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智慧刀把應用於不同刀具設計與刀具品質關係之研究

摘要"

近年科技發展快速,世界各國對節能減碳意識逐年高漲,除政府修法要求外,更多企業主動減碳藉此換取國際上碳信用交易額度,為能達到目標而各式產業業者做出應對變化,例如:純電能車輛、混合動力車輛與低耗能大乘載客機,分別以新式能源應用與新式複合材料更替部分結構,以便達成低碳、低耗能與增加碳信用之目標。
自2019年底以來,COVID-19於全球各地爆發大流行導致封城與分流辦公迫使全球經濟顯著衰退,間接使得新科技發展(如: 車輛產業、航空產業、綠能產業等)腳步放緩,然而在革新求變下其複數需求不變,部分國家於疫情穩定控制後承諾進行「綠色復甦」,使得新科技進展加速發展。
於機械加工領域中,最重要的工作之一為切削刀具需要更進一步地革新進化,俾利於應用效能能夠向上提升。首先,以切削刀具的幾何設計與製程理論(鈍化、拋光、塗層)為迫切探討內容,藉此強化生產刀具廠商之業者對刀具設計與製程技術之掌握度,進而穩定生產品質。然而,國內切削技術截至今日尚缺乏切削刀具產品的第三方驗證能量,讓業者無法透過直接且客觀的檢測數值與效能測試覺察產品優勢,亦可藉此提升產品品質而堆高價值。PMC於103年投入精密切削領域,逐步建置技術如:超音波藍寶石切削、低溫切削鈦合金技術、難切削複合材技術與監測刀具壽命異常等技術外,更引進國外領先品牌的智慧刀把作為切削驗證技術建立的利器,更進一步整合入原有的檢測能
量中。
為投入第三方驗證能量建置,本文呈現實驗測試中,聚焦於長時間側銑加工下的刀具磨耗,感測器主要以智慧刀把搭配動力計與電流計相互量測應用,以總計4種刀具設計組合,用相同加工參數執行,從實驗中欲釐清多種感測器量測出的訊號(三軸向力、彎矩、電流值等)是否可做為辨別不同的刀具設計之依據,並探討各種訊號與刀具磨耗增長速度之連結。而後,依據產業或業者實際需求,搭配適合的檢測方式、感測器應用與大數據分析優化,藉此提供刀具設計優化方向、切削製程加工效率提升與終端成本降低,進而提高業者整體競爭力,期待未來透過與學業界積極合作下,能逐漸為國內業者提供完善的切削服務。

關鍵詞:智慧刀把、刀刃鈍化、不等分割、刀具品質

研究背景與動機

在切削製程研究中,通常以切削振動訊號為基本量測的感測訊號之一,其中包含大量有用的信息供數據工程師作分析辨別,通常用於切削顫振評估檢測、表面粗糙度變化評估、刀具磨耗狀況辨別與工具機狀態監測等。一般來說,切削研究當中的訊號擷取感測器主要會以加速規為主,相對於它種感測器雖然有價格上的優勢,無可避免地仍有著容易產生訊號干擾、訊號線佈線干涉、無法使用切削液等問題。另一方面,於擷取設定方面,加速規蒐集數據特性會將設定頻寬內的振動訊號全數擷取,如主軸轉頻、刀刃頻、馬達風扇、週遭環境振動等,較無經驗之數據工程師可能無法立即區分各振動頻率之涵義,造成解析的困擾。
為了解決這些問題,多數切削檢測儀器業者研究設計製造了無線旋轉振動感測刀把系統,系統具有同時測量三軸向振動訊號的能力,以工業級壓電感測器與其他電子設備集成至刀把系統上,並搭配其無線傳輸硬體與量測分析軟體,形成一個完整的切削檢測儀器,做即時性量測且評估動態特性。
本文鎖定於無熱處理的中碳鋼(S45C)作為驗證載具進行銑削實驗測試,並採以德國promicron的spike®_mobile智慧刀把與瑞士KISTLER的9257B通用動力計,以及台灣YCM的NDV102A立式綜合加工機(FANUC控制器)內部測得之電流變化做相對比較評估,用以辨別不同刀具幾何設計與刀具磨耗後訊號變化的關聯性,可進一步用於刀具設計或切削時之刀具選用,與刀具壽命判斷基準等應用;換言之,建立量測能力數據庫可衍生協助使用者量化換刀時機,藉此杜絕不良品產生機會,亦可透過訊號解析與數據化,協助刀具商了解不同幾何設計與製程下刀具的性能狀態與壽命,可進一步微調刀具幾何設計與製程修改,提升刀具的性能與品質。

檢測儀器設備介紹

電流訊號

希望透過加工過程中驅動系統電流信號中的微小變化來觀察電流訊號與刀具磨耗的變化關係,進而檢測刀具磨耗或破損等狀態。本文透過FANUC提供之Servo Guide 軟體來擷取加工狀態下的主軸及伺服軸電流值進行觀察,如圖1所示,在X軸移動的加工過程中,同時進行主軸和進給軸的電流訊號蒐集,(a)線為X軸位置訊號,電流訊號部分,(b)線為X軸電流,(c)線為主軸電流訊號,(d)線為Y軸電流訊號。
KISTLER 9257B通用動力計

圖2為瑞士KISTLER的9257B通用動力計,結構設計以確保可精確測量動態力和使熱效應影響達最小;精確測量之切削力訊號可用於刀具、刀把夾緊系統和潤滑改善,監控加工製程中刀具狀態的即時變化,且作為診斷工具來分析和優化切削製程規劃。
在切削研究中,動力計通常對應不同場域則有不同型號做應用,一般常見於銑削、車削與磨削等;應用KISTLER 9257B通用動力計,基本以搭配National Instruments cDAQ?9171(CompactDAQ機箱)、KISTLER Type 5070(電荷放大器)與訊號分析軟體CUTPRO做訊號擷取量測與分析之用。

promicronspike®_mobile智慧刀把

圖3為德國promicron的spike®_mobile智慧刀把,此感測器以刀把系統規格做區分,適用於所有機械加工業者,可進行監控、優化與輔助機台操作人員作即時性的判斷。此設備可直接量測切削時刀具上產生之軸向力、彎矩、扭矩與溫度的測量系統;而藉由X和Y方向的彎矩量測,可在銑削加工中檢測每個切削刃,且繪出spike®_polar極座標圖,將切削前後狀態進行比較,從而診斷出刀具的磨損或不平衡。
儀器經常用於銑削、鑽削、車削、鉸削、螺紋加工和摩擦攪拌銲接等,整體應用有著以下優點:
(1) 提升產品量產的穩定性
(2) 切削製程開發時間縮短
(3) 佈局合適刀具做刀庫倉儲與數量庫存管理
(4) 對工具機主軸狀態可視化評估
(5) 切削液的潤滑與散熱效能評估
(6) 大數據分析資料

實驗方法與條件

本次實驗與國內刀具業者合作,針對實驗需求產出4款切削刀具,以中碳鋼(S45C,無熱處理)為切削材料,進行刀具切削相關測試,採用CNC三軸銑床進行直線行程的側銑切削,在室內空調26~27℃下以氣冷方式冷卻,儀器設備搭配上spike®_mobile、KISTLER 9257B與CNC三軸銑床內部電流計,以相同的加工參數做切削,每道次的切削行程為80 mm,每10道次擷取一次訊號用以辨別各儀器訊號之變化,且每50道次經由影像量測儀(TEO-3020S)檢驗並記錄刀具刃口磨耗值,藉此評估測試訊號、刀具磨耗與刀具幾何設計之相互關係,設備架設如圖4所示。
實驗刀具為直徑10 mm之4刃端銑刀,螺旋角為35度,控制因子分別為刃口鈍化(A)與不等分割(B),水準分別為有(1)與無(2),總計4種之全因子組合,如表1所示;其加工參數以業者提供建議為設定,將線速度Vc設定在120 m/min,每刃進給0.08mm,切削深度2 mm,切削寬度比例60%,詳細切削加工參數,如表2所示。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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