機(jī)床刀具的破損檢測(cè)

 全球著名的高性能摩托車生產(chǎn)商Ducati Motor公司在長(zhǎng)期的加工經(jīng)驗(yàn)積累中，認(rèn)識(shí)到了必須嚴(yán)格控制Desmodromic發(fā)動(dòng)機(jī)貴重零件加工的重要性，并決定對(duì)此加工進(jìn)行改善。最終依賴刀具破損檢測(cè)生產(chǎn)出了獨(dú)特的凸輪軸，防止加工過(guò)程中刀具破損引發(fā)的損失。 

    在一年當(dāng)中，不同的刀具要使用成千上萬(wàn)次，始終存在著從刀庫(kù)中取出開(kāi)裂或破損刀具的風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。通過(guò)使用基于創(chuàng)新的非接觸激光測(cè)量技術(shù)的Renishaw刀具破損檢測(cè)系統(tǒng)，這一問(wèn)題迎刃而解。

    凸輪軸生產(chǎn)過(guò)程中的最重要環(huán)節(jié)是在兩個(gè)Stama加工中心上完成的。這兩個(gè)加工中心全年不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)用于各種Ducati發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸（圖1）。Ducati Motor的制造技術(shù)專家Fulvio Abbondi評(píng)論道：“制造軸件需要很高的精度，整個(gè)精密加工過(guò)程都在我們的工廠中完成。這是一種非常昂貴的零件。它由特種合金鋼制成，第一次粗車之后的坯件放入機(jī)床時(shí)成本就已經(jīng)非常昂貴了。”

圖1 凸輪軸采用了特殊的“上升斜坡”非傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

    在凸輪軸生產(chǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)刀具破損的后果將非常嚴(yán)重，可能導(dǎo)致廢品、重新加工的重大損失并浪費(fèi)時(shí)間。還可能損壞機(jī)床主軸，這一損失加上特殊刀具本身的成本將達(dá)到數(shù)千歐元。

實(shí)現(xiàn)控制

    Abbondi提到了刀具破損檢測(cè)的作用。“在機(jī)床上對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行檢查是很重要的。Renishaw NC4系統(tǒng)安裝在兩臺(tái)加工中心上：刀具載入主軸中準(zhǔn)備加工之后，會(huì)立即在指定高度穿過(guò)該裝置的光束（圖2）。如果切削刃破損，例如不是100mm，而是97mm長(zhǎng)，激光系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警。顯然，每種刀具都有自己的長(zhǎng)度、直徑等，而系統(tǒng)在刀具通過(guò)檢測(cè)光束時(shí)將這一因素考慮在內(nèi)。”他繼續(xù)說(shuō)：“利用NC4，我們還可以檢查用于加工凸輪上的鍵和其他基準(zhǔn)點(diǎn)的小刀具的破損，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行十分關(guān)鍵。如果沒(méi)有Renishaw系統(tǒng)，機(jī)床可能會(huì)在切削刃破損的情況下運(yùn)行，導(dǎo)致災(zāi)難性后果。此外，由于對(duì)刀具進(jìn)行自動(dòng)破損檢測(cè)，一名操作員就可以輕松地管理兩臺(tái)機(jī)床：他需要做的全部事情僅僅是裝載零件并確保一切運(yùn)行順暢。”

圖2 Renishaw NC4系統(tǒng)用于防止破損刀具對(duì)非常昂貴的零件造成損壞

— 消除廢品、避免重新加工和浪費(fèi)時(shí)間

    過(guò)程控制對(duì)加工操作至關(guān)重要，正如Abbondi所說(shuō)：“我們做的第一件事就是安裝一套由機(jī)床制造商提供的能夠檢查主軸電機(jī)功率的系統(tǒng)。”該系統(tǒng)檢查較大鉆頭（用于鉆最深的孔）的磨損程度，加工過(guò)程中磨損鉆頭應(yīng)受力更明顯。如果扭矩增大，意味著刀具破損，于是發(fā)出報(bào)警。但是我們還需要快速可靠地檢測(cè)刀具破損，即便是最小的破損也不放過(guò)， 這些破損常�？梢蕴舆^(guò)大多數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的檢查。”

圖3 安裝在機(jī)床工作區(qū)外的Renishaw非接觸式激光刀具檢測(cè)系統(tǒng)

    傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)系統(tǒng)存在一些缺點(diǎn)，往往不適合小刀具——刀具接觸“按鈕”或“桿”后激活裝置。接觸本身也可能存在破壞刀具的風(fēng)險(xiǎn)。這意味著加工只能在低速下完成，從而減慢了加工過(guò)程并大大延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間。系統(tǒng)通常必須安裝在工作區(qū)內(nèi)，占用了寶貴的空間，并導(dǎo)致可能的碰撞危險(xiǎn)，更不用說(shuō)由于容易堵塞而造成的低可靠性。這就是要采用Renishaw系統(tǒng)取代這些裝置的原因。

用光束檢查

    激光技術(shù)的改進(jìn)推動(dòng)了非接觸檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，這種系統(tǒng)能夠安全測(cè)量比以往更小的小刀具。一束激光光束在發(fā)射器和接收器（安裝在機(jī)床工作臺(tái)或其對(duì)面一側(cè)）之間移動(dòng)，這樣光束就穿過(guò)工作區(qū)。當(dāng)?shù)毒叽┻^(guò)光束時(shí)，接收器檢測(cè)到的光通量減少，于是產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖。如果檢測(cè)的光通量沒(méi)有減少，系統(tǒng)就發(fā)出刀具破損信號(hào)。

    全球大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商在發(fā)動(dòng)機(jī)中使用回位彈簧關(guān)閉（排氣和進(jìn)氣）閥門，操作后這些彈簧將閥門拉回原位。Ducati是個(gè)例外，該公司的非傳統(tǒng)Desmodromic系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)解決彈簧慣性的問(wèn)題并減少30％的操作磨損，Desmodromic分配裝置使得發(fā)動(dòng)機(jī)在高速下可靠性更強(qiáng)。理論上發(fā)動(dòng)機(jī)可以很容易超過(guò)20000 RPM。Desmodromic采用機(jī)械系統(tǒng)關(guān)閉閥門，這一概念源于美國(guó)，但由于成本過(guò)高而被放棄。但是，博洛尼亞的著名制造商有另外的想法，1972年在雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)合了Desmodromic分配裝置，幾十年來(lái)一直采用這一成功做法。閥門是采用特殊的凸輪而不是簡(jiǎn)單的彈簧關(guān)閉，從各個(gè)方面建立了閥門和其位置之間的精確聯(lián)系，Desmodromic這一術(shù)語(yǔ)來(lái)自希臘語(yǔ) "desmòs"，意思是“聯(lián)系”