加工航空零件时如何防止刀具破损
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在航空制造业,对在制品和加工设备的投资非常高。通过采用最佳做法、防错措施和其他自动化策略,尽可能减少意料之外的刀具失效,可以成为多层次全面解决方案的一部分。
在切削加工过程中,如果刀具发生了严重破损,通常会损坏被加工零件,有时甚至还会损坏加工机床。航空零件通常具有复杂的形状,并采用价值不菲的特殊材料制造,加工这些零件需要耗费大量工时。因此,如果工件报废,无论在原材料成本上,还是在加工附加值上,都会造成巨大的损失。
在航空制造业,单件小批量加工的情况并不鲜见,因此,损坏一件工件会对生产效益造成很大的损失。由于一个飞行器零件失效可能会导致灾难性的后果,因此,在航空制造业,合规控制和降低风险的机制使得对损坏了的工件进行再加工比在其他行业更为复杂。因刀具破损而造成的工件或机床损坏可能会严重影响制造商的盈利能力和客户满意度。
航空制造业使用的许多专用机床担负着至关重要的加工任务。由于这些机床成本昂贵,加工准备时间很长,因此它们很可能是制造商的“瓶颈资产”,如果这些机床因刀具破损而被损坏,就会对企业的生产能力造成重大影响。
在切削加工中,有许多原因会导致刀具破损,但还没有一种解决方案能够确保100%地检测出或完全避免刀具破损的发生。专门制定的刀具破损恢复循环程序可以挽救工件和生产损失。鉴于航空制造业的机床、材料成本以及在制品附加值的特点,为了保护企业的投资,制定不同层次的刀具破损预防及检测策略很有必要。
在航空制造业,工件的价值以及被加工材料的类型要求在大部分切削加工中必须采用质量最好的刀具。但是,即使使用了最好的刀具,如果在加工编程时,对于特定的刀具或工艺采用了不正确的工艺参数,或操作者在刀具安装或调整过程中出现了失误,仍然有可能造成刀具破损。
航空零件通常是由锻件、铸件、棒材和板材毛坯,以及可加工性普遍较差的材料切削加工而成。材料成分、表面性状以及切削深度和宽度的各种变化,使得在加工编程时很难准确地确定每一种被加工零件的最优切削参数。
航空发动机零件通常采用耐热超级合金(HRSA)(如Inconel合金、镍基合金、Waspaloy合金等)制造。钛合金也被用于制造许多飞机零件。由于零件用途所需要的材料结构特性各异,这些合金的可加工性普遍较差。铸件和锻件的表面通常都粗糙不平。
在加工这些强韧的材料时,会产生很大的切削力和很高的切削温度。耐热超级合金材料结构中硬质碳化物具有的磨蚀性以及表面硬化倾向,可能会造成刀具的刻划磨损。如果在加工中采用了不正确的进给量、切削速度和切削深度,也可能会导致其他刀具失效模式(如月牙洼、热裂纹、崩刃、积屑瘤和变形),以及造成机床损坏。
因此,航空零件加工的特性可能会造成刀具的不均匀磨损和高应力,这是刀具提前失效的根本原因。不过,通过优化工艺参数,这些问题是完全可以避免的。然而,即使工艺参数正确无误,在刀具安装和刀具磨损补偿的调整过程中也很容易出错。测量、计算和数据输入错误是刀具破损和机床损坏的常见原因。
鉴于航空制造业的加工机床和在制品通常具有很高价值,因此,执行不同层次的刀具破损预防措施,对于保护企业投资很有意义。一些可能的解决方案已经得到了很好证明,如声发射或振动监测技术,以及在刀具安装和调整过程中使用检测和对刀测头消除误差。数据采集和失效模式及后果分析(FMEA)技术可以提供对刀具失效以及相关机床损坏的根本原因的宝贵洞见。这种分析有助于针对特定的加工任务选择最有效的加工策略。

图1 磨料磨损失效模式通常具有可重复性和可预测性(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
磨料磨损是一种理想的刀具失效模式,因为它往往具有可重复性和可预见性(图1)。当磨损过程平稳而均匀时,一些征兆(如毛刺、表面光洁度或切削噪声的变化)可以提醒操作者在出现灾难性的刀具失效之前采取正确的行动。也可以采用刀具管理系统来提示操作者对刀具进行定期维护。
然而,有许多零件的加工并非采用的是最优切削参数。或许企业的计算机辅助制造(CAM)系统采用的是一台普通的后处理器,从生产车间反馈回来的优化数据并未可靠地馈入系统;或许某种新型刀具在一次加工中显示出了令人印象深刻的效果,因而被生产车间所采用,但新的工艺参数尚未编入每一个工件的加工程序中。
刀具制造商通常会为其刀具产品的应用提供免费咨询服务。他们可以基于特定的刀具技术提出各种不同的加工模式,例如,采用较大的进给量、较快的切削速度和较小的切削深度;或者采用较小的进给量、较慢的切削速度和较大的切削深度。从而获得令人满意的加工效果,显著缩短工件加工时间。但更重要的是,刀具将在刀具制造商推荐的切削参数范围内使用。
一旦所有的切削参数都被确认,一个电子换刀管理系统可以确保对加工过程的控制,该系统可以同时管理工件加工程序和刀具设置表。
更新刀具的几何参数和磨损补偿量是很容易出错的一个步骤,有可能引起刀具失效、工件损坏,或许还会危及加工机床。
为了完成一次典型的刀具磨损补偿更新,操作者首先要对刀具或工件进行测量。然后,操作者必须分析测量结果的影响,并计算出需要输入机床数控系统的补偿值。计算时,符号常常会混淆,半径与直径换算的问题也会使计算复杂化。将补偿值输入数控系统也提供了额外的出错机会。小数点和符号输入错误相当常见,有时补偿值还会被输入到错误的补偿位置。
使用检测和对刀测头是防止刀具几何尺寸及磨损补偿出现错误的一种传统解决方案,这些测头在航空制造业已被广泛应用。
不过,通过利用大多数机床CNC数控系统都具备的高水平宏编程功能,也能解决大多数防错问题。数控系统可以提示操作者进行测量,并将测量值输入到数控系统中一个容易记住的补偿位置。该参数可以是一个与刀座位置相匹配的补偿数字,也可以是一个恒定的补偿数字,例如99或999。
工件加工程序宏语言可以执行一系列检查,防止输入的数据出错。它可以检查预期补偿位置的变化情况,确认操作者已将测量值输入到正确的位置。它可以确保输入的测量值处于合理的范围之内。然后,它可以在考虑输入值、尺寸和公差以及现有补偿值的基础上,计算出正确的补偿值。它还可以对考虑了刀具磨损范围规定的最大合理补偿值设置上限。如果一切正常,正确的刀具补偿就会自动更新,从而避免了所有的手工计算和数据输入错误。
在对复杂形状工件进行轮廓加工时,很多时候刀具需要进行部分切削。如果刀具的切削负荷很大,就难以保持正确的切屑成形,并可能会引起摩擦。在切屑无法正确成形的情况下,切削热难以从刀具和工件材料中消散,刀具就可能出现积屑瘤或月牙洼磨损失效模式。
自适应控制技术通常被认为是一种用于提高生产率的解决方案,而它有一种有益的附加功能,就是能保持刀具切削负荷恒定。如果自适应系统检测到刀具的切削负荷下降,它就会通过增大进给率来维持设定的目标负荷。如果切削负荷增大,超过了目标负荷,切削速度就会相应降低。保持刀具切削负荷恒定有利于改善成屑和排屑,而且可以避免产生积屑瘤、月牙洼磨损、切屑二次切削等问题。
如果对某种加工的工艺参数进行了优化,刀具就能显示出可靠的、可预测的磨料磨损失效模式。在这种情况下,刀具管理系统就能提示操作者主动更换刀具,以防止刀具破损造成严重后果。

图2 具有很强刀具存储和管理能力的CNC系统可以延长刀具维护检查的周期(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图3 专门开发的刀具破损恢复循环可以保全工件和提高生产率(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图4 TRSI刀具破损传感器能在有冷却液滴情况下对刀具进行快速检测(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
机床的CNC数控系统能监测刀具的使用情况(包括加工时间和加工循环数)。它可以设定刀具磨钝标准,提示操作者及时更换刀片,如果发出警告后操作者仍未采取行动,它就会自动关停机床。为了延长对刀具进行维护检查的周期,对于使用频率很高的刀具,可以采用“姊妹刀具”策略(如果刀库中有多余刀座的话)(图2)。如果一台机床具有在不中断加工的情况下安全更换已磨损刀具的功能,那么还能显著提高加工效率。
如果刀具是在工具室集中管理,或由外部刀具供应商管理,那么在刀具整个生命周期中跟踪其使用参数可能比较困难。可以利用射频识别(RFID)电子标签来预设刀具负荷,或测量CNC系统中设定的刀具几何参数,以及更新刀具寿命表。当刀具暂时不使用时,可以将刀具寿命值和所有已更新的磨损补偿值重新写入嵌装在刀柄中的RFID芯片中,以在下次使用时供机床读取。如果操作者决定越过CNC刀具管理系统,在达到预定的刀具寿命之前命令更换刀具,也可以将这些信息标记在RFID芯片上。
离线系统也可以监测RFID芯片中存储的刀具数据。这些信息可用于在工具室对刀具进行定期维护,或用于分析任何不同寻常的失效模式,以及确定刀具失效的根本原因是否与特定的工件、操作者、生产班次、加工机床或其他因素有关。
当刀具在加工过程中发生破损时,操作者停止加工可能需要几分钟的时间。如果刀具在粗加工时发生破损,从理论上说,恢复正常需要做的全部事情就是:退回刀具,更换刀片,然后从上次加工的最后正常位置重新开始加工。但在实际生产中,刀具破损的恢复并不会如此简单。
一种选择是退回到工件加工程序中一个便于重新开始的程序块。该步骤可能需要使加工中断几分钟或几小时,从而降低生产率。由于新刀具的磨损程度比所替换的刀具轻,因此新刀具可能会二次切削工件,而切削负荷很轻的刀具可能会引起切屑成形不良,从而有可能导致刀具再次失效。
更好的解决方案是利用专门开发的CNC数控功能来管理刀具破损恢复。启动退刀功能将刀具从工件表面快速移开。然后可将机床轴缓慢移动到一个刀片更换检查点。可利用刀具补偿移动及存储功能更新主动补偿,清除在刀具破损的时间点与操作者退刀的时间点之间不能实现正确加工的所有轨迹。然后,可以触发刀具退刀-恢复循环(图3),将刀具移回退刀点。接下来,可利用CNC返回功能将工件加工程序退回到工件上未出现错误轨迹的某一点。最后,再次利用刀具补偿移动及存储功能,(最好用手轮)移动刀具,直到它与工件材料表面接触。此时,刀具已完全处于具有新的、适当的刀具补偿值的正确位置。
在某些情况下,刀具破损尤其可能会造成灾难性的后果(例如,如果在钻削基础孔的加工失败后,试图在一台机床上对其进行攻丝)。如果切断刀具在双主轴车床的轴与轴转换之前发生破损,就可能会对机床造成严重损坏。在这种情况下,每次加工后对刀具进行检查,以确认其仍然完好无损是必不可少的。
多年来,人们一直使用接触式和非接触式刀具测量装置来检测刀具破损。非接触式测量装置通常测量速度较快,由于不存在机械接触,意味着被检刀具能高速通过激光束。不过,此类测量系统很难安装在移动工作台上,并且由于立式加工中心的工作台通常是一个可移动的托盘,因此在此类机床上的加工更为复杂。
雷尼绍(Renishaw)公司新开发的TRS1刀具破损检测传感器(图4)在刀具破损的高速检测上具有很多优势。这种单面测量装置可以安装在任何稳定的垂直表面上,能在换刀位置附近对刀具进行监测,而无需将刀具下移到安装在工作台上的传感器处。它的采样算法能准确区分刀具与冷却液滴,实现快速、可靠的检测。它还能在双主轴车床加工中主轴转换的情况下,用于对已经通过切断加工而分离的工件进行检测。
无论在加工中采取了多少防错措施,仍有可能发生始料不及的问题,而且刀具可能会根据程序指令向工件或某个机床部件高速运动而造成碰撞。对于昂贵的工件和担负关键使命的加工机床而言,监测伺服电机产生的扭矩,及时发现异乎寻常的高扭矩值是很有意义的。
与正常的机床快速移动或切削进给相比,发生机械碰撞和刀具破损会使作用于伺服电机和主轴电机上的负载转矩异常增大。为此,可以在工件加工程序中设置最大扭矩上限,使CNC数控系统能实时检测出超限负载。如果CNC系统检测到一个突然出现的大扭矩扰动值,它就可以立即关停伺服电机,乃至通过指令值使电机反转,以尽量减小对工件和机床可能造成的损害。
为了更全面地保护工件和机床,精密扭矩传感装置可以感知被加工零件的特定扭矩波形,并将其存储在内存中。以后再加工相同的零件时,精密扭矩传感装置通过监测超出已知扭矩波形规定公差带的主轴扭矩值,就能发现任何异常情况。
在航空制造业,对在制品和加工设备的投资非常高。通过采用最佳做法、防错措施和其他自动化策略,尽可能减少意料之外的刀具失效,可以成为多层次全面解决方案的一部分。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2010年第1期
上载于:2013-10-24 15:42:06

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