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刀具壽命控制在生產(chǎn)線中的應(yīng)用

2022-5-19 來(lái)源：中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司60分廠作者：田東縉，王新輝，王震

摘要：隨著生產(chǎn)線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高產(chǎn)出比和無(wú)人化加工已成為加工行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，隨之引發(fā)的是人們對(duì)質(zhì)量的高度關(guān)注，影響零件加工質(zhì)量的最小控制單元——刀具，已成為我們重點(diǎn)研究的對(duì)象。以刀具壽命為切入點(diǎn)，通過(guò)分析刀具的失效狀態(tài)，確定影響刀具磨損、破損的關(guān)鍵因素，制定刀具壽命的控制方法，確保在使用刀具的過(guò)程中對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)跟蹤，為生產(chǎn)線的正常運(yùn)行奠定良好的質(zhì)量保證基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：刀具失效；磨損；破損；刀具壽命管理

1、序言

隨著數(shù)控行業(yè)向數(shù)字化、智能化方向的發(fā)展，生產(chǎn)線技術(shù)已廣泛應(yīng)用于加工行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，生產(chǎn)線技術(shù)可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)布局，減少人員數(shù)量，生產(chǎn)線內(nèi)產(chǎn)品均衡連續(xù)加工，可以有效縮短零件的加工周期，提高零件的加工效率，且成本低。為了提高復(fù)雜殼體的加工效率，縮短零件的加工周期，依托國(guó)家專(zhuān)項(xiàng)資金，建立復(fù)雜殼體加工自動(dòng)生產(chǎn)線，但在建立過(guò)程中，考慮到零件加工的穩(wěn)定性和可靠性，必須對(duì)加工質(zhì)量的最小單元——刀具，進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，才能有效保證零件的加工質(zhì)量，確保生產(chǎn)線的順利運(yùn)行。

2、刀具壽命控制

2.1 必要性

衡量刀具性能的重要指標(biāo)——刀具壽命，不僅影響零件的加工效率，而且對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要，針對(duì)生產(chǎn)線而言，刀具壽命是質(zhì)量控制的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。在生產(chǎn)線正常加工過(guò)程中，都無(wú)人干預(yù)，如果刀具出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，輕則會(huì)出現(xiàn)成批性質(zhì)量問(wèn)題，重則會(huì)造成設(shè)備撞擊事件。因此，必須嚴(yán)格控制刀具壽命，實(shí)時(shí)跟蹤刀具的切削狀態(tài)，對(duì)刀具的使用狀況進(jìn)行在線控制，對(duì)加工過(guò)程中出現(xiàn)的刀具磨損或破損現(xiàn)象，及時(shí)預(yù)警更換，才能更好地保證零件的加工進(jìn)程，確保零件在加工過(guò)程中，不會(huì)因刀具壽命出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

2.2 現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的加工方式一般為單機(jī)單人操作，加工過(guò)程中，主要依靠工人憑借加工經(jīng)驗(yàn)對(duì)刀具進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和更換，因此對(duì)于刀具壽命也無(wú)量化要求，只單憑工人的加工經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)。

（1）刀具失效的形式

刀具失效是指刀具使用一段時(shí)間后，在切削過(guò)程中，刀具刃部失去切削能力，常見(jiàn)的刀具失效形式有刀具磨損、破損和刀具品質(zhì)不良。刀具磨損是刀具的刃部在切削一段時(shí)間后，切削能力下降，不能滿(mǎn)足所加工的尺寸和表面粗糙度要求，如圖1所示。出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象，就需要及時(shí)更換刀具，防止刀具出現(xiàn)破損現(xiàn)象，對(duì)于殼體加工而言，刀具磨損主要表現(xiàn)在所加工的零件尺寸不合格、加工表面粗糙度不能滿(mǎn)足圖樣要求。

圖1 刀具磨損過(guò)程曲線

刀具破損是刀具磨損到一定程度后，仍繼續(xù)使用，由于切削力和切削溫度周期性沖擊，刀具出現(xiàn)劇烈磨損，切削熱急劇升高，刀具材料內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生突變，引起切削刃和刀面的破損，常見(jiàn)的表現(xiàn)形式有：崩刃、剝落、裂紋破碎、折斷等。這種現(xiàn)象會(huì)直接導(dǎo)致刀具、零件報(bào)廢，甚至?xí)绊懺O(shè)備的加工精度，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在加工過(guò)程中，必須重點(diǎn)控制該類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生。

刀具品質(zhì)不良是指刀具廠家所生產(chǎn)的刀具本身質(zhì)量不能滿(mǎn)足加工要求，主要表現(xiàn)在切削性能不能達(dá)到使用要求，刀具參數(shù)不符合切削要求，容易出現(xiàn)刀具灼傷或斷裂的現(xiàn)象，此類(lèi)刀具在使用過(guò)程中，操作人員會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工的實(shí)際要求，提前將此類(lèi)刀具剔除或限制使用。

通過(guò)分析刀具的失效形式，對(duì)于品質(zhì)不良的刀具，我們可以提前進(jìn)行預(yù)防，限制此類(lèi)刀具的使用，減少刀具壽命對(duì)刀具的影響，但刀具磨損和破損是刀具在使用過(guò)程中不可避免的問(wèn)題，因此這兩種現(xiàn)象是生產(chǎn)線刀具壽命控制的關(guān)鍵。

（2）刀具壽命控制方法

在加工過(guò)程中，對(duì)于刀具壽命的控制主要靠以下幾種方式。

1）憑借加工工人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，刀具壽命是否達(dá)到極限。

2）依靠加工產(chǎn)品的質(zhì)量是否滿(mǎn)足要求，來(lái)判定刀具的壽命是否到期。

3）部分機(jī)床依靠設(shè)備的基本功能，對(duì)刀具使用階段的壽命進(jìn)行監(jiān)控。

以上方法，人為參與的因素較多，雖然能對(duì)一些特殊刀具進(jìn)行控制，但控制的方法和傳遞的信息有一定的延時(shí)性和滯后性，不能充分反映刀具在使用過(guò)程中的真實(shí)情況，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)線實(shí)時(shí)跟蹤刀具的目的，因此無(wú)可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2.3 生產(chǎn)線刀具壽命控制方法

生產(chǎn)線在運(yùn)行過(guò)程中，要求實(shí)時(shí)跟蹤刀具的使用狀況，方便快捷地反映零件的加工狀態(tài)，通過(guò)同行業(yè)內(nèi)的調(diào)研考察，可按以下幾個(gè)方面控制生產(chǎn)線的刀具壽命。

（1）刀具壽命全過(guò)程控制

依據(jù)生產(chǎn)線加工的特點(diǎn)和現(xiàn)有設(shè)備的基本功能，采用系統(tǒng)自帶的刀具預(yù)測(cè)功能，對(duì)所有的刀具進(jìn)行壽命監(jiān)控。首先將刀具的預(yù)測(cè)壽命值輸入到刀具監(jiān)控功能中相應(yīng)的位置，刀具會(huì)在使用過(guò)程中實(shí)時(shí)跟蹤，與輸入的刀具壽命值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)?shù)毒呤褂脡勖c刀具預(yù)測(cè)壽命的差值達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，機(jī)床刀具壽命控制功能就會(huì)出現(xiàn)預(yù)警提示，提示操作人員及時(shí)更換刀具，如圖2所示。

（2）刀具磨損控制方法

刀具磨損主要影響零件的加工尺寸和表面加工質(zhì)量，對(duì)于生產(chǎn)線而言，線內(nèi)零件連續(xù)加工，無(wú)人干預(yù)。為防止刀具出現(xiàn)磨損，造成成批性質(zhì)量問(wèn)題，一般采用在線測(cè)量技術(shù)，對(duì)所加工零件的精密尺寸進(jìn)行檢測(cè)，在線將測(cè)量的尺寸反饋給中控系統(tǒng)，中控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)測(cè)值與零件加工的尺寸公差進(jìn)行比對(duì)，如果出現(xiàn)不合格信息，中控系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警，終止加工。操作人員會(huì)根據(jù)中控系統(tǒng)的預(yù)警信息及時(shí)更換刀具，采用此種方法監(jiān)控刀具磨損雖然有一定的延時(shí)性，但對(duì)于使用頻次低的刀具而言，能達(dá)到控制零件，保證生產(chǎn)線正常運(yùn)行的目的，因此該方法適宜控制生產(chǎn)線在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的刀具磨損現(xiàn)象。

圖2 刀具壽命控制流程

（3）刀具破損控制方法

刀具破損會(huì)對(duì)零件的加工質(zhì)量產(chǎn)生較大的隱患，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)直接影響整個(gè)孔系的加工，甚至?xí)绊懫渌毒叩恼Ｊ褂谩Ｒ虼耍谏a(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中，刀具破損是我們監(jiān)控的重點(diǎn)。

1）刀具破損預(yù)防檢測(cè)。刀具參數(shù)是加工過(guò)程中刀具與程序的切入點(diǎn)，刀具參數(shù)的正確性直接關(guān)系著零件能否正常加工。為了預(yù)防刀具在切削過(guò)程中出現(xiàn)破損問(wèn)題，我們對(duì)所使用的的刀具，采用在線機(jī)內(nèi)對(duì)刀的方式。對(duì)刀具的參數(shù)進(jìn)行加工前后對(duì)比檢查，可以有效防止加工過(guò)程中產(chǎn)生的刀具破損問(wèn)題。

2）刀具在線加工檢測(cè)。為了更精準(zhǔn)控制零件的加工質(zhì)量，采用刀具監(jiān)控軟件，根據(jù)主軸載荷和切削力，對(duì)刀具進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控，確保了生產(chǎn)線在運(yùn)行過(guò)程中，不會(huì)因刀具問(wèn)題出現(xiàn)零件報(bào)廢的現(xiàn)象，如圖3所示。

（4）刀具壽命收集

刀具壽命是反映刀具質(zhì)量的重要指標(biāo)，在應(yīng)用過(guò)程中，與加工零件的材質(zhì)、裝夾的狀態(tài)、所使用的設(shè)備等條件息息相關(guān)。因此，刀具壽命在使用過(guò)程中并不是一個(gè)準(zhǔn)確值，由于生產(chǎn)線加工狀態(tài)基本一致，條件同。因此，我們可以借助軟件，對(duì)刀具的壽命進(jìn)行周期采集和對(duì)比，檢測(cè)出每把刀具的準(zhǔn)確數(shù)值，然后再將數(shù)值輸入到監(jiān)控軟件中，不斷對(duì)比和校正刀具壽命值，這樣采集出來(lái)的數(shù)據(jù)才能適用于生產(chǎn)線的加工，并能保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，同時(shí)為后續(xù)同類(lèi)產(chǎn)品的加工提供準(zhǔn)確的刀具壽命參考值，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，如圖4所示。

圖3 刀具壽命監(jiān)控

圖4 刀具壽命收集對(duì)比

注：現(xiàn)場(chǎng)收集的額定刀具壽命總是比極限壽命低，而使用軟件監(jiān)控后，不斷優(yōu)化切削參數(shù)，得到的刀具壽命大部分比原來(lái)的壽命高。

（5）不足之處

刀具的磨損、破損往往發(fā)生在一瞬間，為了保證產(chǎn)品加工的穩(wěn)定性和生產(chǎn)線的順利運(yùn)行，對(duì)于加工過(guò)程中刀具壽命的控制要求非常高。目前采用刀具磨損和破損的監(jiān)控軟件，基本上能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)線刀具壽命的控制，達(dá)到監(jiān)控生產(chǎn)線加工質(zhì)量的目的，但在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中還會(huì)存在很多不足之處，具體表現(xiàn)如下。

1）刀具監(jiān)控的軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性差，無(wú)法及時(shí)分析處理動(dòng)態(tài)的特征信號(hào)，且通用性與擴(kuò)展性差。

2）對(duì)于反饋信號(hào)的參數(shù)提取方法及反應(yīng)方式需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3）對(duì)于直徑＜6mm的刀具，加工過(guò)程中，無(wú)法通過(guò)檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，有一定的質(zhì)量隱患。

3、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析生產(chǎn)線的特點(diǎn)和加工需要以及刀具的失效狀態(tài)，根據(jù)不同狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際情況，按照生產(chǎn)線要求進(jìn)行逐點(diǎn)控制，采用刀具壽命全程跟蹤的方法與刀具信息監(jiān)控的方法，實(shí)時(shí)跟蹤刀具的使用狀況。通過(guò)壽命控制，間接反映了零件的加工狀態(tài)，保證了生產(chǎn)線在無(wú)人干預(yù)的情況下，達(dá)到控制零件加工質(zhì)量的目的，為生產(chǎn)線的正常運(yùn)行提供了良好的技術(shù)保障，具有一定的推廣價(jià)值。

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