簡單分析深孔加工切削液溫度在線監(jiān)測及控制

深孔通常是指長徑比大于5的孔。因為在深孔加工過程中切削區(qū)處于半封閉環(huán)境下，切削區(qū)會產(chǎn)生大量切削熱且很難散失，但是操作人員不能準(zhǔn)確、及時的獲知深孔加工過程的實時狀態(tài)，所以深孔加工的在線監(jiān)控研究將具有重要意義。如果不能將切削熱及時排出，深孔加工切削區(qū)域的溫度將會極速上升。隨著溫度升高，鉆頭和工件會發(fā)生熱變形，導(dǎo)致刀具走偏；鉆頭的性能下降，切削能力也隨之急劇降低，鉆頭使用壽命大幅降低。在深孔加工過程中，通常采用切削液將切削熱帶出的方法。在深孔加工中，切削液擔(dān)任著潤滑、冷卻和排屑等重要功能，深孔加工過程是否正常很大程度受切削液狀態(tài)的影響。工程實踐中，不同的工件和孔徑采用的切削速度會有所差異。本文在盡量不改變轉(zhuǎn)速和鉆頭進(jìn)給量，不損失加工效率的基礎(chǔ)上，采用控制切削液流量的方法達(dá)到控制切削區(qū)域溫度的效果。本文設(shè)計了一套自動降低鉆頭溫度的裝置，運用PT100溫度模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集，并依據(jù)溫度信號的大小，經(jīng)過PLC自動調(diào)整控制切削液流量，完成深孔鉆削系統(tǒng)的溫度自動控制，實現(xiàn)了手動和自動模式的切換。此裝置具備操作簡單、穩(wěn)定性高和適用范圍廣等特點。

1 深孔加工系統(tǒng)監(jiān)測方案

深孔鉆削系統(tǒng)的在線監(jiān)測方案建立在不同工況信號基礎(chǔ)上，主要有：鉆桿扭矩信號、鉆桿振動信號、切削液油溫信號等。深孔加工過程中如果出現(xiàn)狀況，則與之對應(yīng)的信號特征參數(shù)就會發(fā)生變化。本文主要以切削液溫度為監(jiān)測信號，最終達(dá)到控制切削液流量的目標(biāo)。

在鉆頭、工件和切屑中聚集的大量熱能，是在深孔加工切削過程中產(chǎn)生的。切削必將導(dǎo)致溫度的急劇升高進(jìn)而加劇刀具的損壞并影響鉆頭的切削性能，這樣會使被加工工件表面粗糙度升高，質(zhì)量大幅降低，同時也將大大降低刀具的使用壽命，造成經(jīng)濟損失，對生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因為深孔加工有別于普通的機械加工，前者處于半封閉狀態(tài)下，因此切削產(chǎn)生的熱量更容易集聚，難以散發(fā)，必須由切削液將大量的切削熱帶出以降低切削區(qū)的溫度。若在切削過程中鉆頭出現(xiàn)較嚴(yán)重的損毀或則磨損，則刀具、工件和切屑之間的摩擦將會大大增大，切削區(qū)溫度急劇上升，切削液的溫度也將隨之升高。

因此我們會發(fā)現(xiàn)，被加工工件的質(zhì)量、刀具磨損以及深孔切削效率都與切削液溫度之間有著不可分割的重要聯(lián)系。所以，對切削液溫度的實時在線監(jiān)控研究將有助于操作人員準(zhǔn)確的了解深孔鉆削環(huán)境并及時做出調(diào)整。進(jìn)而加速深孔加工自動化技術(shù)的全方面發(fā)展。

2 刀具溫度的自動檢測與控制方案

(1)深孔鉆的加工原理

圖1為BTA深孔鉆在普通車床上的工作情形。包括主軸箱、中心架、授油器、鉆桿、進(jìn)給箱、過濾裝置、液壓泵、油箱等。首先由車床上的中心架夾緊被加工工件，鉆孔加工時，工件由主軸的夾頭夾緊并在主軸帶動下旋轉(zhuǎn)，鉆桿則由進(jìn)給箱帶動作進(jìn)給運動。機床工作臺上安裝了授油器，并通過O型密封圈與工件左端面密封連接。加壓過的切削液經(jīng)液壓泵由油箱輸送到授油器，然后從鉆桿外徑與孔壁間的縫隙流入切削區(qū)，對切削區(qū)進(jìn)行潤滑、冷卻，同時將帶有切屑的切削液反向推入鉆桿內(nèi)腔并排出到過濾裝置，過濾后的切削液流回油箱，如此不斷循環(huán)。切削液采用的乳化液濃度為5%；切削用量可選用轉(zhuǎn)速n=500-800r/min、進(jìn)給量f =0.04-0.08mm/r。機床導(dǎo)軌上安裝的活動中心支承可以支承鉆桿的任意位置，這樣可以盡量減輕因鉆桿過長而導(dǎo)致的鉆桿變形，從而提高鉆桿的穩(wěn)定性。


1.主軸箱 2.工件 3.中心架 4.授油器 5.鉆桿 6.進(jìn)給箱7.過濾器 8.油箱 9.液壓泵
圖1 BTA深孔加工原理

(2)溫度傳感器的測量位置

深孔鉆床切削液溫度變化范圍不大。PT100溫度傳感器的溫度采集范圍可以在-200～+200℃。本文采用PT100采集切削液溫度。根據(jù)試驗將PT100放置于鉆桿的排屑口處，接觸到鉆屑和切削液，溫度的采集效果準(zhǔn)確度高，但是考慮到此處切削液內(nèi)攜帶大量的切屑，對PT100容易造成損壞。因此，本文將PT100放置在過濾裝置的出口處，即圖1中過濾器和油箱之間。在此處采集溫度可能會有部分誤差，但影響不大。

(3)控制系統(tǒng)

如圖2所示，控制系統(tǒng)采用PLC控制，整個控制系統(tǒng)包括：PT100溫度傳感器、PLC、操作面板、變頻器。開始工作時，切削液流經(jīng)切削區(qū)域進(jìn)行冷卻，并攜帶切屑排出，經(jīng)過濾裝置后，由PT100溫度傳感器測得切削液溫度。PT100溫度傳感器將測得數(shù)據(jù)傳到PLC的熱電阻模塊。PLC比較分析后用過變頻器控制液壓泵轉(zhuǎn)速，從而控制切削液的流量，達(dá)到智能冷卻的目的。同時，PLC將數(shù)據(jù)發(fā)送到操作面板，實時顯示控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。


圖2 溫度測量與控制示意圖

控制程序設(shè)置為手動控制和自動控制。當(dāng)手動控制時，在操作面板上設(shè)置為“手動”，在此之前應(yīng)先開啟系統(tǒng)，檢查各項指標(biāo)是否正常。并輸入要求的溫度值，PLC比較該溫度值與此時采集到的切削液溫度，調(diào)節(jié)液壓泵轉(zhuǎn)速，直到采集到的溫度達(dá)到該數(shù)值。一般直接鉆削淺孔時可用手動模式，同樣深孔鉆床在檢修或變頻器失靈時也可直接使用手動模式。手動啟動時由對應(yīng)的啟動按鈕完成并點亮指示燈，停止時由對應(yīng)的停止按鈕完成并熄滅指示燈。

當(dāng)自動控制時，在操作面板上設(shè)置為“自動”，此時，系統(tǒng)在PLC的控制下自動工作。系統(tǒng)將根據(jù)事先設(shè)置好的“溫度—轉(zhuǎn)速”曲線自動調(diào)節(jié)液壓泵轉(zhuǎn)速。保護(hù)鉆頭不會溫度過熱而損壞，工件發(fā)生熱變形而工件失效。“溫度—轉(zhuǎn)速”曲線可以在操作面板上進(jìn)行設(shè)置。

3 試驗分析

深孔加工過程中，其切削區(qū)的溫度不斷升高，隨著溫度升高，鉆頭發(fā)生熱變形，鉆頭耐磨性能急速下降，切削能力嚴(yán)重減弱。圖3通過高倍顯微鏡對深孔加工過的切削刃進(jìn)行觀察，可見，中間齒切削刃中部明顯發(fā)黑，說明此處磨損較嚴(yán)重，所以試驗以切削刃的磨損程度為參考，以此來驗證溫度控制裝置是否有效。


圖3 顯微系統(tǒng)下外齒、中間齒、中心齒的磨損情況

進(jìn)行兩次有無溫度控制裝置的深孔加工對比試驗，檢驗兩種情況下刀片磨損程度。試驗刀片材料為YG8，加工材料分別為45鋼和鈦合金(TC4)，切削用量：轉(zhuǎn)速n=600r/min、進(jìn)給量f =0.05mm/r。試驗數(shù)據(jù)見表1。


表1 刀具磨損值(mm)

圖4和圖5分別為使用和未使用溫度控制系統(tǒng)加工45鋼的刀具磨損情況。從表1、圖4和圖5可以得出：鉆削45鋼及鈦合金時，沒有使用溫度控制裝置的刀具磨損較大，尤其是加工45鋼時的刀具磨損較為嚴(yán)重，而在加工鈦合金時兩種情況下磨損差別不是特別大，這主要是因為鈦合金的主要切削力小于45鋼等因素造成。通過試驗可以看出，使用本文設(shè)計的溫度控制裝置能夠有效降低切削區(qū)的溫度，進(jìn)而減輕刀具的磨損程度。

(a)外刃后刀面磨損(b)中刃后刀面磨損(c)橫刃后刀面磨損


圖4 使用溫度控制系統(tǒng)加工45鋼的刀具磨損情況

(a)外刃后刀面磨損 (b)中刃后刀面磨損 (c)橫刃后刀面磨損


圖5 未使用溫度控制系統(tǒng)加工45鋼的刀具磨損情況

總結(jié)：

本文基于PLC設(shè)計的深孔鉆頭降溫裝置，設(shè)有手動和自動兩種工作模式，能夠根據(jù)切削液的溫度信號自動控制切削液流量，實現(xiàn)了深孔鉆系統(tǒng)切削液溫度在線監(jiān)測的智能化控制，并且軟件操作方便且容易實現(xiàn)，硬件也容易連接，同時對工作環(huán)境要求較低，工作穩(wěn)定可靠，占地面積小，適用于車間現(xiàn)場使用。