目前國內乘用車變速器齒輪為了達到高標準的 NVH 要求，避免齒面燒傷，普遍采用了強力珩齒的工藝作為齒面的最終加工工藝。實際應用中，由于珩齒切削效率的限制，強力珩齒對毛坯狀態(tài)和余量的要求很高，導致在很多零件加工時，難以避免地會出現(xiàn)因磨削阻力的變化引起的不同類型的振動，導致齒面一些帶有固定階次的振幅，反而讓零件的實際 NVH 表現(xiàn)變差，產(chǎn)生很多復雜而不好控制的質量問題。PRAWEMA 是目前國內應用較多的強力珩齒設備，其特有的振動監(jiān)測系統(tǒng)為 HRI(Hybrid Reactive Index)，能夠提升強力珩齒的加工質量。
1、在線振動監(jiān)控功能的原理
為了采集到設備加工時的振動數(shù)據(jù)，首先需要在機床的各主要快速運動部件上設置采集點，如圖 1 所示。
PRAWEMA 珩齒設備加工時的 3 個主要運動部件是：
(1)工件回轉軸C 軸，負責工件的夾緊和旋轉。
(2)珩磨頭回轉軸B 軸，負責珩磨砂輪的夾緊和旋轉。
(3)尾座移動軸U 軸，負責尾座的支撐和旋轉。
通過在 3 個軸上布置的振動傳感器，可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，并通過瞬時測量設備傳遞到 PC 端保存。
2、強力珩齒的加工過程
強力珩齒工藝是珩磨輪主軸和工件主軸分別通過電主軸驅動，同時通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)高度同步，加工過程工件沿軸向往復運動同時工件徑向進給。利用嚙合處的相對滑動，并在齒面間施加一定的壓力來進行磨削加工。表 1 列出了強力珩齒的幾個主要過程階段。
為了便于針對不同加工階段的數(shù)據(jù)進行篩選分析，在振動采樣時分別賦予一個數(shù)值代碼，不同數(shù)值代碼代表了不同的加工階段，表 2 列出了幾個主要加工階段的代碼。
正是由于珩磨過程中的應力和切削率低的特點，在加工過程中容易由于應力的周期性變化產(chǎn)生共振，進而導致零件表面呈現(xiàn)出周期性的紋理變化，從而導致齒輪在嚙合時產(chǎn)生噪聲。
3、HRI 系統(tǒng)的應用
HRI 頻譜界面
HRI 的頻譜界面采用實時監(jiān)控畫面，如圖 2 所示，其中橫坐標為頻率 / 階次，可通過設定按鈕進行切換，兩者的換算關系是：
式中：f——頻率，單位 Hz;O——階次;n——軸轉速，單位 r/min。
縱坐標為對應頻率 / 階次的振幅幅值，單位為 mg，圖形通過不同的顏色顯示不同的軸的實時振幅曲線。
對于機器而言，其運動過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)驗分析得出的部分已知的問題頻率和階次，便于使用者在分析解決問題時參考。
HRI analyze+ 的界面
HRI 系統(tǒng)針對加工時不同階段的振動數(shù)據(jù)進行了采集和保存，數(shù)據(jù)以 CSV 格式存儲在 PC 端，HRI analyze+ 提供了針對 CSV 文件的多種查看方式，可通過表格、曲線和色階譜線的方式進行分析。
CSV 文件可以通過路徑 :\……\HRIdata 文件夾進行獲取，包含以下子文件夾：
HriDebugLog 文件夾包含每一個工件隨時間變化的加工過程參數(shù)。
HriLog 文件夾包含每一個零件的 HRI 數(shù)據(jù)總覽。
HriFFTlog 文件夾包含每一個工件的各階段的頻譜數(shù)據(jù)，該文件是分析加工的振動的頻率的數(shù)據(jù)，以下簡稱 FFT 文件，后面將重點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、加工時間、零件代號、軸號和工步。
HriFFTlog 文件列表
FFTlog 文件導入到 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)，可通過時間或者工件記數(shù)標簽找到需要分析的數(shù)據(jù)段。
1. FFT 數(shù)據(jù)的篩選
因原始導入的 FFTlog 包含了所有的數(shù)據(jù)，分析時往往不需要對全過程所有零件和所有軸進行分析，通過過濾選項，可以篩選出對于零件加工質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)加工過程的異常，還需將列表數(shù)據(jù)轉換為光譜圖形式顯示。圖 4 通過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程中出現(xiàn)高幅值的區(qū)間。
3. 對光譜圖進行切片分析
為了更加詳細地看到高振動幅值區(qū)域的階次和發(fā)生階段，可以選擇對光譜圖進行切片，切片圖如圖 4 所示，右下角紅色曲線代表切片階次的振動曲線，黑色曲線代表對應的階段。
HRI 和 HRI analyze+ 在實際加工中的應用
1. 故障階次和階段的確定
舉例：某珩齒設備出現(xiàn)加工后零件齒 S 形，對比分析頻譜發(fā)現(xiàn)，相比于零件合格時期的狀態(tài)，本次故障時 32 ～ 36 階次在工作路徑存在明顯振動，已知高幅值振動區(qū)域后，為了判定該位置是否異常，可對比同一種工況下正常零件的光譜圖，如圖 5 所示，對比正常零件頻譜，在同位置未發(fā)現(xiàn)振動，該階次換算成頻率為 3081～ 3466 Hz，根據(jù)表 3 的經(jīng)驗，該頻率為尾座參與時夾緊系統(tǒng)的共振，重點排查工裝與尾座的同軸度，經(jīng)過重新校準精度，問題得到解決。
2. 故障預防
為了預防今后再次發(fā)生同樣問題，可以在監(jiān)控窗口進行限值設置和抽檢超過設置限值的零件。如圖 6 所示，對于階次(2±2)，珩齒階段 10，工件軸C 如超過 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險，需進行檢測，此舉可以有效避免風險零件的流出。
4、結語
本文只介紹了 PRAWEMA 強力珩齒設備振動分析的通用過程，這項工作在實際應用中是一個經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累的過程，因為所有的設備運行時必然存在振動，而判定哪些振動是正常的、哪些是異常的，需要大量檢測數(shù)據(jù)的積累，其影響因子也是復雜多變的，文中提到的對比分析法是最快捷有效的。本文介紹的振動監(jiān)控系統(tǒng)和分析方式，對于其他齒形精加工(如磨齒)設備利用振動監(jiān)控進行故障分析也有參考價值。
參考文獻略.