机等行业，真正用于缸孔精镗工序时，还有手动调整/补偿的模式，这种情况不仅存在于国内早期建成的发动机厂，至今还为一些企业所采用。
建成于上世纪80年代末的上海大众发动机一厂堪称国内最先投产的现代化汽车发动机厂之一，其缸体生产线是一条全部由组合/专用机床构成的刚性自动线，内中的缸孔精镗工序就采用手动补偿。奇瑞汽车发动机一厂的一条缸体“刚性”生产线，在缸孔加工中也采取相似的方式。但这并非只是企业早期的一种工艺选择，吉利汽车近几年建成的3条缸体生产线的缸孔镗削工序中都具有精镗补偿功能，只是均为“开环”的手动控制。
图2 斜楔型微调镗杆示意图 |
然而，即使都为“手动”，在具体做法上也有差别。在上海大众发动机一厂的缸体线中，相对以上图1所示的系统组成，其实只少了驱动装置。自动线中用于全检的随机检测量仪和控制单元还是能按预先设置的补偿要求自动给出补偿量，只是需要人工操作（一般在机床控制面板上执行）而已。
吉利汽车的模式就简单得多，生产线内不设置随机检测工位，操作人员只是依据线外设置的检具，根据在每一个抽检周期所得到的测量结果来决定补偿与否及补偿量。具体做法也是先在公差范围内建一警戒（控制）区域，当发现一个周期（如1小时）抽检的1件（或3~5件）的实测值（或平均值）超出警戒线后，就人工执行补偿操作，调整到公差的中间值。
微调型精镗刀的发展及对缸孔精镗工序质量的提升
1. 偏转机构微调镗刀的应用
虽然采取斜楔工作原理的微调镗刀仍有广泛的应用，但较晚出现的偏转机构微调镗刀也因其优越的性能在发动机行业获得了较多应用。近年国内新建的一些先进的连杆、缸体生产线的孔的精镗工序都已有采用这种新颖镗刀的实例。图3a给出了这种微调镗刀的工作原理。
简言之，刀片切削刃的径向调整r是通过偏转机构转换而带来的。偏转机构主要由调整叉、垫（滑）块和偏转轴等组成，从图3a可见，与调整叉同轴相连接的拉杆（图中未示）的轴向位移“s”使得壳体内的调整叉随之运动，调整叉内部两表面与中心线有一个夹角“α”。
起传递作用的偏转轴通过回转枢轴固定在壳体上，并借助两个垫块与调整叉两内表面相配合，因此当调整叉轴向移动时，偏转轴会产生相应的径向位移。长度为L的镗杆通过端面连接固定在偏转轴的左侧，刀片的切削刃位于镗杆前端。在图中状态下，刀刃的径向位移“r”与拉杆的轴向移动量“s”之间存在以下关系：
r=(A/B X tgα) X s
图3 偏转机构微调镗刀的工作原理及结构示意图 |
式中A=L+k1，k1是偏转轴的一个结构参数，图3b中的k1=10mm。
图3b是一种缸孔微调镗刀的结构示意图，采用了偏转机构工作原理，按图标结构参数，当补偿驱动装置有1mm的轴向位移时，刀尖相应的径向位移为16.25μm。或者说，为了得到刀尖1μm的径向补偿量，需要拉杆轴向移动0.062mm，这对一个可靠的伺服系统而言，是很容易实现的。
采用偏转机构的微调镗刀相比上节介绍的、已很成熟的“斜楔型”是否有技术上的一些优点呢？前者刀尖的径向位移是由偏转机构运动引起的，从图3可见，在由拉杆的轴向移动转换为切削刃径向补偿过程中，不存在配合间隙，故传递、转换精度比较高。
而“斜楔型”机构存在的配合间隙，会对补偿精度带来一些影响。另一方面，由后者的结构所决定，加上客观存在的细微配合间隙，会导致镗刀的密封性较差，而一旦油污、尘埃乃至微小的切削等进入刀尖，尤其粘附于配合部位，就会降低补偿效能。反之，从图3所示的偏转机构微调镗刀的结构可见，密封效果就较好。
2. 镗刀的微调功能在“半精镗/精镗一体化”中的应用
近年来，在缸孔、连杆孔的加工中，把半精镗/精镗合成为一道工序，在一个工位上先后完成半精镗和精镗的情况越来越多，而镗刀的微调功能在其间发挥了重要作用。
为此，在图3中的镗杆端部，将不但有位于下方的精镗刀片，还在上方安装一片乃至多片半精镗刀片，图4是一种用于缸孔加工的镗头示意图，其左视图上半部互成105°的3个刀片就用于半精镗。
按这种一体化的方式加工时，首先让图3a中的调整叉处在顶出位置，使偏转轴上的两垫块位于叉的后部，偏转轴上翘，镗杆被偏置了一个设定值“r”，以使刀片1的切削刃到达半精镗位置。这时的精镗刀片切削刃必然在半精镗直径之内，形成“让刀”。
之后，镗刀在前进中完成了孔的半精镗加工，接图3a中的拉杆后退，使3切削刃被移回一个偏置值“r”。而精镗加工就在镗刀返回时完成。至于“r”值的大小，取决于半精镗、精镗的名义值，此外还需考虑工艺上给出的公差以及其它一些因素。
当微调镗刀为“斜楔”型时，实施半精镗、精镗一体化加工的过程与以上描述相似，只是此时的半精镗刀片是安装在固定的、不会发生偏转的镗杆上。镗刀前进，实施半精镗加工时，也是先由拉杆移动，通过斜楔机构使切削刃缩回以完成精镗刀片的“让刀”后再进行。
半精镗/精镗一体化的优越性是十分明显的，主要有两方面。（1）节省了生产线一个工位，减少了投入，包括设备等硬件及车间场地；（2）由于在同一个工位、相同的装夹状态下执行两道加工工序，这就大大降低了传统的、分两个工位加工的方法可能会产生的制造误差，提高了工件精镗的加工精度。
3. 缸孔精镗自动补偿在加工中心中的应用
众所周知，连杆大、小头孔的半精镗、精镗基本上都是采用专机加工方式，而缸孔则不然，从前文中的介绍可知，近年来选择加工中心的比例已超过四成。但另一个显见的事实是这种情况下配备精镗自动补偿系统的才占四分之一，远低于采用专机加工时的近三分之二。原因何在？
 图4 加工中心的缸孔精镗自动补偿工作示意图 |
从技术层面看，这是与加工中心的刚性普遍不如专用机床，实现刀尖补偿的过程较为复杂，使用效果逊于专机有关。
但近年来，由（德）SANtech和（美）Valenite等公司开发的用于加工中心的缸孔精镗自动补偿技术，因较好地解决了一些棘手的问题而使其应用比例逐渐上升。在比较上述两家产品的工作原理和实现过程后，可发现还是有很多相似之处的，图5是该系统的示意图。
在图4的示意图a中，左边是微调镗刀，它像其它刀具一样地被放置在刀库之中。从图中可见，镗刀采用了“斜楔”式工作原理，且带有半精镗、精镗两种刀片。工序开始时，首先由换刀机械手从刀库直接取出镗刀进行自动换刀，然后机床主轴携刀具移动、定位到指定位置。
在执行工作进给之前，冷却液以一定的压力由刀具内部信道进入其前端，施压后使一个带斜面的活塞（右）后移，于是精镗刀片Ⅳ缩回。然后机床主轴工进，采用推镗的方式，由刀片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ同时完成缸孔的半精镗加工。
紧随刀具内部施压的冷却液的排出，一个强力压簧通过拉杆带动活塞（左）前移，后者下部的斜面就使精镗刀片Ⅳ胀出。至于拉杆与活塞为什么能联动，原因是两者之间有螺纹付连接。上述刀片Ⅳ的胀出量即相当于精镗的加工尺寸，图4a即显示了这精镗刀片胀出状态。之后机床主轴后退，再次完成又一次工作进给，采用拉镗的方式进行精镗。
当一个工件加工完毕，利用线上检具对经过精镗的缸孔进行测量，如发现差错变化—─主要是因刀片磨损的原因引起孔径减小—而需要实施补偿时，控制单元会结合微调镗刀实际的结构参数把对应的补偿量输入机床的数控系统。
而后加工中心的主轴就像机械手一般携镗刀移至一个调整装置的前方（见图4b），调整装置固定在工作台上某一确定位置。主轴让刀具前端插入该装置一个孔中，然后开始旋转。
由于刀具前端插入部分与镗刀中的拉杆为一体，而拉杆与带斜楔机构的活塞又是螺纹付连接（见图4a），因此当机床主轴使镗刀壳体连同活塞一起回转时，活塞将同时有轴向位移，使精镗刀片的切削刃按需要的量胀出，从而完成补偿。
至于主轴回转角度与刀尖胀出量之间的关系，取决于斜面角度和螺纹付导程等因素，按照（德）SANtech的产品规范要求，一般每旋转20°，切削刃将产生径向位移1μm。
 图5 缸孔精镗工序的过程能力分析实例 |
4.缸孔精镗补偿对工序质量的提升
无论是专机还是加工中心，在配置了缸孔精镗补偿系统后都对提高零件的加工质量产生了明显的效果，尤其是能有效地提升生产过程运行的质量。
精镗并非缸孔的最后一道工序，但已有很高的技术要求，孔径公差为±0.01mm，圆柱度需要控制在0.01mm。为此，设置在半精镗、精镗工位后的随机检测工位同时对缸孔上下三个截面、每个截面的两个方向进行100%的测量。并随时根据检测值的数据处理结果反映出的一些趋势发出信号，进行有针对性的精镗补偿。而为了验证精镗后零件的制造质量，还在线外设置了高精度的电子检具，以对实物加工质量和工序运行质量进行评估。
图5是一个来自某发动机厂缸体生产线缸孔精镗工序的实例，采用Grob公司的专机、SANtech的微调镗刀、MARPOSS公司的随机量仪和线外检测装置。根据在一周正常生产期间，按规定的抽检方式采集到资料并基于此进行统计分析。
图5中，a是单值进程图，也称“散点图”，反映了这个期间被加工缸孔尺寸的变化趋势。b是直方图，据此可计算出过程能力指数Cp、Cpk—─用于评价这期间生产过程运行质量的两项指针。从得到的结果（Cp=1.72，Cpk=1.71）看，经过如此配置的精镗工位，所能达到的工序质量水平是相当高的。 ■
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