加工凸轮轴端面孔时刀具防断措施

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摘要：加工中心加工凸轮轴两端面时易断刀，较难加工。为此要及时发现，有防撞、防断措施：每天观察回零刻线，避免机床回零位置不准确，造成刀具因撞机械而损坏；增加红外线感应器，避免因放错工件或选错加工程序造成刀具撞工件而损坏；增加非接触式测量（或接触式测量）装置测量刀具长度，做到及时发现断裂、破损的刀具等措施。

关键词：双头转塔式加工中心；红外感应器；测量元件；刀具负载监控

加工工艺介绍

凸轮轴两端面使用加工中心加工，不同的产品它们的长短尺寸不一，孔的大小、深浅不一，但凸轮轴的结构相同，生产工艺基本相同；使用同一个夹具，换品种时，在刀库中插入安装相应的刀具，切换不同的加工程序，就可进行不同产品的加工。在汽车加工企业中凸轮轴的产量大，根据产能要求每根凸轮轴的生产节拍时间很短，大概27S。

凸轮轴两端的生产过程一般为：铣端面（定总长）钻孔（台阶孔扩孔、镗孔、铰孔、倒角）攻丝铰60°锥孔。由于加工内容多，而因生产节拍及机床因素决定，加工步骤只能有4个工步，因而广泛使用结构复杂的复合刀具。如图1、2所示，是两种不同尺寸要求的凸轮轴零件图纸。

双头加工中心一般是用于需要调头加工的工件，分为左右两个头，数控系统利用各自的通道程序完成工件的加工内容。双头加工中心的刀库与普通加工中心基本一样，因凸轮轴加工的内容少，所以采用转塔式刀库。加工中心由沈阳机床厂制造，采用德国西门子840D数控系统及伺服驱动系统，左右两头机构性能完全相同。如图3所示。

转塔式工中心通过选刀指令使转塔头的旋转、分度、定位来实现机床的自动换刀。我们使用的SU8114加工中心采用4工位转塔式刀架，每个工位上安装有2把刀具，共可以装8把刀具。刀库每个工位都安装两把相同的刀具，主轴动力经过传动机构，一分为二，将动力传给当前工位的两个刀具，可以同时加工两个工件。加工时，一个加工程序可以加工出两个工件，用加工一个工件的时间可以加工出两个工件来。

改造前的状况

1、钻头断：主要是图5所示，凸轮轴钻右端台阶孔时（复合钻头），钻头折断。

2、丝攻断裂：左右两端的螺孔丝攻都会断。

3、铣刀撞夹具、工件：夹具损坏、铣刀片碎裂。

事故原因分析

1、钻头、丝锥断裂原因

如下图复合钻加工时，加工到台阶，切削力将突然变大，如毛坯材料组织不均匀，切削力将有响应的变化，刀具受力情况复杂，而且刀具有冷却孔，截面面积小，而刀具材料是硬质合金，不耐冲击，易于折断；其它钻头、丝攻因同样道理也易于折断。

2、铣刀碰撞夹具、工件的原因

机床进给轴的回零是采用编码器来反馈的，属于增量反馈方式。回零时，机床移动，碰块碰到回零行程开关发出一个信号，让编码器到某一位置时定为零点，行程开关如不灵敏时，编码器可能多转几圈，即回零后的位置可能与回零位置相差一个或几个节距，导致回零误差，这样铣刀进给加工时就可能撞夹具。

由于我们加工的凸轮轴型号不同，长短也不尽相同，当加工短凸轮轴时，操作工放上长凸轮轴时，就会引起铣刀撞工件。

3、防撞、防断对策

（1）铣刀撞夹具。

回零后的位置可能与回零位置相差一个或几个节距，距离较大（2mm整数倍），因此在响应部位刻线进行比较。由于凸轮轴长短不一，在响应部位安装红外线感应器，根据红外线感应器来判断工件的长短，程序运行时首先判断工件长短是否符合所运行的程序。

（2）铣刀折断。

对刀具折断要从两方面着手：一要预防刀具折断，二要及时发现断裂刀具。

预防刀具折断，一是从刀具切削用量，刀具刀具寿命上进行考虑，采用分段切削用量，如台阶部分采用小的进给速度；二是利用设备现有的TM3000监控器进行监控，但要调整相应的参数。

及时发现断裂刀具，通过判断刀长的变化来判断刀具是否折断。

改进方案

1、在机床上划一刻线，每天观察回零刻线，检查回参考点的准确性。

2、增加红外感应检测装置，检测工件型号，数控系统判别是否与加工程序相对应。

3、修改加工程序：分段给定进给速度，在台阶部分采用小的进给。

4、增加铣刀长度检测机构，检查出断裂的刀具。

5、合理调整TM3000刀具寿命监控器，及时发现刀具磨损，更换新刀具。

实施方案

1、加工中心每天开机执行回零操作后，要注意检查各进给轴回零的机械位置，是否与已划刻线相重合，不能只看数控系统的回零提示。

2、增加红外线感应器判别工件型号，选择对应程序加工。

如在机床上装夹错的工件，使刀具与工件相撞，产生刀具损坏。现在为了避免该问题的发生，我们又增加了红外线感应器，进行凸轮轴的品种判别，工件型号不对即报警。如果型号不对，此时，机床不运行，只需按复位键，选手动方式，换工件，打自动即可安全加工。

3、在不影响加工效率的前提下，可适当降低加工孔的进给速度，特别是大的台阶孔的进给

要与其他相区别，采用分段进给速度加工孔。

4、增加铣刀长度检测机构，检查出断裂的刀具。刀具长度检测机构可以采用接触式或非接触式。

接触式测量准确，但需要刀具接触测量元件，需要花费较长的时间；非接触式测量机构，由于刀具不要接触测量元件，在刀具运动过程中就能测量，速度快，对刀长判断有点误差，但对刀长变化较大的断刀可以准确判断。

我们决定两种方法全部采用，用于不同的目的。

（1）增加接触式测量装置。

对不易断裂的盘铣刀采用接触式测量，用于补偿因温度丝杆变长，使刀具与工件位置发生变化。

原理：当刀具接触到弹性开关时，数控系统记住开关触发时的Z轴坐标，与盘铣刀原始刀长进行比较，得出因温度变化的长度。

（2）增加非接触式测量装置。

刀具采用激光测量机构（非接触式测量），用于判断刀具是否断裂。由于机床在加工过程中舱门是关闭的，在加工过程中，操作工又不能注意到刀具是否断裂，主要是复合钻，如刀具断裂，后面的刀具因加工程序控制，将继续加工，造成后续刀具折断，采用刀长测量机构有其必要性。

原理：激光测量机构发出一束激光，当刀具移动到一定位置是刀尖反射该激光给激光测量机构，激光测量机构接收到光束时，发一信号给数控系统，记住这一时刻的Z向坐标，起到测量刀长的作用。如刀长发生变化，表示刀具断刀。

5、增加刀具监控装置，实时监控

刀具折断一般是在切削过程中发生的，激光测量机构只是对刀具的刀长进行检测，对有微观的破损及因磨损较大再继续使用将要断刀，激光测量机构是发现不了的。

TM3000负载监控器从刀具负载情况来判断刀具使用情况。在没有激光测量机构前，由于原因比较复杂，小载荷情况下也会断刀，这样就造成控制线调整的比较低，在加工过程中常出现假报警，操作工就调高预警控制线，这时又会出现刀具断裂不报警的情况，操作工会认为TM3000监控器失效，没有办法调整控制线。

当有激光测量机构后，刀具监控从两方面监控，激光测量机构判断刀具是否断裂，TM3000监控器判断刀具负载情况，从力学上进行监控刀具断裂的可能，二者互相补充。

为了降低刀具成本，我们要尽量调高预警控制线。设定步骤如下：

第一步：计算出正常加工的平均值：多次采集次数，并相应记录下正常监控器屏幕所显示负载曲线的谷峰位置数值，计算出正常加工的平均值。

第二步：对发生断刀时负载曲线的谷峰位置数值。如大于平时的正常谷峰位置数值，则该数值就是我们的该刀具的断刀时载荷数据。

第三步：设定三条控制线：

①断刀控制线以断刀时的载荷数据设定。

②刀具磨损继续以该数据的90%设定。

③刀具丢失控制线，以平时正常加工时较低的载荷数据的60%设定，表示刀具不在了。

总结

每天观察回零刻线，避免了机床回零位置不正确，造成刀具因撞夹具而损坏；增加红外线感应器，避免因放错工件或选错加工程序造成刀具因撞工件而损坏；增加非接触式测量（或接触式测量）测量刀具长度，做到及时发现断裂的刀具；预定刀具寿命，合理调整TM3000监控器各刀具的控制线，避免刀具因磨损过大而断刀。

随着数控加工技术的发展和要求，机械加工与其他新技术的结合越来越多，“机电液气一体化” 综合技术的融合应用越来越广泛。本文中运用的压力式感应装置、红外感应技术、激光测量机构、刀具监控等技术，都是传感器技术在数控加工中的运用。在提出的实施方案中比较难的是传感技术怎样与数控装置相匹配，共同完成检测反馈控制。在今后的学习和工作中，多运用新技术、新知识去解决一些实际的问题。