立銑刀崩刀在線檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用

唐恒　金亮

摘 要：本文對立銑刀的基本信息及現(xiàn)狀進行了論述，通過對立銑刀在線檢測方法和機構(gòu)的分析及研究，實現(xiàn)了立銑刀崩刀后的可探測性，減少了工件返修和報廢浪費，可為其他發(fā)動機工廠提供參考。

關(guān)鍵詞：立銑刀 崩刀 在線檢測

Research and Application of Vertical Milling Cutter Collapsing on-line Detection Technology

Tang Heng Jin Liang

Abstract：This paper discusses the basic information and current situation of milling cutter， through analyzing and researching on-line detection methods and equipment to implement the detectability， and reduces the repairing and scraping of workpiece after vertical milling cutter collapsing， which can provide reference for other engine factory.

Key words：vertical milling cutter， collapse knife， on-line detection

1 立銑刀基本信息

立銑刀的主切削刃在圓柱面上，端面上的切削刃是副切削刃。立銑刀在加工過程中不能沿著銑刀的軸向作進給運動，只能在加工表面做徑向切削。立銑刀可用于側(cè)面加工、槽加工、曲面加工及凸臺端面等特征的加工。一般根據(jù)已加工表面的形狀及加工面的質(zhì)量要求，采用的立銑刀的種類也會不同。特別是隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，人們對刀具的涂層技術(shù)與材料技術(shù)的研究有了突破性的進展，涂層硬質(zhì)合金整體立銑刀和可轉(zhuǎn)位立銑刀逐漸普及，慢慢替代了傳統(tǒng)的高速鋼整體式立銑刀，并被廣泛應(yīng)用在模具加工、高硬度材料等加工領(lǐng)域。

對于立銑刀的整體結(jié)構(gòu)，可切削的部位主要由刀徑、排屑槽、刃長、螺旋角等構(gòu)成，（見圖1）。刀徑一般根據(jù)被加工面的形狀和尺寸來選擇。排屑槽的作用是便于切屑排出，使其斷屑不會對已加工表面造成不良影響，排屑槽的形狀和特點會影響到加工效率和加工質(zhì)量。刃長的選擇一般是根據(jù)被加工表面的余量來進行選擇，特別是對于存在單邊側(cè)面銑削的被加工表面，刃長的選擇尤其需要注意。單邊側(cè)面銑削會使立銑刀刃長受力過大，一般在立銑刀失效模式中，崩刀或崩刃的情況占大多數(shù)，而在軸向方向上的斷刀的占比就比較少。因為目前在國內(nèi)外所有發(fā)動機工廠中，立銑刀崩刀都沒有在線檢測技術(shù)和機構(gòu)，所以立銑刀在線檢測是各發(fā)動機工廠迫切需求的。

2 立銑刀現(xiàn)狀

由于市場需求，柳州某汽車公司吸取了B15T增壓發(fā)動機的項目經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了N15T增壓發(fā)動機來降低排放和獲得更強的動力，特別是對N15T增壓缸體的噴油嘴安裝面進行了相關(guān)優(yōu)化。改進后的N15T增壓缸體噴油嘴安裝面結(jié)構(gòu)更復雜，單邊切削余量更大，所以對立銑刀的加工工藝及檢測手段要求更高。2019年10月份該公司發(fā)動機工廠在N15T增壓缸體項目制造過程中，因立銑刀懸伸長及安裝面切削余量大，導致立銑刀頻繁崩刀。立銑刀崩刀會導致安缸體噴油嘴安裝面存在銑不完和加工斷刀的情況（見圖2-7），異常工件需要進行返修造成返修浪費;造成刀具壽命下降、制造成本上升。（見圖8）噴油嘴安裝面加工異常會導致增壓噴油嘴安裝不上、安裝角度異常，從而出現(xiàn)發(fā)動機漏油、活塞冷卻能力下降，發(fā)動機運轉(zhuǎn)時溫度過高、發(fā)動機拉缸、動力性下降等嚴重售后質(zhì)量問題。

因立銑刀直徑較大，一般潛在失效模式為崩刀。目前幾乎所有的立銑刀都無法采用斷刀檢測的手段來識別是否崩刀，另外國內(nèi)外所有發(fā)動機工廠都無在線檢測崩刀的檢測機構(gòu)或設(shè)備，不能及時有效地判斷出立銑刀是否失效，時常導致批量質(zhì)量問題的發(fā)生。通過調(diào)查該發(fā)動機工廠缸體線所有刀具并進行分類分析，立銑刀占總刀具總數(shù)的4%左右。因為部分立銑刀加工工藝較為復雜，加工環(huán)境惡劣，特別是對于在缸體曲軸室內(nèi)的加工特征，當?shù)度斜赖栋l(fā)生后，失效特征員工很難發(fā)現(xiàn)，極易產(chǎn)生批量質(zhì)量問題，所以需對重要立銑刀增加在線檢測手段。（見圖9-10）

3 立銑刀崩刀檢測方案分析及研究

在CNC（加工中心）中，大多數(shù)設(shè)備制造商都會設(shè)計相關(guān)的刀具斷刀檢測功能，其目的是為了檢測刀具的加工狀態(tài)，避免因刀具斷刀產(chǎn)生批量質(zhì)量問題。斷刀檢測的原理是：用定位驅(qū)動裝置將滑板移到帶有掃描系統(tǒng)的鉆頭或絲錐刀尖處。如果刀具完整，則感應(yīng)式的接近開關(guān)檢測到彈簧薄鋼板，并發(fā)送刀尖存在的信號;如果刀尖斷裂，則彈簧薄鋼板無法到達接近開關(guān)點，傳感器無信號，設(shè)備發(fā)出斷刀報警信號。見圖（11-12）

查詢CNC（加工中心設(shè)備）的使用手冊說明，斷刀檢測內(nèi)容明確標注了斷刀檢測所適用的條件，即只能對直徑為n3～n12mm及長度為95mm～300mm（可選用500mm）內(nèi)的鉆頭或絲錐類型的刀具進行檢測，斷刀檢測機構(gòu)只能檢測刀具在長度方向上的斷裂，無法對刀具直徑方向上的崩刀進行檢測。所以對于立銑刀的潛在失效模式，斷刀檢測不能適用，見圖（13）。如果考慮在CNC（加工中心）內(nèi)部再單獨增加一套類似的檢測機構(gòu)，專門對刀具直徑方向進行檢測，則會增加設(shè)備的制造成本，產(chǎn)生額外的采購費用。另外設(shè)備結(jié)構(gòu)會過于龐大和復雜，進而影響設(shè)備的穩(wěn)定性，不利于設(shè)備后期的維修和保潔。

為解決立銑刀頻繁崩刀的問題，該發(fā)動機工廠成立了問題攻關(guān)團隊，通過設(shè)計立銑刀崩刀在線檢測方法和檢測機構(gòu)，實現(xiàn)了立銑刀的在線檢測功能，降低了立銑刀崩刀所造成的工件返修及報廢成本。該檢測方法參考了CNC（加工中心）斷刀檢測的原理，但在機構(gòu)設(shè)計上進行了簡化處理，通過利用CNC（加工中心）主軸高精度的精確準停及較小的移動誤差，及優(yōu)化相應(yīng)的程序邏輯，將立銑刀崩刀檢測機構(gòu)集成在加工倉中，特別是不占用CNC（加工中心）的內(nèi)部空間，對設(shè)備維修和保潔影響較小。最后制定了立銑刀崩刀檢測相關(guān)流程指導員工進行標準化作業(yè)，讓員工明確知道立銑刀崩刀后觸發(fā)的設(shè)備報警信息，并采取相應(yīng)的行動措施，見圖（14）。

該立銑刀檢測機構(gòu)基于立銑刀崩刀時在長度方向的距離改變不大，但在刀尖的直徑方向距離改變較大的基本情況，通過對直徑方向的距離判斷刀具是否崩刀。對于立銑刀有多個刀刃，在程序邏輯設(shè)定中當立銑刀需檢測時，讓主軸夾持刀具進行定角度旋轉(zhuǎn)準停對每一個刀刃的崩刀情況進行確認。而在線崩刀檢測機構(gòu)的執(zhí)行動作由CNC（加工中心）的NC/PMC程序控制，當在線崩刀檢測機構(gòu)檢測到刀具狀態(tài)異常時，傳感器信號狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，傳感器檢測信號由CNC（加工中心）的PMC程序傳輸給加工中心的控制器，CNC（加工中心）發(fā)出報警，并在面板上顯示相應(yīng)的報警信息，提示員工檢查工件的加工情況和刀具狀態(tài)。立銑刀崩刀檢測機構(gòu)示意圖見圖（15）。

因為CNC（加工中心）主軸的精確準停及誤差移動小的特點，該立銑刀的檢測機構(gòu)檢測崩刀的高度精度可達到1mm，檢測機構(gòu)設(shè)計簡單，大部分采用機械結(jié)構(gòu)，所以該檢測機構(gòu)的穩(wěn)定性較好，很少出現(xiàn)檢測故障。為了確保該檢測機構(gòu)的可靠性，立銑刀崩刀檢測機構(gòu)需定期進行相關(guān)的防錯驗證，所以在工藝文件中明確要求防錯驗證的操作內(nèi)容及方法，并讓員工定期使用特定的驗證刀具進行驗證，記錄其驗證結(jié)果。如果驗證時出現(xiàn)異常問題，需要及時反饋相關(guān)部門對檢測機構(gòu)進行修復。見圖（16-17）。

通過對立銑刀崩刀在線檢測技術(shù)的研究，設(shè)計了在線檢測立銑刀的崩刀檢測機構(gòu)，并制定相關(guān)探測方法，提高了立銑刀崩刀潛在風險的探測度。在CNC（加工中心）的加工倉中增加在線崩刀檢測機構(gòu)，并優(yōu)化相應(yīng)的PMC/NC程序。經(jīng)驗證后該機構(gòu)能夠100%識別立銑刀的崩刀失效模式，可防止批量質(zhì)量問題的發(fā)生。該機構(gòu)已在柳州某發(fā)動機工廠應(yīng)用成功。從2019年12月開始安裝立銑刀在線崩刀檢測機構(gòu)后，缸體增壓N15T噴油嘴安裝面刀具崩刀頻次明顯降低，達到了預(yù)期的目的，見圖18。

4 結(jié)束語

通過對立銑刀崩刀失效模式分析，自主設(shè)計在線崩刀檢測機構(gòu)相應(yīng)的檢測方法，提高了立銑刀崩刀潛在風險的探測度，避免了工件批量報廢，對生產(chǎn)線的的質(zhì)量控制具有重大意義。