加工凸轮轴端面孔时刀具防断措施

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  摘要:加工中心加工凸轮轴两端面时易断刀,较难加工。为此要及时发现,有防撞、防断措施:每天观察回零刻线,避免机床回零位置不准确,造成刀具因撞机械而损坏;增加红外线感应器,避免因放错工件或选错加工程序造成刀具撞工件而损坏;增加非接触式测量(或接触式测量)装置测量刀具长度,做到及时发现断裂、破损的刀具等措施。
  关键词:双头转塔式加工中心;红外感应器;测量元件;刀具负载监控
  加工工艺介绍
  凸轮轴两端面使用加工中心加工,不同的产品它们的长短尺寸不一,孔的大小、深浅不一,但凸轮轴的结构相同,生产工艺基本相同;使用同一个夹具,换品种时,在刀库中插入安装相应的刀具,切换不同的加工程序,就可进行不同产品的加工。在汽车加工企业中凸轮轴的产量大,根据产能要求每根凸轮轴的生产节拍时间很短,大概27S。
  凸轮轴两端的生产过程一般为:铣端面(定总长)→钻孔(台阶孔扩孔、镗孔、铰孔、倒角)→攻丝→铰60°锥孔。由于加工内容多,而因生产节拍及机床因素决定,加工步骤只能有4个工步,因而广泛使用结构复杂的复合刀具。如图1、2所示,是两种不同尺寸要求的凸轮轴零件图纸。
  双头加工中心一般是用于需要调头加工的工件,分为左右两个头,数控系统利用各自的通道程序完成工件的加工内容。双头加工中心的刀库与普通加工中心基本一样,因凸轮轴加工的内容少,所以采用转塔式刀库。加工中心由沈阳机床厂制造,采用德国西门子840D数控系统及伺服驱动系统,左右两头机构性能完全相同。如图3所示。
  转塔式工中心通过选刀指令使转塔头的旋转、分度、定位来实现机床的自动换刀。我们使用的SU8114加工中心采用4工位转塔式刀架,每个工位上安装有2把刀具,共可以装8把刀具。刀库每个工位都安装两把相同的刀具,主轴动力经过传动机构,一分为二,将动力传给当前工位的两个刀具,可以同时加工两个工件。加工时,一个加工程序可以加工出两个工件,用加工一个工件的时间可以加工出两个工件来。
  改造前的状况
  1、钻头断:主要是图5所示,凸轮轴钻右端台阶孔时(复合钻头),钻头折断。
  2、丝攻断裂:左右两端的螺孔丝攻都会断。
  3、铣刀撞夹具、工件:夹具损坏、铣刀片碎裂。
  事故原因分析
  1、钻头、丝锥断裂原因
  如下图复合钻加工时,加工到台阶,切削力将突然变大,如毛坯材料组织不均匀,切削力将有响应的变化,刀具受力情况复杂,而且刀具有冷却孔,截面面积小,而刀具材料是硬质合金,不耐冲击,易于折断;其它钻头、丝攻因同样道理也易于折断。
  2、铣刀碰撞夹具、工件的原因
  机床进给轴的回零是采用编码器来反馈的,属于增量反馈方式。回零时,机床移动,碰块碰到回零行程开关发出一个信号,让编码器到某一位置时定为零点,行程开关如不灵敏时,编码器可能多转几圈,即回零后的位置可能与回零位置相差一个或几个节距,导致回零误差,这样铣刀进给加工时就可能撞夹具。
  由于我们加工的凸轮轴型号不同,长短也不尽相同,当加工短凸轮轴时,操作工放上长凸轮轴时,就会引起铣刀撞工件。
  3、防撞、防断对策
  (1)铣刀撞夹具。
  回零后的位置可能与回零位置相差一个或几个节距,距离较大(2mm整数倍),因此在响应部位刻线进行比较。由于凸轮轴长短不一,在响应部位安装红外线感应器,根据红外线感应器来判断工件的长短,程序运行时首先判断工件长短是否符合所运行的程序。
  (2)铣刀折断。
  对刀具折断要从两方面着手:一要预防刀具折断,二要及时发现断裂刀具。
  预防刀具折断,一是从刀具切削用量,刀具刀具寿命上进行考虑,采用分段切削用量,如台阶部分采用小的进给速度;二是利用设备现有的TM3000监控器进行监控,但要调整相应的参数。
  及时发现断裂刀具,通过判断刀长的变化来判断刀具是否折断。
  改进方案
  1、在机床上划一刻线,每天观察回零刻线,检查回参考点的准确性。
  2、增加红外感应检测装置,检测工件型号,数控系统判别是否与加工程序相对应。
  3、修改加工程序:分段给定进给速度,在台阶部分采用小的进给。
  4、增加铣刀长度检测机构,检查出断裂的刀具。
  5、合理调整TM3000刀具寿命监控器,及时发现刀具磨损,更换新刀具。
  实施方案
  1、加工中心每天开机执行回零操作后,要注意检查各进给轴回零的机械位置,是否与已划刻线相重合,不能只看数控系统的回零提示。
  2、增加红外线感应器判别工件型号,选择对应程序加工。
  如在机床上装夹错的工件,使刀具与工件相撞,产生刀具损坏。现在为了避免该问题的发生,我们又增加了红外线感应器,进行凸轮轴的品种判别,工件型号不对即报警。如果型号不对,此时,机床不运行,只需按复位键,选手动方式,换工件,打自动即可安全加工。
  3、在不影响加工效率的前提下,可适当降低加工孔的进给速度,特别是大的台阶孔的进给
  要与其他相区别,采用分段进给速度加工孔。
  4、增加铣刀长度检测机构,检查出断裂的刀具。刀具长度检测机构可以采用接触式或非接触式。
  接触式测量准确,但需要刀具接触测量元件,需要花费较长的时间;非接触式测量机构,由于刀具不要接触测量元件,在刀具运动过程中就能测量,速度快,对刀长判断有点误差,但对刀长变化较大的断刀可以准确判断。
  我们决定两种方法全部采用,用于不同的目的。
  (1)增加接触式测量装置。
  对不易断裂的盘铣刀采用接触式测量,用于补偿因温度丝杆变长,使刀具与工件位置发生变化。   原理:当刀具接触到弹性开关时,数控系统记住开关触发时的Z轴坐标,与盘铣刀原始刀长进行比较,得出因温度变化的长度。
  (2)增加非接触式测量装置。
  刀具采用激光测量机构(非接触式测量),用于判断刀具是否断裂。由于机床在加工过程中舱门是关闭的,在加工过程中,操作工又不能注意到刀具是否断裂,主要是复合钻,如刀具断裂,后面的刀具因加工程序控制,将继续加工,造成后续刀具折断,采用刀长测量机构有其必要性。
  原理:激光测量机构发出一束激光,当刀具移动到一定位置是刀尖反射该激光给激光测量机构,激光测量机构接收到光束时,发一信号给数控系统,记住这一时刻的Z向坐标,起到测量刀长的作用。如刀长发生变化,表示刀具断刀。
  5、增加刀具监控装置,实时监控
  刀具折断一般是在切削过程中发生的,激光测量机构只是对刀具的刀长进行检测,对有微观的破损及因磨损较大再继续使用将要断刀,激光测量机构是发现不了的。
  TM3000负载监控器从刀具负载情况来判断刀具使用情况。在没有激光测量机构前,由于原因比较复杂,小载荷情况下也会断刀,这样就造成控制线调整的比较低,在加工过程中常出现假报警,操作工就调高预警控制线,这时又会出现刀具断裂不报警的情况,操作工会认为TM3000监控器失效,没有办法调整控制线。
  当有激光测量机构后,刀具监控从两方面监控,激光测量机构判断刀具是否断裂,TM3000监控器判断刀具负载情况,从力学上进行监控刀具断裂的可能,二者互相补充。
  为了降低刀具成本,我们要尽量调高预警控制线。设定步骤如下:
  第一步:计算出正常加工的平均值:多次采集次数,并相应记录下正常监控器屏幕所显示负载曲线的谷峰位置数值,计算出正常加工的平均值。
  第二步:对发生断刀时负载曲线的谷峰位置数值。如大于平时的正常谷峰位置数值,则该数值就是我们的该刀具的断刀时载荷数据。
  第三步:设定三条控制线:
  ①断刀控制线以断刀时的载荷数据设定。
  ②刀具磨损继续以该数据的90%设定。
  ③刀具丢失控制线,以平时正常加工时较低的载荷数据的60%设定,表示刀具不在了。
  总结
  每天观察回零刻线,避免了机床回零位置不正确,造成刀具因撞夹具而损坏;增加红外线感应器,避免因放错工件或选错加工程序造成刀具因撞工件而损坏;增加非接触式测量(或接触式测量)测量刀具长度,做到及时发现断裂的刀具;预定刀具寿命,合理调整TM3000监控器各刀具的控制线,避免刀具因磨损过大而断刀。
  随着数控加工技术的发展和要求,机械加工与其他新技术的结合越来越多,“机电液气一体化” 综合技术的融合应用越来越广泛。本文中运用的压力式感应装置、红外感应技术、激光测量机构、刀具监控等技术,都是传感器技术在数控加工中的运用。在提出的实施方案中比较难的是传感技术怎样与数控装置相匹配,共同完成检测反馈控制。在今后的学习和工作中,多运用新技术、新知识去解决一些实际的问题。
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