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图1 曲轴机床布局
为保证曲轴加工的质量和精度，上汽通用五菱利用Q-DAS分析系统对加工零件的测量数据进行分析，实现了过程控制。发生问题时，通过二维码追踪系统，快速查找问题发生点，从而抑制问题继续发展。通过不断努力，其曲轴线FTQ达到98%以上，将报废率控制在0.3%以内。
曲轴数控柔性生产线是一个复杂的制造系统，各工序之间的尺寸关系对产品质量的可靠性有重大影响，如何进行产品质量的过程控制和查找质量问题的发生点成为曲轴线柔性生产的关键。所以，引进计算机软件进行数据辅助分析，对于曲轴的生产是非常有益的。
曲轴线概况
某发动机曲轴线有机床29台，共15道加工工序，工序间的零件转移由机械手完成，整线配备了二维码追踪系统对零件进行100%的追踪，每个工序采取多台机床并行加工的方式。具体的布局如图1所示。曲轴线加工的质量指标要求为：一次下线合格率（FTQ）≥98%；报废率≤0.3%。
图2 B系列直列4缸发动机曲轴
该曲轴线的一次下线合格率FTQ从2008年1月份的90%逐渐提升到2009年1月份以后98%以上的稳定状态。2009年开始，我们尝试采取Q-DAS数据分析软件对下线加工尺寸进行分析，用以查找出问题所在，并进行解决。经过实践证明，取得了很好的效果，对FTQ的提升，起到了关键性的作用。
曲轴加工的精度要求和加工难度
轴颈的形状精度要求控制在0.005mm，连杆颈与主轴颈的平行度要求为0.005mm，直径的公差为0.012 mm，主轴颈的跳动要求为0.03mm，端面跳动要求为0.02mm，轴颈表面粗糙度要求为Ra 0.16umm。
图3 测头工作不稳定，造成直径超差的尺寸统计
曲轴在加工过程中易发生变形，零件对加工切削力的大小非常敏感,再加上复杂的加工工艺和高精度的要求，给发动机曲轴的加工带来了一定难度，所以在曲轴的实际生产中出现了各种各样的质量问题。在此以上汽通用五菱曲轴线生产的B系列直列4缸发动机曲轴为例(见图2)，对在曲轴数控柔性操作中所遇到的一些质量问题进行分析，并探讨解决方法。
解决质量问题现场使用的方法
对于测量数据的统计与分析，采用Q-DAS分析系统，这是预防性控制与质量问题的定义；对于零件的追踪系统，采用二维码追踪系统，记录每一个零件在每一个工序的加工信息，当出现问题时，通过对异常零件进行加工过程的调查，可以精确地找到发生问题的机床。表中记录了2008年造成曲轴下线超差的统计，下面进行具体分析。
图4 轴颈的一个节面尺寸分布
1.造成曲轴下线直径超差的主要因素和解决方法
曲轴各直径的加工分为三个工序：粗加工（主轴颈采用车削加工，连杆颈采用铣削加工）——精磨——抛光。最后确定主轴颈、连杆颈直径精度的工序是抛光，抛光的第一个工步为粗抛，其作用是通过MARPOSS测头对抛光直径进行实时监控，当抛光的直径达到设置要求时，主轴颈会自动松开抛光夹臂，连杆颈会把抛光臂抛光压力降到低压，等到最后一个轴颈达到尺寸后松开夹臂完成抛光。影响主轴颈、连杆颈抛光直径精度的因素包括：
（1）测头工作不稳定造成的直径超差，其尺寸统计表现如图3所示。该尺寸的公差为（37-0.005）/（37-0.017）mm，实际加工的零件尺寸分布平均跨度为0.008 mm，虽然从图中我们未发现有零件尺寸超差的情况出现，但是变化范围很大，这说明机床加工零件的稳定性在变差。当出现这样的情况时，我们需要确认。
图5 调整机床锥度前后的统计对比
（2）轴颈有锥度造成直径难以控制产生超差。抛光时，每一个轴颈只有一个监控测量，因此只能对一个直径节面进行控制，而终检机每一个轴颈有三个监控测量，出现轴颈有锥度时，会造成轴颈直径难以控制。精磨轴颈和抛光轴颈是造成某个轴颈锥度可能性很大的两个加工工序，原因在于生产线的精磨轴颈由两台机床同时完成，而抛光只由一台机床完成，我们通过最终测量机的统计功能能够判断出是哪一个工序造成的：如图4所示，轴颈的一个节面尺寸分布为两个集中点，这说明零件在精磨轴颈时就已经造成了锥度，抛光时并没有改变。出现这样的情况时，我们只需要收集两个尺寸点的零件二维码号，通过追踪系统（QC&A）查到造成轴颈锥度的机床，然后通过调整修整锥度补偿，将其恢复正常。图5为精磨工序中一台机床有锥度经调整与调整前的统计对比。
当统计显示的图形为尺寸集中在一处，尺寸偏离中心时，基本上可以判断为抛光机抛光后造成的轴颈锥度，造成轴颈锥度的主要原因包括：①抛光带未完全覆盖整个轴颈，当抛光轴向来回振荡时会造成轴颈未覆盖有抛光带的边缘直径偏大；②抛光压块下有杂物，造成抛光时压在轴颈表面的压强失衡，造成压有杂物的部分抛小，此情况可检查抛光带，会发现抛光带有明显的压痕；③抛光油只喷到轴颈的一侧，造成未有抛光油的轴颈部分无法把抛光产生的粉末带走，使得去除余量慢，形成锥度；④抛光压块未完全覆盖整个轴颈，这种情况与抛光带未完全覆盖结果一样。
图6 曲轴抛光机油温对加工尺寸的影响
（3）机床温度变化造成的尺寸不稳定。抛光机的抛光油温度上升，使得加工尺寸呈现明显的上升趋势，当上升到一定值时，尺寸基相得到稳定。对此，做决策时需要准确把握机床的热变形特性。图6是在不做尺寸调整的情况下抛光机开班加工时，抛光油温度变化与直径之间的情况：其温度一般控制在20～25℃之间为好。
（4）人为调整或测头磨损造成的尺寸超差。人为调整造成的偏差可以通过检查发现，针对前后较为明显的尺寸变化调整加工尺寸；而测头磨损造成的尺寸变化为一个淅变的过程，两者可以明显地区分开。图7为曲轴主轴颈直径加工尺寸的统计图，从该图可看到两次比较明显的尺寸上下波动，这是过程尺寸调整控制的结果：当操作员发现尺寸呈连续下降的趋势时，在还未造成尺寸超差之前提前把加工尺寸作了调整；由于磨损造成的尺寸变化如图8所示，此时观察统计图如果尺寸集度很好，说明制造系统还处于一个稳定的状态，只需要通过调整加工的测量补偿就可以完成调整。
2.造成曲轴油封圆度超差的主要因素和解决方法
曲轴轴颈圆度精度主要靠磨床来保证。在磨床加工中造成圆度超差的情况主要有：
（1）机械因素造成的圆度超差。曲轴油封圆度由磨床进行控制，在磨削加工中，保证油封圆度主要依靠夹具的精度，磨床的夹具主要由顶尖、中心动支架及驱动销组成，三者对油封圆度影响最大的是中心支架。加工过程中，中心架对曲轴中间的2个主轴颈进行浮动支撑，以减小曲轴的挠度变形。当中心架支撑磨损或者动作异常时，会导致零件在加工中出现弯曲变形，或使工件发生振动，从而直接造成零件振动，产生波纹和中间下凹的情况。对于不同的零件，中心支架的夹紧力大小应根据加工零件中心支架的夹痕来确定，与中心支架夹紧面接触的零件部分由于有相对磨擦，在切削液的作用下会产生一条灰色的磨擦夹痕，观察其夹痕，如果呈深黑色，表示夹紧力过大，这种情况下再加大夹紧力有可能会造成主轴回转阻力增大，产生加工零件形状偏差问题；夹痕的颜色如果很浅，说明夹紧力不足，会造成曲轴中间支承不足，曲轴加工完成后弯曲，主轴颈径向圆度超差。
图7 曲轴主轴颈直径加工尺寸统计
（2）测量系统造成的圆度超差。机床有自动的锥度补偿功能，数控磨床加工零件时通过分布在第一主轴颈和第二主轴颈的两个测量头向系统反馈加工的状态，当反馈的加工尺寸相差超过一定的范围时，机床会自动将砂轮主轴偏移一个角度，补偿曲轴两端的直径差异。当测量出现不稳定状态时，它反馈给系统的信号时大时小，系统根据测量的信号，不断地前后补偿锥度，会造成曲轴轴颈有规律的圆度超差。解决此类问题可以更换精度不良的测头，调整各个测头位置，确保位置正确。更换传感仪器，确保测头采集信号准确不失真。测量放大系统的接地部分也非常重要，如果接触不良，测头反馈的测量信号会不稳定，造成机床错误地补偿，加工零件圆度或尺寸超差。增加测头的冷却管路，确保测头一直处于与加工零件同样的温度，减少因温度差异造成的测量误差。
3.造成曲轴止推面宽度超差的主要因素和解决方法
曲轴止推面宽度是曲轴的重要尺寸之一，止推面宽度加工经过三道工序：粗车——精车——抛光，其中保证宽度精度的加工工序为精车工序。精车止推面的过程为：测量——根据测量结果分中——加工——测量——补偿下磨损偏。当测量产生误差时，会造成止推面宽度加工超差。解决止推面宽度超差的方法在于，如何在测头测量不准确的时候进行防错。具体方法主要包括：定期对测头进行校对；在加工程序中进行防错：第一次测量结束后，在程序中增加测量结果的判断语句，这样当出现测量不准确时也不会造成零件报废。
图8 磨损造成的尺寸变化
4.造成曲轴第三主轴颈径向跳动超差的主要因素和解决方法
加工比较细长的曲轴很容易造成主轴颈跳动的超差。造成主轴颈跳动超差的因素主要有：曲轴的应力释放造成的变形；机械外力作用下的曲轴变形；精加工的定位误差造成的轴颈对定位基准的跳动超差。
（1）要解决曲轴应力释放造成的变形，首先要保证曲轴毛坯有足够的时效时间，以确保铸造产生的应力得以释放，其次要保证加工余量的均匀，特别是精加工余量。
（2）机械外力作用下的曲轴变形。这种变形主要有三种情况：①切削力造成的变形；②夹具夹紧力造成的变形；③意外的磕碰造成的冲击变形。解决前两种情况造成的变形可采用优化切削用量、刀具等方案，通过实验找到适合的加工方式、夹具夹紧力大小及夹紧点来解决；第三种情况可通过检查超差零件的外表面是否有外力磕碰的伤痕即可确定。
（3）精加工的定位误差造成的轴颈对定位基准的跳动超差。这种情况主要关注曲轴主轴精磨工序的定位，但曲轴成品的要求并没有主轴颈相对于中心孔的跳动要求，所以此项误差只作为判断机床夹具是否需要调整的预警信息。
图9 曲轴加工的凸缘端到止推面的轴尺寸统计
5.其他问题的分析与解决
（1）有规律的尺寸波动。图9为曲轴加工的凸缘端到止推面的轴尺寸统计，从图中可以看到尺寸在呈连续上升趋势一段时间后突然下降，然后再连续上升。经调查发现，其尺寸的变化与机床的刀具磨损、换刀时间吻合，尺寸的连续上升为刀具磨损造成尺寸变化的过程，突然下降是更换新刀造成的，这样的尺寸波动情况存在于没有自动测量和补偿的机床中。
（2）不明确造成超差发生点的质量问题查找。这种情况下，首先要掌握现场出现问题零件的二维码号，通过二维码追踪系统将所有问题零件的加工过程记录下来，然后进行分析，把加工问题零件数量最多的机床首先列为调查对象，并立即对可疑机床加工的零件进行测量，依此方法逐一进行排查。
结语
我们通过长期的努力，不断积累曲轴生产线质量控制经验，分析质量问题，查找原因，最后采取措施，不断改进加工过程，在曲轴线的质量控制方面取得了很好的效果，主要体现在：
1.利用Q-DAS分析系统对加工零件的测量数据进行分析，在质量问题发生前，提前发现问题变化趋势，并实现预警，做到有计划的问题预防，实现过程的控制。
2.发生问题时，通过二维码追踪系统，快速查找问题发生点，做到快速响应，抑制问题的继续发展。
3.掌握各机床的加工特性，保证问题解决思路的清晰。
4.通过不断的努力，曲轴线FTQ可以达到98%以上，将报废率控制在0.3%以内。
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