微孔加工的在線監控
2014-1-5 來源：數控機床市場網 作者：-
內燃機燃油噴嘴所承受的壓力高達2000BAR，因此對其加工精度提出了極高要求，其中包括機床的制造精度以及對刀具在加工中的狀態進行有效而可靠的監控。
位于德國BAMBERG的羅伯特－博世公司（ROBERTBOSCH）在20世紀發明了燃油噴射泵，無論采用何種增壓系統（如泵／噴油嘴或柴油機進氣噴油系統），燃油都必須經壓縮后進入噴管體。噴管體內有一微孔，當各汽缸的工作狀態處于壓縮行程時，這些微孔將通過噴嘴針閥被開啟或關閉，噴嘴針閥與噴管體之間的間隙公差僅為幾個微米。
工件經過鉆削加工后還需要進行磨削，為了避免磨削細長工件時產生彈性彎曲變形，磨削加工過程不宜過長，這就要求工件在初加工后，公差就基本達到設計要求，最后只需進行磨光處理。
博世公司在加工噴管體時，工件在磨削加工之前就在MIKRON圓盤式節拍自動機床上用鉆頭和鉸刀對孔進行了初加工。MIKRON機床（尤其是瑞士式加工機床）為眾多精密機床制造商和用戶所熟知。在精密制造行業中，除了加工機床的精度極高以外，所使用的刀具同樣具有制造精度高且幾何尺寸極小的特點。
多年來，MIKRON機床一直采用由HüRTH公司提供的NORDMAN刀具監控器。該設備是迄今為止人們找到的一種可對難以檢測部位實施監控（如對直徑小于0.1MM微小孔加工過程的監控）的有效工具。這里，為了實現對工件和刀具在加工過程中所產生聲波的測量，是將冷卻潤滑介質的射流束作為聲波的傳導體，由液體傳聲檢波器予以接收。而在測量有功功率時，則可根據主軸的驅動情況，通過信號總線進行數字測量，或在刀具監控器上進行三相模擬測量。
博世公司主要通過測量加工機床的有功功率來對其進行監控，其原因是，在靠近加工刀具的位置排列安裝了冷卻潤滑介質噴嘴，在狹小的空間內難以再安裝用于刀具監控的其它機械探頭。
測得的機床刀具軸的有功功率曲線通常由線性的上極限和下極限（即包絡曲線）的形式給出。下極限一般總是位于鋒利刀具測量曲線的下方，而上極限始終在不鋒利刀具測量曲線的上方。在博世公司，人們希望測量曲線始終處于一個較窄的、均勻的區間內。然而，這并不僅僅取決于刀具是否鋒利，在切削加工過程中，刀具出現一些極微小的破損，或其他一些突變因素，都會引起測量曲線發生變化。由于包絡曲線的上、下極限之間有一定的寬度要求，這就需要對測量曲線中因刀具磨損而發生變化的部分予以補償。這種補償值是通過對8個以上工件進行加工時獲得的測量曲線取平均值計算得出。此后，工件的測量曲線將用補償后的包絡曲線加以評判。在切削過程中，刀具會不斷磨損，因此需要隨時對包絡曲線進行補償，以與刀具的磨損相適應，故通常將這種曲線稱為“滑移曲線”。
MIKRON圓盤式節拍自動機床的操作工OTTOHALAMA這樣描述噴管體的制造過程：通常，除監控鉆頭破損外，我們還可以通過NORDMAN系統將預加工量控制在0.02MM以內，同時還能檢測出鉆頭的磨損是否均勻。當測量剛開始時，如測量值的分布明顯呈分散狀態，則意味著鉆頭磨損加大，機床刀具軸的軸承存在缺陷。如測量曲線數值的分散度過大，也會導致包絡曲線上、下極限值發生波動。
在MIKRON的DICO－18型機床的加工過程中，當更換了新刀具后，刀具監控器的測量曲線會忽左忽右地擺動，此外，用鋒利的新刀具加工時測出的曲線值一般偏低。因此，每當刀具磨損進行更換后，滑移包絡曲線都需要通過重新自學習而設定新的閾值，并隨時將采集到的加工測量數據與通過自學習設定的閾值進行比較，這里，一般會將未更換鋒利刀具以前測得的包絡曲線向下調整。對于某個單一的加工工位而言，這種“自適應學習”過程可通過“菜單”來設定，但為了方便起見，在刀具監控器的右側還設置了帶工位數的操作鍵。當處于某一加工工位時，可在對已加工孔的測量曲線進行求平均值處理的基礎上，一邊觀測，一邊操作對應工位的按鍵，即可對包絡曲線進行調整和設定，隨后再重新啟動加工過程。
在MIKRON的DICO－18型機床上，通過測量曲線的分散值，也可以觀測出加工刀具的磨損狀況。應將有功功率測量曲線的分散值控制在一定范圍內，該范圍是通過對一定量的工件測量數據進行處理后得出的，并可在刀具監控器上繪制出趨勢圖。
盡管有功功率測量曲線所設定的包絡曲線范圍很窄，但偶爾也可能出現這種情況，即當鉆頭直徑很小時（如小于1MM），雖然鉆頭發生了微小破損，但通過有功功率測量卻無法識別。此時，就需要采用聲發射液體傳聲檢波器，其工作原理為：當在工件或刀具的金屬固體材料上出現微小破損時，會發出一種特殊的、類似喀吱聲的噪音，從而在金屬固體材料內部形成可傳播的聲波，再通過加工中使用的冷卻潤滑介質作為聲波導體進行傳播，最終被聲發射液體傳聲檢測器所接收。流體傳遞聲波具有傳播頻率范圍大、干涉損失小、信號失真小等特點。在MIKRON圓盤式節拍自動機床上，通過有功功率的測量，可對所有的工位進行監控，包括對直徑從0.8MM縮小為0.4MM的錐形氣門座這種精密工件的加工過程進行監控。但是，只有采用在機床上附加安裝的聲發射液體傳聲檢波器，才能對加工中因刀具刀尖的微小破損而引起的聲波頻率變化進行測量和監控。當然，這種測量和監控也比較困難，因為對于微小孔的加工而言，4MM的直徑已經算是相當大了，即使用這種直徑的鉆頭進行鉆削加工，其噪聲頻率也已經相當高了。
在加工錐形氣門座時，為了監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。
加工過程監控是一項復雜而困難的任務，監控器通過自適應學習，可繪制出加工過程中AE、功率等參量變化的實時曲線。除了各類傳感器、監控器以外，軟件及數據處理技術也至關重要，只有通過機床生產商與用戶之間的密切合作，才能有效地解決這一難題。
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