微孔加工的在線監(jiān)控

    內(nèi)燃機(jī)燃油噴嘴所承受的壓力高達(dá)2000bar，因此對(duì)其加工精度提出了極高要求，其中包括機(jī)床的制造精度以及對(duì)刀具在加工中的狀態(tài)進(jìn)行有效而可靠的監(jiān)控。

    位于德國(guó)Bamberg的羅伯特－博世公司（Robert Bosch）在20世紀(jì)發(fā)明了燃油噴射泵，無(wú)論采用何種增壓系統(tǒng)（如泵/噴油嘴或柴油機(jī)進(jìn)氣噴油系統(tǒng)），燃油都必須經(jīng)壓縮后進(jìn)入噴管體。噴管體內(nèi)有一微孔，當(dāng)各汽缸的工作狀態(tài)處于壓縮行程時(shí)，這些微孔將通過(guò)噴嘴針閥被開(kāi)啟或關(guān)閉，噴嘴針閥與噴管體之間的間隙公差僅為幾個(gè)微米。

    工件經(jīng)過(guò)鉆削加工后還需要進(jìn)行磨削，為了避免磨削細(xì)長(zhǎng)工件時(shí)產(chǎn)生彈性彎曲變形，磨削加工過(guò)程不宜過(guò)長(zhǎng)，這就要求工件在初加工后，公差就基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最后只需進(jìn)行磨光處理。

    博世公司在加工噴管體時(shí)，工件在磨削加工之前就在MiKron圓盤(pán)式節(jié)拍自動(dòng)機(jī)床上用鉆頭和鉸刀對(duì)孔進(jìn)行了初加工。MiKron機(jī)床（尤其是瑞士式加工機(jī)床）為眾多精密機(jī)床制造商和用戶所熟知。在精密制造行業(yè)中，除了加工機(jī)床的精度極高以外，所使用的刀具同樣具有制造精度高且?guī)缀纬叽鐦O小的特點(diǎn)。

    多年來(lái)，MiKron機(jī)床一直采用由Hürth公司提供的Nordman刀具監(jiān)控器。該設(shè)備是迄今為止人們找到的一種可對(duì)難以檢測(cè)部位實(shí)施監(jiān)控（如對(duì)直徑小于0.1mm微小孔加工過(guò)程的監(jiān)控）的有效工具。這里，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工件和刀具在加工過(guò)程中所產(chǎn)生聲波的測(cè)量，是將冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)的射流束作為聲波的傳導(dǎo)體，由液體傳聲檢波器予以接收。而在測(cè)量有功功率時(shí)，則可根據(jù)主軸的驅(qū)動(dòng)情況，通過(guò)信號(hào)總線進(jìn)行數(shù)字測(cè)量，或在刀具監(jiān)控器上進(jìn)行三相模擬測(cè)量。

    博世公司主要通過(guò)測(cè)量加工機(jī)床的有功功率來(lái)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，其原因是，在靠近加工刀具的位置排列安裝了冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)噴嘴，在狹小的空間內(nèi)難以再安裝用于刀具監(jiān)控的其它機(jī)械探頭。

    測(cè)得的機(jī)床刀具軸的有功功率曲線通常由線性的上極限和下極限（即包絡(luò)曲線）的形式給出。下極限一般總是位于鋒利刀具測(cè)量曲線的下方，而上極限始終在不鋒利刀具測(cè)量曲線的上方。在博世公司，人們希望測(cè)量曲線始終處于一個(gè)較窄的、均勻的區(qū)間內(nèi)。然而，這并不僅僅取決于刀具是否鋒利，在切削加工過(guò)程中，刀具出現(xiàn)一些極微小的破損，或其他一些突變因素，都會(huì)引起測(cè)量曲線發(fā)生變化。由于包絡(luò)曲線的上、下極限之間有一定的寬度要求，這就需要對(duì)測(cè)量曲線中因刀具磨損而發(fā)生變化的部分予以補(bǔ)償。這種補(bǔ)償值是通過(guò)對(duì)8個(gè)以上工件進(jìn)行加工時(shí)獲得的測(cè)量曲線取平均值計(jì)算得出。此后，工件的測(cè)量曲線將用補(bǔ)償后的包絡(luò)曲線加以評(píng)判。在切削過(guò)程中，刀具會(huì)不斷磨損，因此需要隨時(shí)對(duì)包絡(luò)曲線進(jìn)行補(bǔ)償，以與刀具的磨損相適應(yīng)，故通常將這種曲線稱為“滑移曲線”。

    MiKron圓盤(pán)式節(jié)拍自動(dòng)機(jī)床的操作工Otto Halama這樣描述噴管體的制造過(guò)程：通常，除監(jiān)控鉆頭破損外，我們還可以通過(guò)Nordman系統(tǒng)將預(yù)加工量控制在0.02mm以內(nèi)，同時(shí)還能檢測(cè)出鉆頭的磨損是否均勻。當(dāng)測(cè)量剛開(kāi)始時(shí)，如測(cè)量值的分布明顯呈分散狀態(tài)，則意味著鉆頭磨損加大，機(jī)床刀具軸的軸承存在缺陷。如測(cè)量曲線數(shù)值的分散度過(guò)大，也會(huì)導(dǎo)致包絡(luò)曲線上、下極限值發(fā)生波動(dòng)。

    在MiKron的Dico-18型機(jī)床的加工過(guò)程中，當(dāng)更換了新刀具后，刀具監(jiān)控器的測(cè)量曲線會(huì)忽左忽右地?cái)[動(dòng)，此外，用鋒利的新刀具加工時(shí)測(cè)出的曲線值一般偏低。因此，每當(dāng)?shù)毒吣�損進(jìn)行更換后，滑移包絡(luò)曲線都需要通過(guò)重新自學(xué)習(xí)而設(shè)定新的閾值，并隨時(shí)將采集到的加工測(cè)量數(shù)據(jù)與通過(guò)自學(xué)習(xí)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，這里，一般會(huì)將未更換鋒利刀具以前測(cè)得的包絡(luò)曲線向下調(diào)整。對(duì)于某個(gè)單一的加工工位而言，這種“自適應(yīng)學(xué)習(xí)”過(guò)程可通過(guò)“菜單”來(lái)設(shè)定，但為了方便起見(jiàn)，在刀具監(jiān)控器的右側(cè)還設(shè)置了帶工位數(shù)的操作鍵。當(dāng)處于某一加工工位時(shí)，可在對(duì)已加工孔的測(cè)量曲線進(jìn)行求平均值處理的基礎(chǔ)上，一邊觀測(cè)，一邊操作對(duì)應(yīng)工位的按鍵，即可對(duì)包絡(luò)曲線進(jìn)行調(diào)整和設(shè)定，隨后再重新啟動(dòng)加工過(guò)程。

    在MiKron的Dico-18型機(jī)床上，通過(guò)測(cè)量曲線的分散值，也可以觀測(cè)出加工刀具的磨損狀況。應(yīng)將有功功率測(cè)量曲線的分散值控制在一定范圍內(nèi)，該范圍是通過(guò)對(duì)一定量的工件測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出的，并可在刀具監(jiān)控器上繪制出趨勢(shì)圖。

    盡管有功功率測(cè)量曲線所設(shè)定的包絡(luò)曲線范圍很窄，但偶爾也可能出現(xiàn)這種情況，即當(dāng)鉆頭直徑很小時(shí)（如小于1mm），雖然鉆頭發(fā)生了微小破損，但通過(guò)有功功率測(cè)量卻無(wú)法識(shí)別。此時(shí)，就需要采用聲發(fā)射液體傳聲檢波器，其工作原理為：當(dāng)在工件或刀具的金屬固體材料上出現(xiàn)微小破損時(shí)，會(huì)發(fā)出一種特殊的、類似喀吱聲的噪音，從而在金屬固體材料內(nèi)部形成可傳播的聲波，再通過(guò)加工中使用的冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)作為聲波導(dǎo)體進(jìn)行傳播，最終被聲發(fā)射液體傳聲檢測(cè)器所接收。流體傳遞聲波具有傳播頻率范圍大、干涉損失小、信號(hào)失真小等特點(diǎn)。在MiKron圓盤(pán)式節(jié)拍自動(dòng)機(jī)床上，通過(guò)有功功率的測(cè)量，可對(duì)所有的工位進(jìn)行監(jiān)控，包括對(duì)直徑從0.8mm縮小為0.4mm的錐形氣門(mén)座這種精密工件的加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。但是，只有采用在機(jī)床上附加安裝的聲發(fā)射液體傳聲檢波器，才能對(duì)加工中因刀具刀尖的微小破損而引起的聲波頻率變化進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控。當(dāng)然，這種測(cè)量和監(jiān)控也比較困難，因?yàn)閷?duì)于微小孔的加工而言，4mm的直徑已經(jīng)算是相當(dāng)大了，即使用這種直徑的鉆頭進(jìn)行鉆削加工，其噪聲頻率也已經(jīng)相當(dāng)高了。

    在加工錐形氣門(mén)座時(shí)，為了監(jiān)控鉆頭刀尖部位的破損，有兩種方法可供選擇：一是安裝油噴射射流變頻器；二是安裝聲波反射傳感器。

    加工過(guò)程監(jiān)控是一項(xiàng)復(fù)雜而困難的任務(wù)，監(jiān)控器通過(guò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)，可繪制出加工過(guò)程中AE、功率等參量變化的實(shí)時(shí)曲線。除了各類傳感器、監(jiān)控器以外，軟件及數(shù)據(jù)處理技術(shù)也至關(guān)重要，只有通過(guò)機(jī)床生產(chǎn)商與用戶之間的密切合作，才能有效地解決這一難題