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模具加工过程中的关键技术:刀具监控

发布日期:2021-08-25

在全球工业4.0 革命的浪潮下,机械制造产业,除了追求生产效率提升以及降低生产成本、品质稳定外,近年来台湾厂商纷纷寻求转型,朝向智慧化生产,自动化、无人化发展,为了达成智慧化生产,加工智慧监控为重要项目。

在加工智慧监控中,刀具监控是其中一项关键技术。以切削加工为例,所有加工中都必须使用到刀具,最常发生的切削异常如刃口积屑(Build-Up-Edge,BUE)、断刀(Cutter Breakage) 与刀具磨耗(Tool Wear),都与刀具有关,而发生切削异常的原因有许多种,例如当切削条件选择不适当时,容易发生刃口积屑、断刀,导致工件及刀具毁损;此外,加工过程中随着切削次数的累积,刀具会逐渐产生磨耗,若换刀过晚,会影响工件表面粗糙度、产品精度;若换刀时机过早,则易造成刀具成本提升与换刀时间增加,影响产能,因此,刀具磨耗中重要的是如何判断出刀具临界寿命,以便选择正确的更换刀具时机,还有如何避免切削异常也是提升加工效益的关键。

刀具监控

刀具切削异常监控方法,其中包括刃口积屑与断刀监控,接着探讨刀具磨耗之型态、各磨耗型态对临界寿命的影响、切削异常定义,以及刀具临界寿命定义,以振动讯号处理与暂态讯号分析法分析大量切削振动讯号,找到刀具临界寿命发生时的讯号特性,归纳建立刀具监控法则,最后完成刀具切削异常诊断方法。

刃口积屑与断刀

刃口积屑即是BUE,产生原因通常是高速切削过程中进给速率过快,以及切削延伸性较高的工件材料(软钢、铝、黄铜等)产生連续切屑时,切屑与刀刃间的摩擦过大,致使切屑熔著於刀刃之刀尖点,被加工材料受到加工硬化产生之变质硬化物质,包围刀尖后取代刀尖进行切削之工作,持续增加刀刃口与工件表面的摩擦力,使得刃口处的产生积屑不断累积,切削阻抗不平衡增大因而发生切削異常振动,刃口积屑导致工件表面精度降低并且造成刀具磨耗与主轴损坏。断刀发生的原因,通常都是进给过快或者是发生撞机以及刀具寿命到达极限而导致。当断刀发生时,若无法立即停机换刀,其最主要的影响,除会浪费时间之外,还会因为断刀而导致成本的增加。

刀具临界磨耗

从锐利的新刀使用到磨耗后需要被更换中间的时间,随刀具使用次数上升,刀具磨耗沿着一趋缓的曲线上升,直到曲线开始加速往上前,此时为刀具理论寿命,接着曲线会开始加速上升亦即磨耗加速。

一般而言,具有切削刃的刀具破坏型态可分为破裂(崩裂与断裂)与磨耗两大类型,这两大类型破坏通常都不会单独存在,并且随着切削条件、切削方式与加工材料的不同也会有所差异。

大连模具加工

上述的刀具破坏机制,通常发生的部位在于刀面、刀腹及刀刃上,并以圆周凹陷痕迹的方式显现其刀具的磨耗,这是由于刀具表面与加工材料间接触且不停的摩擦,并产生很高的温度,高热流动的加工材料在刀具表面上侵蚀出一至数道凹槽,此种交互作用的结果,会加剧凹陷痕迹逐渐加宽加深。

在刀磨耗至某一定程度后,其磨耗速度会快速增加,之后很快就会不堪使用,此可视为刀具接近临界寿命。研究定义达到VB=0.3mm 时为刀具的临界寿命。由验证发现,临界寿命发生后,一般可再切削若干次数之后就必须换刀,否则将严重影响工件精度。因此为了确保加工精度及刀具使用效益,要能即时诊断找出刀具的临界寿命以作适时换刀处置。

刀具磨耗

实验数据分析

为能采集分析刀具磨耗过程中振动讯号的变化,因此验证过程设计使用至刀具临界寿命观察点,并持续至刀具损坏为止。可以得知,当刀具切削至第23笔时,X 轴振动开始有大幅的升高(由原本约0.16g升高至接近0.4g)对照此时刀具磨耗情形,可确认刀具已发生大量磨耗,且达到临界磨耗标準。A1 刀具铣削三轴方向振动量分布图在此实验里得知,当刀具切削至23 笔前的这段切削振动为相对稳定的状态,振动值都落在0.1g~0.2g 内。第23 笔后振动值开始大幅提升接近0.38g,在第32笔后振动值虽有上下跳动,但大多保持在接近0.4g。观察本实验可知,磨耗初期振动为相对稳定的成长,达到一定程度时其振动会显著增加,磨耗后期(第32次后)因刀具已磨耗严重,振动虽有跳动但都维持一定的程度,故可将此定为临界寿命点。


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