孫蘭芳 王磊
摘 要:論述了固體聲監(jiān)控系統(tǒng)在磨削工件和砂輪修整中的作用。加工時(shí),通過分析固體聲曲線,可以了解磨削狀態(tài),有效提高產(chǎn)品質(zhì)量;在砂輪修整時(shí),觀察砂輪修整的固體聲曲線的接觸點(diǎn),可以優(yōu)化金剛滾輪的損耗比參數(shù),減少砂輪修整報(bào)警故障。
關(guān)鍵詞:砂輪修整;損耗比;固體聲;監(jiān)控系統(tǒng)
中圖分類號(hào):TG659? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? 文章編號(hào):1671-0797(2023)09-0055-05
DOI:10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.016
0? ? 引言
曲軸生產(chǎn)線精加工工藝一般采用磨削加工,磨削加工能保證加工尺寸和幾何公差,且質(zhì)量穩(wěn)定。我公司曲軸精加工使用德國進(jìn)口的高端CBN數(shù)控磨床,采用Dittel-System 6000固體聲監(jiān)控系統(tǒng)及傳感器監(jiān)控磨削加工和砂輪修整過程,若有異常,則觸發(fā)相關(guān)的報(bào)警及停止方式,提高了加工的安全性和工件的磨削質(zhì)量。
1? ? 固體聲監(jiān)控系統(tǒng)
1.1? ? 監(jiān)控原理
曲軸精加工高端數(shù)控磨床使用的是FANUC 31i-B5[1]數(shù)控系統(tǒng),采用雙通道控制雙砂輪電主軸的結(jié)構(gòu)。固體聲Dittel AE6000[2]通過Profibus-DP總線連接到數(shù)控系統(tǒng),AE6000固體聲監(jiān)控模塊每個(gè)砂輪主軸使用一個(gè)通過AE6000的#21接口連接到固體聲傳感器。固體聲傳感器[3]選用內(nèi)置在砂輪主軸動(dòng)平衡器內(nèi)的ID Senser(圖1),通過非接觸式發(fā)送器和接收器進(jìn)行信號(hào)與數(shù)據(jù)的傳輸,發(fā)送器和接收器的間隙是0.5~1 mm。
1.2? ? 固體聲參數(shù)設(shè)置及界面顯示
本機(jī)床開發(fā)了2個(gè)通道的程序,每個(gè)通道開發(fā)了4個(gè)Set參數(shù)(表1),每個(gè)Set設(shè)置4個(gè)Limit限值。固體聲監(jiān)控曲線通過工控機(jī)的屏幕顯示,通常嵌入在加工界面HMI的底部(圖2)。
2? ? 磨削加工
使用數(shù)控止推面端面外圓磨床加工曲軸凸臺(tái)外圓、法蘭外圓和端面、止推面,通道1“砂輪1”加工止推面,通道2使用成型“砂輪2”加工凸輪外圓、法蘭外圓和端面(圖3)。
2.1? ? 法蘭端面平面度接近公差上限
操作工在抽檢(抽檢頻次是50件/次)時(shí)發(fā)現(xiàn)曲軸法蘭端面的平面度為0.023 mm,接近公差上限,平面度要求是0~0.025 mm。
統(tǒng)計(jì)砂輪在一個(gè)修整周期(250件/次)的加工,跟蹤加工狀況:首件平面度為1.0 μm,增大抽檢頻次到10件/次,到100件時(shí)變成14.0 μm(圖4),平面度逐漸變大,有超公差的趨勢(shì),磨削質(zhì)量[4]下降,需要研究磨削過程[5]。
2.2? ? 加工時(shí)固體聲監(jiān)控曲線
加工時(shí),觀察固體聲監(jiān)控曲線(圖5),其使用的參數(shù)是“Set10,limit2”,磨削初始,固體聲陡然升起,隨后固體聲曲線平滑波動(dòng)。
按照監(jiān)控曲線分析[6],磨削初始時(shí)固體聲陡然上升,可能在快進(jìn)時(shí)已經(jīng)接觸到工件,然后才進(jìn)入磨削狀態(tài),但該過程監(jiān)控曲線未超limit2限值,機(jī)床未觸發(fā)報(bào)警。若在快進(jìn)行程就已經(jīng)接觸到工件,屬加工異常,則需調(diào)整設(shè)置固體聲參數(shù),使固體聲監(jiān)控及時(shí)報(bào)警,觸發(fā)停止響應(yīng),安全退出。
2.3? ? 程序軌跡及加工參數(shù)
從加工軌跡圖來分析(圖6),縱坐標(biāo)是X軸方向(顯示半徑),橫坐標(biāo)是Z軸方向,加工法蘭端面由Z軸決定加工尺寸。
由表2可知,法蘭端面的磨削過程是從“點(diǎn)2”到“點(diǎn)5”,Z軸坐標(biāo)106.45 mm到106 mm,磨削行程是0.45 mm。如果加工余量大于0.45 mm,那么砂輪就會(huì)在“點(diǎn)2”前即在快進(jìn)時(shí)接觸到工件。
根據(jù)以上分析,跟蹤加工測(cè)量一批工件,檢查加工余量(表3),余量不均,最大達(dá)到0.7 mm。
說明初始接觸是在快進(jìn)的時(shí)候,因快進(jìn)的沖擊,導(dǎo)致“砂輪2”外輪廓受損,并逐漸惡化脫粒(圖7)。法蘭端面與凸臺(tái)的交界附近因砂輪脫粒沒有加工完整,殘余堆積,造成平面度越來越差。
2.4? ? 解決方案
調(diào)整AE監(jiān)控的參數(shù),根據(jù)試驗(yàn)將limit2限值由50%調(diào)整到30%,確保加工異常時(shí),機(jī)床報(bào)警安全停止,但不能解決加工的實(shí)際問題。
根據(jù)前面分析,因快進(jìn)沖擊,導(dǎo)致砂輪受損脫粒,造成平面度超差,解決方案如下:
方案一:從NC程序出發(fā),將快進(jìn)的速度從50 mm/min降低到磨削速度3.5 mm/min,以磨削的速度走完快進(jìn)的行程,即使快進(jìn)行程中接觸到工件,對(duì)砂輪也沒有沖擊,保證砂輪的完好性,確保法蘭端面平面度加工良好,但這會(huì)使加工節(jié)拍延長6 s/件,不滿足節(jié)拍需求,只能作為臨時(shí)措施。
方案二:通過工藝控制前道工序的加工余量在0.45 mm以內(nèi),快進(jìn)不接觸,砂輪不受損,就不會(huì)產(chǎn)生加工隱患,這也是比較合適的方法。
采用以上兩種方案,工件加工時(shí)的固體聲監(jiān)控曲線(圖8)波動(dòng)平緩,并且limit2限值已經(jīng)修改成30%,有效監(jiān)控固體聲曲線,在砂輪的一個(gè)修整周期內(nèi),法蘭端面平面度加工良好。
3? ? 砂輪修整
數(shù)控軸頸磨床雙砂輪電主軸結(jié)構(gòu),加工曲軸的5擋主軸頸和4擋連桿頸,陶瓷CBN砂輪使用金剛滾輪進(jìn)行磨削修整,如圖9所示。
3.1? ? 砂輪修整過程
砂輪修整分成4個(gè)過程(圖10):Stage1碰撞循環(huán)、Stage2接觸循環(huán)、Stage3精確循環(huán)、Stage4精修循環(huán)。
3.1.1? ? Stage1和Stage2搜尋砂輪(Set1,limit1)
Stage1:碰撞循環(huán),砂輪在X軸方向上,從理論的安全距離向前第一次慢速搜尋,此過程要求不能接觸到金剛滾輪,否則報(bào)警退出。
Stage2:接觸循環(huán),在Stage1安全結(jié)束后,進(jìn)入快速搜尋過程,直至固體聲信號(hào)超越“Set1,Limit1”,表示已經(jīng)接觸到金剛滾輪,并記錄“接觸點(diǎn)”的坐標(biāo),結(jié)束搜尋。
固體聲監(jiān)控曲線如圖11中Stage1和Stage2所示。
3.1.2? ? Stage3精確循環(huán)
使用固體聲參數(shù)“Set4,Limit2”監(jiān)控砂輪的修整過程,在程序中設(shè)定n次精確修整循環(huán),即在n次循環(huán)內(nèi)固體聲監(jiān)控曲線全軌跡超越limit2值,表明砂輪輪廓修整好,否則“BM2231:輪廓未能修復(fù)”報(bào)警退回。
“BM2232固體聲信號(hào)不足”如圖12所示,“BM2231:輪廓未能修復(fù)”報(bào)警退回。
若未在砂輪修整接觸區(qū)域的空行程上,監(jiān)控圖形(直線段)也在limit2上面,則機(jī)床“BM2233固體聲信號(hào)持續(xù)過強(qiáng)”,如圖13所示,“BM2231:輪廓未能修復(fù)”報(bào)警退回。輪廓未能修復(fù),先檢查機(jī)床,機(jī)床無異常,校對(duì)實(shí)際的接觸坐標(biāo),然后再檢查固體聲監(jiān)控設(shè)置參數(shù)。按照實(shí)際調(diào)整參數(shù)——噪聲放大系數(shù)或限值比例,也可配合起來調(diào)整。
3.1.3? ? Stage4精修循環(huán)
Stage3完成后轉(zhuǎn)入Stage4,在Stage4中不監(jiān)控固體聲曲線,通過設(shè)定循環(huán)次數(shù)(本機(jī)設(shè)定2次)來結(jié)束修整過程,如圖11中Stage4所示。
對(duì)于修整砂輪從Stage1至Stage4的完整過程,固體聲監(jiān)控曲線如圖11所示。
3.2? ? 修整過程中的問題及解決
3.2.1? ? 砂輪修整報(bào)警
基于砂輪修整技術(shù)的研究[7]統(tǒng)計(jì)修整過程,大多數(shù)的故障報(bào)警發(fā)生在Stage1至Stage2搜尋砂輪過程中,報(bào)警類型有兩類:BM0362修整位置修改過大,BM0363運(yùn)行到修整位置——尺寸過大。
(1)BM0362報(bào)警。
從“安全位置”搜索到達(dá)“理論接觸點(diǎn)”,未接觸,再向前搜索到允許的“最大變化值”,還未接觸到金剛滾輪則報(bào)警,砂輪不退回,雖然修整未成功,但未接觸,相對(duì)安全。造成此現(xiàn)象的原因是金剛滾輪直徑實(shí)際值小,理論值大,需將金剛滾輪的損耗比減小到合適的參數(shù),使得實(shí)際值與理論值接近。
(2)BM0363報(bào)警。
從“安全位置”向前搜索,還未到達(dá)“理論接觸點(diǎn)”,已經(jīng)接觸到金剛滾輪,機(jī)床報(bào)警,砂輪退回。此現(xiàn)象有碰撞風(fēng)險(xiǎn),發(fā)生的原因是金剛滾輪直徑實(shí)際值大,理論值小,需將金剛滾輪的損耗比提高到合適的參數(shù),使得實(shí)際值與理論值相符,降低修整時(shí)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。
3.2.2? ? 問題解決
在Stage1至Stage2搜尋砂輪過程中,無論是BM0362報(bào)警還是BM0363報(bào)警,其根本原因都是金剛滾輪的實(shí)際損耗比R與理論設(shè)置值不相符。理論設(shè)置值初始是經(jīng)驗(yàn)值,需要經(jīng)過長期的數(shù)據(jù)積累才能修正準(zhǔn)確。
跟蹤金剛滾輪一個(gè)使用周期發(fā)現(xiàn),金剛滾輪的消耗周期可能需加工十幾萬個(gè)工件,周期比較長,不能及時(shí)修正損耗比。
定期用數(shù)顯卡尺測(cè)量跟蹤記錄金剛滾輪的直徑d1、d2,計(jì)算金剛滾輪實(shí)際消耗量Δd金剛。通過修整頻次x件/次,每次的修整量p,加工工件m件,計(jì)算出金剛滾輪與砂輪修整時(shí)總消耗量Δd總和。
通過公式計(jì)算損耗比:
Δd金剛=d1-d2
Δd總和=(m/x)×p
R=Δd金剛/Δd總和
修改NC程序中的損耗比R,跟蹤砂輪修整的狀態(tài),不斷修正損耗比R參數(shù),直至符合實(shí)際的消耗,不再報(bào)警。
4? ? 結(jié)語
固體聲監(jiān)控在數(shù)控磨床上的應(yīng)用,提升了磨床的加工安全性和質(zhì)量穩(wěn)定性,并且對(duì)數(shù)控磨床實(shí)現(xiàn)智能化起到了重要作用。
[參考文獻(xiàn)]
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收稿日期:2023-02-15
作者簡(jiǎn)介:孫蘭芳(1980—),女,江蘇泰州人,碩士,高級(jí)工程師,主要從事電氣技術(shù)支持工作。