刀具寿命控制在生产线中的应用
2022-5-19 来源：中国航发西安动力控制科技有限公司60分厂 作者：田东缙，王新辉，王震
摘要：随着生产线技术的广泛应用，高产出比和无人化加工已成为加工行业发展的趋势，随之引发的是人们对质量的高度关注，影响零件加工质量的最小控制单元——刀具，已成为我们重点研究的对象。以刀具寿命为切入点，通过分析刀具的失效状态，确定影响刀具磨损、破损的关键因素，制定刀具寿命的控制方法，确保在使用刀具的过程中对各个环节的实时跟踪，为生产线的正常运行奠定良好的质量保证基础。
关键词：刀具失效；磨损；破损；刀具寿命管理
1、序言
随着数控行业向数字化、智能化方向的发展，生产线技术已广泛应用于加工行业的各个领域，生产线技术可以简化生产布局，减少人员数量，生产线内产品均衡连续加工，可以有效缩短零件的加工周期，提高零件的加工效率，且成本低。为了提高复杂壳体的加工效率，缩短零件的加工周期，依托国家专项资金，建立复杂壳体加工自动生产线，但在建立过程中，考虑到零件加工的稳定性和可靠性，必须对加工质量的最小单元——刀具，进行实时跟踪，才能有效保证零件的加工质量，确保生产线的顺利运行。
2、刀具寿命控制
2.1 必要性
衡量刀具性能的重要指标——刀具寿命，不仅影响零件的加工效率，而且对于产品的质量至关重要，针对生产线而言，刀具寿命是质量控制的重点关注对象。在生产线正常加工过程中，都无人干预，如果刀具出现质量问题不能及时被发现，轻则会出现成批性质量问题，重则会造成设备撞击事件。因此，必须严格控制刀具寿命，实时跟踪刀具的切削状态，对刀具的使用状况进行在线控制，对加工过程中出现的刀具磨损或破损现象，及时预警更换，才能更好地保证零件的加工进程，确保零件在加工过程中，不会因刀具寿命出现质量问题。
2.2 现状
传统的加工方式一般为单机单人操作，加工过程中，主要依靠工人凭借加工经验对刀具进行实时监控和更换，因此对于刀具寿命也无量化要求，只单凭工人的加工经验和感觉。
（1）刀具失效的形式
刀具失效是指刀具使用一段时间后，在切削过程中，刀具刃部失去切削能力，常见的刀具失效形式有刀具磨损、破损和刀具品质不良。刀具磨损是刀具的刃部在切削一段时间后，切削能力下降，不能满足所加工的尺寸和表面粗糙度要求，如图1所示。出现此类现象，就需要及时更换刀具，防止刀具出现破损现象，对于壳体加工而言，刀具磨损主要表现在所加工的零件尺寸不合格、加工表面粗糙度不能满足图样要求。
图1 刀具磨损过程曲线
刀具破损是刀具磨损到一定程度后，仍继续使用，由于切削力和切削温度周期性冲击，刀具出现剧烈磨损，切削热急剧升高，刀具材料内部应力发生突变，引起切削刃和刀面的破损，常见的表现形式有：崩刃、剥落、裂纹破碎、折断等。这种现象会直接导致刀具、零件报废，甚至会影响设备的加工精度，造成较大的经济损失。因此，在加工过程中，必须重点控制该类现象的发生。
刀具品质不良是指刀具厂家所生产的刀具本身质量不能满足加工要求，主要表现在切削性能不能达到使用要求，刀具参数不符合切削要求，容易出现刀具灼伤或断裂的现象，此类刀具在使用过程中，操作人员会根据现场加工的实际要求，提前将此类刀具剔除或限制使用。
通过分析刀具的失效形式，对于品质不良的刀具，我们可以提前进行预防，限制此类刀具的使用，减少刀具寿命对刀具的影响，但刀具磨损和破损是刀具在使用过程中不可避免的问题，因此这两种现象是生产线刀具寿命控制的关键。
（2）刀具寿命控制方法
在加工过程中，对于刀具寿命的控制主要靠以下几种方式。
1）凭借加工工人的经验进行判断，刀具寿命是否达到极限。
2）依靠加工产品的质量是否满足要求，来判定刀具的寿命是否到期。
3）部分机床依靠设备的基本功能，对刀具使用阶段的寿命进行监控。
以上方法，人为参与的因素较多，虽然能对一些特殊刀具进行控制，但控制的方法和传递的信息有一定的延时性和滞后性，不能充分反映刀具在使用过程中的真实情况，不能满足生产线实时跟踪刀具的目的，因此无可借鉴经验。
2.3 生产线刀具寿命控制方法
生产线在运行过程中，要求实时跟踪刀具的使用状况，方便快捷地反映零件的加工状态，通过同行业内的调研考察，可按以下几个方面控制生产线的刀具寿命。
（1）刀具寿命全过程控制
依据生产线加工的特点和现有设备的基本功能，采用系统自带的刀具预测功能，对所有的刀具进行寿命监控。首先将刀具的预测寿命值输入到刀具监控功能中相应的位置，刀具会在使用过程中实时跟踪，与输入的刀具寿命值进行比对，当刀具使用寿命与刀具预测寿命的差值达到临界点时，机床刀具寿命控制功能就会出现预警提示，提示操作人员及时更换刀具，如图2所示。
（2）刀具磨损控制方法
刀具磨损主要影响零件的加工尺寸和表面加工质量，对于生产线而言，线内零件连续加工，无人干预。为防止刀具出现磨损，造成成批性质量问题，一般采用在线测量技术，对所加工零件的精密尺寸进行检测，在线将测量的尺寸反馈给中控系统，中控系统根据实测值与零件加工的尺寸公差进行比对，如果出现不合格信息，中控系统会出现报警，终止加工。操作人员会根据中控系统的预警信息及时更换刀具，采用此种方法监控刀具磨损虽然有一定的延时性，但对于使用频次低的刀具而言，能达到控制零件，保证生产线正常运行的目的，因此该方法适宜控制生产线在运行过程中出现的刀具磨损现象。
图2 刀具寿命控制流程
（3）刀具破损控制方法
刀具破损会对零件的加工质量产生较大的隐患，如果不能及时发现，会直接影响整个孔系的加工，甚至会影响其他刀具的正常使用。因此，在生产线运行过程中，刀具破损是我们监控的重点。
1）刀具破损预防检测。刀具参数是加工过程中刀具与程序的切入点，刀具参数的正确性直接关系着零件能否正常加工。为了预防刀具在切削过程中出现破损问题，我们对所使用的的刀具，采用在线机内对刀的方式。对刀具的参数进行加工前后对比检查，可以有效防止加工过程中产生的刀具破损问题。
2）刀具在线加工检测。为了更精准控制零件的加工质量，采用刀具监控软件，根据主轴载荷和切削力，对刀具进行实时跟踪监控，确保了生产线在运行过程中，不会因刀具问题出现零件报废的现象，如图3所示。
（4）刀具寿命收集
刀具寿命是反映刀具质量的重要指标，在应用过程中，与加工零件的材质、装夹的状态、所使用的设备等条件息息相关。因此，刀具寿命在使用过程中并不是一个准确值，由于生产线加工状态基本一致，条件同。因此，我们可以借助软件，对刀具的寿命进行周期采集和对比，检测出每把刀具的准确数值，然后再将数值输入到监控软件中，不断对比和校正刀具寿命值，这样采集出来的数据才能适用于生产线的加工，并能保证生产线的正常运行，同时为后续同类产品的加工提供准确的刀具寿命参考值，具有一定的经济效益，如图4所示。
图3 刀具寿命监控
图4 刀具寿命收集对比
注：现场收集的额定刀具寿命总是比极限寿命低，而使用软件监控后，不断优化切削参数，得到的刀具寿命大部分比原来的寿命高。
（5）不足之处
刀具的磨损、破损往往发生在一瞬间，为了保证产品加工的稳定性和生产线的顺利运行，对于加工过程中刀具寿命的控制要求非常高。目前采用刀具磨损和破损的监控软件，基本上能够满足生产线刀具寿命的控制，达到监控生产线加工质量的目的，但在实际运用过程中还会存在很多不足之处，具体表现如下。
1）刀具监控的软件系统运行稳定性差，无法及时分析处理动态的特征信号，且通用性与扩展性差。
2）对于反馈信号的参数提取方法及反应方式需要进一步改进。
3）对于直径＜6mm的刀具，加工过程中，无法通过检测主轴转矩进行实时跟踪，有一定的质量隐患。
3、结束语
本文通过分析生产线的特点和加工需要以及刀具的失效状态，根据不同状态所对应的实际情况，按照生产线要求进行逐点控制，采用刀具寿命全程跟踪的方法与刀具信息监控的方法，实时跟踪刀具的使用状况。通过寿命控制，间接反映了零件的加工状态，保证了生产线在无人干预的情况下，达到控制零件加工质量的目的，为生产线的正常运行提供了良好的技术保障，具有一定的推广价值。
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