微孔加工的在线监控
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内燃机燃油喷嘴加工精度有极高要求,其中包括机床的制造精度以及对刀具在加工中的状态进行有效而可靠的监控。博世公司在加工喷管体时,工件在磨削加工之前就在Mikron圆盘式节拍自动机床上用钻头和铰刀对孔进行了初加工。

图1 博世公司生产的喷管体

图2 带有Nordman刀具监控器的Mikron圆盘式节拍自动机床(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图3 用WLM-3三相电流和电压测量仪可测得有功功率曲线。

图4 在SEM型刀具监控器上给出被加工工件有功功率测量曲线的滑移曲线的滑移包络曲线(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图5 用SEM声发射液体传声检波器对加工锥形气门座的钻头进行监控(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
内燃机燃油喷嘴所承受的压力高达2000bar,因此对其加工精度提出了极高要求,其中包括机床的制造精度以及对刀具在加工中的状态进行有效而可靠的监控。
位于德国Bamberg的罗伯特-博世公司(Robert Bosch)在20世纪发明了燃油喷射泵,无论采用何种增压系统(如泵/喷油嘴或柴油机进气喷油系统),燃油都必须经压缩后进入喷管体(见图1)。喷管体内有一微孔,当各汽缸的工作状态处于压缩行程时,这些微孔将通过喷嘴针阀被开启或关闭,喷嘴针阀与喷管体之间的间隙公差仅为几个微米。
工件经过钻削加工后还需要进行磨削,为了避免磨削细长工件时产生弹性弯曲变形,磨削加工过程不宜过长,这就要求工件在初加工后,公差就基本达到设计要求,最后只需进行磨光处理。
博世公司在加工喷管体时,工件在磨削加工之前就在Mikron圆盘式节拍自动机床上用钻头和铰刀对孔进行了初加工(见图2)。Mikron机床(尤其是瑞士式加工机床)为众多精密机床制造商和用户所熟知。在精密制造行业中,除了加工机床的精度极高以外,所使用的刀具同样具有制造精度高且几何尺寸极小的特点。
多年来,Mikron机床一直采用由Hürth公司提供的Nordman刀具监控器。该设备是迄今为止人们找到的一种可对难以检测部位实施监控(如对直径小于0.1mm微小孔加工过程的监控)的有效工具。这里,为了实现对工件和刀具在加工过程中所产生声波的测量,是将冷却润滑介质的射流束作为声波的传导体,由液体传声检波器予以接收。而在测量有功功率时,则可根据主轴的驱动情况,通过信号总线进行数字测量,或在刀具监控器上进行三相模拟测量。
博世公司主要通过测量加工机床的有功功率来对其进行监控,其原因是,在靠近加工刀具的位置排列安装了冷却润滑介质喷嘴,在狭小的空间内难以再安装用于刀具监控的其它机械探头(见图3)。
测得的机床刀具轴的有功功率曲线通常由线性的上极限和下极限(即包络曲线)的形式给出。下极限一般总是位于锋利刀具测量曲线的下方,而上极限始终在不锋利刀具测量曲线的上方。在博世公司,人们希望测量曲线始终处于一个较窄的、均匀的区间内。然而,这并不仅仅取决于刀具是否锋利,在切削加工过程中,刀具出现一些极微小的破损,或其他一些突变因素,都会引起测量曲线发生变化。由于包络曲线的上、下极限之间有一定的宽度要求,这就需要对测量曲线中因刀具磨损而发生变化的部分予以补偿。这种补偿值是通过对8个以上工件进行加工时获得的测量曲线取平均值计算得出。此后,工件的测量曲线将用补偿后的包络曲线加以评判。在切削过程中,刀具会不断磨损,因此需要随时对包络曲线进行补偿,以与刀具的磨损相适应,故通常将这种曲线称为“滑移曲线”。
Mikron圆盘式节拍自动机床的操作工Otto Halama这样描述喷管体的制造过程:通常,除监控钻头破损外,我们还可以通过Nordman系统将预加工量控制在0.02mm以内,同时还能检测出钻头的磨损是否均匀。当测量刚开始时,如测量值的分布明显呈分散状态,则意味着钻头磨损加大,机床刀具轴的轴承存在缺陷。如测量曲线数值的分散度过大,也会导致包络曲线上、下极限值发生波动(见图4)。
在Mikron的Dico-18型机床的加工过程中,当更换了新刀具后,刀具监控器的测量曲线会忽左忽右地摆动,此外,用锋利的新刀具加工时测出的曲线值一般偏低。因此,每当刀具磨损进行更换后,滑移包络曲线都需要通过重新自学习而设定新的阈值,并随时将采集到的加工测量数据与通过自学习设定的阈值进行比较,这里,一般会将未更换锋利刀具以前测得的包络曲线向下调整。对于某个单一的加工工位而言,这种“自适应学习”过程可通过“菜单”来设定,但为了方便起见,在刀具监控器的右侧还设置了带工位数的操作键。当处于某一加工工位时,可在对已加工孔的测量曲线进行求平均值处理的基础上,一边观测,一边操作对应工位的按键,即可对包络曲线进行调整和设定,随后再重新启动加工过程。
在Mikron的Dico-18型机床上,通过测量曲线的分散值,也可以观测出加工刀具的磨损状况。应将有功功率测量曲线的分散值控制在一定范围内,该范围是通过对一定量的工件测量数据进行处理后得出的,并可在刀具监控器上绘制出趋势图。
尽管有功功率测量曲线所设定的包络曲线范围很窄,但偶尔也可能出现这种情况,即当钻头直径很小时(如小于1mm),虽然钻头发生了微小破损,但通过有功功率测量却无法识别。此时,就需要采用声发射液体传声检波器,其工作原理为:当在工件或刀具的金属固体材料上出现微小破损时,会发出一种特殊的、类似喀吱声的噪音,从而在金属固体材料内部形成可传播的声波,再通过加工中使用的冷却润滑介质作为声波导体进行传播,最终被声发射液体传声检测器所接收。流体传递声波具有传播频率范围大、干涉损失小、信号失真小等特点。在Mikron圆盘式节拍自动机床上,通过有功功率的测量,可对所有的工位进行监控,包括对直径从0.8mm缩小为0.4mm的锥形气门座这种精密工件的加工过程进行监控。但是,只有采用在机床上附加安装的声发射液体传声检波器,才能对加工中因刀具刀尖的微小破损而引起的声波频率变化进行测量和监控(见图5)。当然,这种测量和监控也比较困难,因为对于微小孔的加工而言,4mm的直径已经算是相当大了,即使用这种直径的钻头进行钻削加工,其噪声频率也已经相当高了。
在加工锥形气门座时,为了监控钻头刀尖部位的破损,有两种方法可供选择:一是安装油喷射射流变频器;二是安装声波反射传感器。
加工过程监控是一项复杂而困难的任务,监控器通过自适应学习,可绘制出加工过程中AE、功率等参量变化的实时曲线。除了各类传感器、监控器以外,软件及数据处理技术也至关重要,只有通过机床生产商与用户之间的密切合作,才能有效地解决这一难题。
本文作者:晁刚(译)
原载:《工具展望》2009年第2期
上载于:2010-12-20 9:57:21

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