自动换刀偏摆检测系统
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在配有自动换刀装置的机床上进行加工时,切屑会咬进刀柄和主轴之间而影响加工精度,特别是使用高速化的ATC(Automatic Tool Changer,自动换刀装置)和以KM、HSK为代表的两面定位夹紧刀柄时,咬入切屑的概率更高。
自动换刀时,在刀柄锥度部分和主轴之间咬入切屑,刀具刀尖就会产生偏摆,如果进行孔加工,就会产生孔径增大超差等问题。为解决这一问题,日本(株)东精工程开发了ATC偏摆检测系统。

表1 主轴刀具偏摆检测系统的主要技术规格
仪器型号E-PV140100-1303-300415
演算显示装置小型晶体管式测微指示仪V10
显示范围-3276.5~+3276.5µm
输入通道数1ch
显示分辨率0.5µm
采样速度1ms
检测时的转数600r/min
检测时间最多0.3s
显示画面6.4″彩色液晶显示屏
电源AC100~250V,50VA
传感器、控制装置型号E-DT-01-029
传感器安装范围1.5±0.1mm
偏摆检测范围1.5±0.2mm
响应频率数10±1kHz
保护装置IP67[传感头]

ATC偏摆检测系统的构成

ATC偏摆检测系统由涡流传感器、控制装置、显示演算装置(V10)构成。系统在卧式加工中心上使用时,首先用托架将涡流传感器安装在刀柄的法兰上;涡流传感器的电缆线穿过主轴装置内部,与置于台架上的控制装置相连。显示演算装置(V10)与控制装置之间用专用电缆连接;偏摆的判断(OK/NG)、检测指令等控制信号与NC装置联通。系统的主要技术规格列于表1。

高精度化的技术要点

使用一般的涡流传感器和放大器时,目前还存在许多问题,所以不能用于实际切削加工自动换刀偏摆的检测。
  1. 涡流传感器的特性
    涡流传感器用于测量与刀柄之间的间隙时,除旋转导致的间隙变化外,还要受组织状态(淬火状况、材料软点)、磁化、刻字部分的影响。由于受磁、传动销等因素的影响,而不能获得正确的偏摆量。使用ATC偏摆检测系统时,应预先输入刀柄的形状数据,然后将测量结果与输入数据进行比较,就能解决这一问题。
  2. 刀柄形状方面的问题
    必须去除原有刀柄固有的偏摆和由传动销带来的切口数据。在传动销的位置还有咬入切屑的可能,无论切屑卡在什么位置,为了能算出正确的偏摆量,就应分离出旋转一转的偏摆量。为了解决这一问题,应与输入处理器中的波形的相位相匹配,去除切口数据,用独立的数据处理实现偏摆成分的分离。由于采用这种方法,所以涡流传感器特有的细小变动成分就可忽略不计。

主轴刀具偏摆检测系统的应用

为适应高速切削加工,两面定位夹紧刀柄日益普及。但是,以HSK为代表的两面定位夹紧刀柄也可能因夹紧失误而发生刀柄脱落以及未装牢就在旋转中发生故障,这会给加工带来严重损害。而ATC偏摆检测系统能将此类事故防患于未然。将刀柄夹紧并使其低速(600r/min)旋转,用该检测系统在切削加工还未达到高速之前,就可检测出偏摆异常。
尤其在要求达到H7级的高精度镗削加工时,刀柄的偏摆是致命的大问题。在深孔加工中,刀具尖端的偏摆与轴的长度成正比,过大的偏摆带来的损害更大。该系统在此类切削加工中能发挥很大的作用。
在铣削加工中,切屑咬入产生的偏摆除对精加工面的精度产生不良影响外,还会引起刀具崩刃,甚至导致损坏。采用该检测系统可以完全避免出现上述问题。

使用实例

过去,在机床上加工时,采取用压缩空气排屑(自动换刀时,从主轴内部喷出高压空气吹去切屑)。用百叶窗式门防止切屑飞溅(用活叶窗式门隔离切削加工空间和刀库,只在自动换刀时此门才打开和关闭)等措施,但并没有检测是否存在粘屑的手段。
切屑咬入发生的频率随工件材料、冷却剂种类、冷却剂供给方法及切削加工方法而异,需要对全部加工件及所有加工部位进行检测。在对使用ATC偏摆检测系统的用户中,针对咬屑导致的偏摆情况进行了调查,结果如下。
  • A公司:切屑咬入发生频率为1/800次,铝件切削加工,咬屑产生时停机确认了切屑。
  • B公司:切屑咬入发生频率为2/1826次,咬屑发生时确认的偏摆为20µm。
  • C公司:检测结果平均114次发生1次咬屑,切削铝制汽车零件,使用HSK刀柄。
对于在切削加工中突然出现废次品而不得不实施全检的用户,采用ATC偏摆检测系统后就不必进行全检。
以加工中心机床为代表,配置有刀具快换装置的复合车床、攻丝机等加工设备,要使其实现高精度高速加工,其自动换刀装置要求的换刀时间快短到极限时,则使用的刀柄应具有各种特征,其品种规格应多样化。而在实际的生产线上,加工不良特别是原因不明的突发性加工不良问题的解决措施不力,难于应付。
出于这方面的考虑,开发了自动换刀偏摆检测系统,它能有效地防止因切屑引起的突发性加工不良问题。今后,将进一步研究开发用于监测刀柄和主轴状态,保持最佳加工状态的控制系统。
本文作者:廖先富(编译)
原载:《工具展望》2004年第6期
上载于:2007-4-18 9:27:33

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