漫談數(shù)控之刀

1、 談?wù)勎覍?shù)控銑床的興趣所在談到我與銑床的第一次接觸，記得是在大二上學(xué)期的精工實(shí)習(xí)。那時我們一共學(xué)了鉗工、車工、銑工三個工種，感覺鉗工很無聊、車工很方便，銑工倒真的成了洗工。當(dāng)時的感覺太膚淺了，以為車工太方便了，完全可以兼并那坑了我們磨了三天鐵的鉗工和擦了半天、天知道是怎么動的銑機(jī)器。（本段大部分摘抄自學(xué)生2010.12.10的日記）此后我們似乎一直和銑床沒有交集。直到了大三下學(xué)期的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽，那還得從一個貌似鉆頭的東西說起。加工中心里的那臺鉆孔機(jī)實(shí)在是我們各支參賽隊伍的搶手貨，每天鉆頭都要換上換下上百次。就在一次我們找不到所需口徑的鉆頭焦頭爛額時，我們來到彭總工的辦公室左顧右盼，突然發(fā)

2、現(xiàn)一個很像鉆頭卻是銀白色的東西（因為加工中心的鉆頭幾乎都是黑色的），一看口徑，正好。也不管那么多了，趕緊伸手拿了就跑，結(jié)果被等在鉆頭旁的楊學(xué)長和旁面沒有當(dāng)過洗工的一專業(yè)的同學(xué)們狠狠地冷嘲熱諷了一頓。那時對銑床的印象稍微有了點(diǎn)改觀，覺得它可能就是加工精度高一點(diǎn)的鉆孔機(jī)吧。（本段大部分摘抄自學(xué)生2012.3.28的日記） 當(dāng)然機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽不會讓我們錯過真正見識銑床威力的機(jī)會。那也是在我們制作洗衣機(jī)的后半程了。我們最關(guān)鍵的技術(shù)：換擋，需要一個雙位置固定的槽，相當(dāng)需要精度。就在我們以為很簡單，摩拳擦掌準(zhǔn)備拿著尺子找鉆頭上時（幸虧我們那時候挨罵都挨聰明了，盡管手里拿著尺子，誰也沒主動請纓），楊學(xué)長卻

3、找來了彭總工等好幾個精通加工的老師研討商議，制定了一個用銑床加工它的方案。正如學(xué)生在第一次作業(yè)所說的，技如人，器也要如人??！即使是高手出馬，銑床加工當(dāng)然也不可能一帆風(fēng)順。原因很簡單：刀不如人。銑床用刀的鋒利程度往往決定了作品的加工精度。作為一名測控儀器專業(yè)的學(xué)生，真的對那把老刀無語了，廠家質(zhì)檢員是怎么讓它出廠的？（當(dāng)時純屬知識面狹隘）真感覺還不如鉆孔加銼刀呢。幾個老師一咬牙，終于決定動用那把縮在鐵皮柜里最好的銑床用刀了，可惡的是鑰匙他們還沒有。最后幾個老師左轉(zhuǎn)右傳的打電話聯(lián)系，學(xué)生請了一下午的假才好不容易把鑰匙借了回來?？上У氖俏覀儧]能親眼看見銑床加工過程，但一看加工的老師都“替我們”掛彩了，

4、就知道那絕對是夠艱辛的了。（上面兩段大部分摘抄自學(xué)生2012.4.16的日記） 現(xiàn)在便談到了本文的主題了。依然是圍繞檢測與儀器而談的。先從儀器角度，從那時起學(xué)生便養(yǎng)成了個壞習(xí)慣：一想起銑床第一關(guān)心的儀器便是刀了。便查閱了以下資料。資料來源是2012.4.24的日記，上面寫了學(xué)生無意間看見了的那把好不容易借來的“寶刀”生產(chǎn)廠家，當(dāng)天便登陸了它的網(wǎng)站，當(dāng)時就把它網(wǎng)站上貼的一個有關(guān)刀具的word下載了下來作為日記的附件。一 刀具磨損的形態(tài)及其原因切削金屬時，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要發(fā)生損壞。刀具損壞的形式主要有磨損和破損兩類。前者是連續(xù)的逐漸磨損；后者包括脆性破損(如崩刃、碎斷、剝落

5、、裂紋破損等)和塑性破損兩種。刀具磨損后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并導(dǎo)致切削力加大、切削溫度升高，甚至產(chǎn)生振動，不能繼續(xù)正常切削。因此，刀具磨損直接影響加工效率、質(zhì)量和成本。刀具磨損的形式有以下幾種：1.前刀面磨損2.后刀面磨損3.邊界磨損從對溫度的依賴程度來看，刀具正常磨損的原因主要是機(jī)械磨損和熱、化學(xué)磨損。機(jī)械磨損是由工件材料中硬質(zhì)點(diǎn)的刻劃作用引起的，熱、化學(xué)磨損則是由粘結(jié)(刀具與工件材料接觸到原子間距離時產(chǎn)生的結(jié)合現(xiàn)象)、擴(kuò)散(刀具與工件兩摩擦面的化學(xué)元素互相向?qū)Ψ?、腐蝕等)引起的。二 刀具磨損過程、磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及刀具壽命隨著切削時間的延長，刀具磨損增加。根據(jù)切削實(shí)驗，可得圖示的

6、刀具正常磨損過程的典型磨損曲線。該圖分別以切削時間和后刀面磨損量VB(或前刀面月牙洼磨損深度KT)為橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)。從圖可知，刀具磨損過程可分為三個階段：1.初期磨損階段2.正常磨損階段3.急劇磨損階段刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用。這個磨損限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。一把新刀(或重新刃磨過的刀具)從開始使用直至達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)歷的實(shí)際切削時間，稱為刀具壽命。三 刀具的破損刀具破損和刀具磨損一樣，也是刀具失效的一種形式。刀具在一定的切削條件下使用時，如果它經(jīng)受不住強(qiáng)大的應(yīng)力(切削力或熱應(yīng)力)，就可能發(fā)生突然損壞，使刀具提前失去切削能力，這種情況就稱為刀具破損。破損是相對于磨損而言的。從某種意義上講，破

7、損可認(rèn)為是一種非正常的磨損。刀具的破損有早期和后期(加工到一定的時間后的破損)兩種。刀具破損的形式分脆性破損和塑性破損兩種。硬質(zhì)合金和陶瓷刀具在切削時，在機(jī)械和熱沖擊作用下，經(jīng)常發(fā)生脆性破損。脆性破損又分為：1.崩刀2.碎斷3.剝落裂紋破損。四 刀具的狀態(tài)監(jiān)控如前所述，刀具損壞的形式主要是磨損和破損。在現(xiàn)代化的生產(chǎn)系統(tǒng)(如FMS、CIMS等)中，當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生非正常的磨損或破損時，如不能及時發(fā)現(xiàn)并采取措施，將導(dǎo)致工件報廢，甚至機(jī)床損壞，造成很大的損失。因此，對刀具狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控非常重要。刀具破損監(jiān)測可分為直接監(jiān)測和間接監(jiān)測兩種。所謂直接監(jiān)測，即直接觀察刀具狀態(tài)，確認(rèn)刀具是否破損。其中最典型的方法是I

8、TV(Industrial Television， 工業(yè)電視)攝像法。間接監(jiān)測法即利用與刀具破損相關(guān)的其它物理量或物理現(xiàn)象，間接判斷刀具是否已經(jīng)破損或是否有即將破損的先兆。這樣的方法有測力法、測溫法、測振法、測主電機(jī)電流法和測聲發(fā)射法等。（以上小字引自學(xué)生的日記的附件文件夾）大家可能覺得我撇開那么多重要的銑床大部件不提，專門討論刀具是舍本逐末。正如學(xué)生在上一篇作業(yè)中寫過的：“記得我們的楊學(xué)長和彭總工曾大發(fā)感慨，一部機(jī)床真正動刀可能只要十分鐘，但準(zhǔn)備工作往往就要幾個小時。如何能讓一臺高級車床在特定的環(huán)境、特定的要求下發(fā)揮出它應(yīng)有的作用，對人高要求的情況下也應(yīng)以物的充分適應(yīng)力作為前提保障。這都是我

9、們需要預(yù)估、評定相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行進(jìn)口技術(shù)要求和檢測的?！碑?dāng)時沒有寫得太詳細(xì)，其實(shí)，當(dāng)時我們耗在那里，將近十個小時的準(zhǔn)備時間，可以說絕大部分都放在了“附件”上面 。先是符合條件的接線板，再是機(jī)油，再是刀具、然后是夾具、再然后是輔助固定的鐵塊標(biāo)準(zhǔn)間、再再然后是合適的扳手.【故事】古時，有一個人要筑一座九仞（八尺=一仞）高的山。他堆了一年又一年，不論嚴(yán)寒酷暑，廢寢忘食地從遠(yuǎn)處挖土，再挑土，再堆到山包上，終于有一天，他就要完工了。這一天也如往常一樣，雞剛叫就起床開工，一筐又一筐，眼看著山就要9仞高了，只差一筐土的工夫。但他一摸肚子咕咕叫，天又下起雪來，認(rèn)為只有一筐土，就回家去了。此后，他總認(rèn)為只有一筐土

10、而偷懶，所以這一筐土至死他也沒堆上，終究這座只差一筐土的九仞高的山還是沒有堆成（為山九仞，功虧一簣）。 “功虧一簣”一成語便出于此。 大家越來越感受到服務(wù)行業(yè)的便利時，一件產(chǎn)品的后續(xù)維修、服務(wù)越來越引人注意。從高級數(shù)控機(jī)床的進(jìn)口方面，動輒成百上千萬美金，可能就是因為一把配套的小刀不合格就把整個重要工程停滯了下來。對于時間就是金錢的商場，猶如身體的心臟突然停止跳動。更可怕的是原生產(chǎn)廠家，往往趁此坐地要價，進(jìn)行維修、更換重要“小”配件。 接下來便是學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，針對數(shù)控機(jī)床的比較成熟的檢測技術(shù)簡介。數(shù)字化精密量具量儀器的發(fā)展數(shù)字化測量技術(shù)是數(shù)字化制造技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。高速高效、高精度、高可靠性

11、、多功能先進(jìn)數(shù)字化測量技術(shù)和儀器，裝備、服務(wù)、推動著數(shù)字化制造技術(shù)和數(shù)控機(jī)床、裝備的發(fā)展。開發(fā)亞微米、納米級高精度測量儀器，提高環(huán)境適應(yīng)能力，增強(qiáng)魯棒性，使精密測量裝備從計量室進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場，集成、融入于加工機(jī)床和制造系統(tǒng)，形成先進(jìn)的數(shù)字化閉環(huán)制造系統(tǒng)，是當(dāng)今精密測量技術(shù)的發(fā)展趨勢。數(shù)字化量具/傳感器技術(shù)新發(fā)展適應(yīng)加工環(huán)境，實(shí)現(xiàn)納米高精度測量1）IP67防水電子數(shù)顯卡尺，能在冷卻液直接噴淋工況下實(shí)施檢測數(shù)顯量具量大面廣，尤其以數(shù)顯卡尺應(yīng)用普及。傳統(tǒng)電子數(shù)顯卡尺采用容柵位移傳感器來實(shí)現(xiàn)測量，具有分辨力高、重復(fù)性好、耗電低等優(yōu)點(diǎn)，但是介質(zhì)狀況對測量可靠性影響很大，在有切削液及油污的工況下難以正常工作

12、，生產(chǎn)現(xiàn)場的使用受到了限制。日本三豐公司在世界上首先成功開發(fā)出防水型數(shù)顯卡尺，它采用的原理基于電感位移傳感器。瑞士TESA公司的防水?dāng)?shù)顯卡尺基于磁阻式位移傳感器，瑞士SYLVAC和德國MAHR公司則采用了感應(yīng)同步器工作原理。上述防水型數(shù)顯卡尺的防護(hù)等級都達(dá)到IP67規(guī)定，為當(dāng)今最高水平。國內(nèi)最大的數(shù)顯卡尺生產(chǎn)出口企業(yè)桂林廣陸數(shù)字測控公司和上海交通大學(xué)聯(lián)合，于2004年底成功開發(fā)出一種基于電渦流柵位移傳感器的新型防水?dāng)?shù)顯卡尺，防護(hù)等級也達(dá)到IP67國際先進(jìn)水平（圖）。其核心技術(shù)具有自主知識產(chǎn)權(quán)和專利。卡尺尺框內(nèi)安裝的電渦流傳感器線圈既是發(fā)射線圈同時也是接受線圈，卡尺尺身上帶有規(guī)則排列的雙碼道金屬

13、反射體。傳感器通過電渦流效應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)顯卡尺絕對位移和相對位移的測量。（圖）據(jù)稱該廠今年已經(jīng)建成生產(chǎn)線，開始批量化生產(chǎn)。青海量具刃具廠開發(fā)出新穎的雙面數(shù)顯外徑千分尺（圖），適用于不同操作形式，便于測量，體現(xiàn)了人性化的設(shè)計理念，受到國內(nèi)外同行的關(guān)注和市場的興趣。為提高光柵傳感器的抗污染、抗干擾能力，著名的長度/角度位移傳感器制造廠商德國Heindenhain公司介紹了不同于傳統(tǒng)四場成像式掃描方法的單場掃描技術(shù)（圖）。在新型的單場掃描技術(shù)中，掃描光柵（掩膜）與標(biāo)尺光柵的柵距略有不同，由此在掃描光柵長度范圍內(nèi)會產(chǎn)生明暗交替條紋，在相對移動時產(chǎn)生均勻的位移正弦信號。特制的柵狀感光元件取代了傳統(tǒng)的四個獨(dú)立感

14、光元件，用來生成四個相位差為90的掃描信號。由于掃描面積大又具有特殊光學(xué)過濾功能，故新的單場掃描技術(shù)對污染干擾不敏感，可以提供質(zhì)量更好的測量信號，提供更高的測量精度。該公司近年來推出的、能提供絕對位置信息的絕對式光柵測量系統(tǒng)，可以提高數(shù)控機(jī)床的加工效率。2）新型納米分辨力傳感器和量具展現(xiàn)良好前景位移傳感器的測量精度從微米量級向納米量級提升是另一個發(fā)展趨勢。Heindenhain、三豐及SONY等國外公司近年來都相繼推出精度達(dá)到納米級的光柵式長度計（圖）。北京標(biāo)普公司采用了有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米計量光柵制造成套技術(shù)，向市場推出百種規(guī)格品種軸向、側(cè)向的微/納米傳感器和量具，包括量塊檢測儀、半導(dǎo)體晶片

15、檢測儀等。近期開發(fā)的SGG-01型0.1納米測長儀, （圖）分辨力達(dá)0.1nm，示值誤差（3+0.03L）nm。Talay Hobson公司的接觸式輪廓粗糙度檢查儀PGI采用的傳感器測量范圍12.5mm，分辨力0.8nm。其非接觸式表面粗糙度測量儀，采用激光相位干涉測量傳感器，可檢測高度從1nm至100m，分辨力達(dá)到0.01nm。（圖）3）坐標(biāo)測量機(jī)和數(shù)控機(jī)床用測頭使用性能更上一層樓著名的觸發(fā)式測頭制造商RENISHAW公司最新推出的OMP60光學(xué)測頭，（圖）采用了最先進(jìn)的調(diào)制光學(xué)傳輸方法，具有很強(qiáng)的抗光干擾能力，推出的RMP60無線電測頭系統(tǒng)，采用了跳頻技術(shù)（FHSS）。信號跳頻傳輸系統(tǒng)能自

16、動分配信號通道，無線發(fā)射和接收器通過匹配碼識別進(jìn)行信號傳輸，抗干擾能力大大提高，更好滿足工業(yè)環(huán)境中使用的要求。德國WERTH公司開發(fā)的光纖探頭WFP，稱為世界上最細(xì)且準(zhǔn)的探針，其半徑為12.5m。工作原理如圖示，（圖）測量時光纖探頭球端和工件接觸，球的位置則由坐標(biāo)測量機(jī)的CCD光學(xué)視覺傳感器檢測出來。它適合測量超微小或超精密工件，如半導(dǎo)體、鐘表齒軸及柴油噴嘴等。德國BLUM公司 的LaserControl NT激光刀具測量儀（圖）可用于刀具的在機(jī)精密、自動檢測和設(shè)置。當(dāng)?shù)毒哐b夾在機(jī)床上回轉(zhuǎn)時，儀器可測量刀具的長度、半徑和徑向跳動，也可快速檢測、監(jiān)控刀具刃口的形狀誤差、刀具的破損等。此外還能測量

17、并補(bǔ)償因溫度變化造成的刀具相對位置誤差，提高了機(jī)床的加工精度。其密封可靠并采用噴氣機(jī)構(gòu)，該激光刀具測量裝置可以在數(shù)控機(jī)床加工過程中正常使用。本來文章應(yīng)該到此為止，但是就在寫完上面的第二天，我們上精密測量技術(shù)這門課，突然聽老師反復(fù)地、自豪地提到我們學(xué)院的又一鎮(zhèn)院之寶：三坐標(biāo)測量儀。于是便聯(lián)想三坐標(biāo)會不會與數(shù)控機(jī)床甚至這幾天的作業(yè)數(shù)控銑床產(chǎn)生交集。于是便又畫蛇添足的引入了以下內(nèi)容。三坐標(biāo)測量機(jī)作為精密測量儀器的基本型主導(dǎo)產(chǎn)品，繼續(xù)在機(jī)械制造業(yè)中得到重視和發(fā)展。以三坐標(biāo)測量幾位代表的精密測量儀器進(jìn)入車間、服務(wù)于生產(chǎn)現(xiàn)場是發(fā)展的一個重要趨勢。與光學(xué)/激光非接觸式掃描測量技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多功能、多種傳感

18、器的集成和融合，使坐標(biāo)測量技術(shù)的應(yīng)用更加豐富和實(shí)用。1） 汽車大型覆蓋件的非接觸掃描測量精確快速配備有光學(xué)/激光式非接觸掃描傳感器的水平臂三坐標(biāo)測量機(jī)實(shí)現(xiàn)了對大型覆蓋件的快速精密檢測。德國ZEISS公司和瑞典HEXAGON集團(tuán)等世界著名三坐標(biāo)制造廠在該領(lǐng)域進(jìn)行了開發(fā)。HEXAGON公司所屬DEA的PRIMA C1系列水平臂測量機(jī)（圖），在其CW43L型連續(xù)伺服關(guān)節(jié)測座上，可配備觸發(fā)式測頭、連續(xù)掃描測頭、光學(xué)或激光掃描測頭等多種測頭，以適應(yīng)不同測量環(huán)境和任務(wù)的要求。圖示為采用激光測頭對車門進(jìn)行快速非接觸測量。德國ZEISS公司的PROR Premium坐標(biāo)機(jī)，（圖）配備有EagleEye 導(dǎo)航系

19、統(tǒng)和可控測座，能夠在汽車車身大型覆蓋件、尤其是車身分總成質(zhì)量的過程控制中，對工件的幾何參數(shù)、表面和邊緣的特征點(diǎn)、間隙和貼合性等實(shí)施高速精密測量。國內(nèi)最大的三坐標(biāo)水平臂測量劃線機(jī)制造企業(yè)，四川中測量儀公司近年也成功開發(fā)出可對大型覆蓋件非接觸測量的測量機(jī)，（圖）采用的是北京博維恒信科技公司出產(chǎn)的CF系列的光學(xué)三維掃描系統(tǒng)。北京南航立科公也有類似產(chǎn)品。2）帶激光掃描測量系統(tǒng)的便攜式柔性關(guān)節(jié)臂測量機(jī)測量功能增強(qiáng)HEXAGON計量集團(tuán)成員之一的CIMCORE公司推出了配備有先進(jìn)激光掃描測量系統(tǒng)的關(guān)節(jié)臂測量機(jī)。（圖）儀器采用碳纖維材料，輕而剛性好，INFINITE系列的還具有無線通訊系統(tǒng)。采用PC-DMI

20、S軟件，測量功能強(qiáng)。配上管件測量系統(tǒng)附件，還可實(shí)現(xiàn)管件的長度、彎曲度、管件回彈等多種數(shù)據(jù)的測量和比較。測量范圍1.2m儀器的點(diǎn)測重復(fù)精度0.010mm，空間精度0.015mm。用于反求工程，測量速度快，尤其是測量過程的實(shí)時顯示和補(bǔ)漏測量數(shù)據(jù)的無縫拼接，使用友好。儀器可完成三坐標(biāo)測量、三維造型、產(chǎn)品測繪、逆向工程、現(xiàn)場測量以及模具設(shè)計制造等涉及到設(shè)計、制造、過程檢測、在線檢測以及產(chǎn)品最終檢測等測量工作。美國FARO技術(shù)公司的儀器-FAROARM系列便攜式三坐標(biāo)測量臂，具備有類似的技術(shù)指標(biāo)和性能。我國西安愛德華公司今年也公開展示了自主開發(fā)的柔性關(guān)節(jié)臂測量機(jī)樣機(jī)。3） 軸類零件光電非接觸測量儀器發(fā)展

21、迅速汽車制造工業(yè)的需求，也大大推進(jìn)了軸類精密零件非接觸測量技術(shù)的發(fā)展。瑞士TESA公司的TESA Scan系列軸類零件快速掃描測量儀（圖），采用2個線陣CCD組件，通過工件的回轉(zhuǎn)和軸向移動對工件進(jìn)行投影掃描，實(shí)現(xiàn)軸類零件位置誤差和形狀誤差的精確檢測，對截面形狀和輪廓度進(jìn)行評估比較，以及統(tǒng)計質(zhì)量分析。還能對零件的局部（如過渡曲線、微小溝槽等）進(jìn)行放大測量。由于工件立柱可以傾斜，因而能對螺紋、蝸桿、絲桿等進(jìn)行全參數(shù)精度的精確測量，是該儀器PLUS系列的一大特色。儀器在直徑方向上的分辨力為0.0003mm，精度2+（0.01D）m，重復(fù)性0.001mm。德國SCHNEIDER的WMM系列的軸類及工具測量儀（圖），操作簡單、測量速度高，特別是用于車間檢查站適用。儀器采用高分辨力的Matrix攝像頭，可以快速獲得測量數(shù)據(jù)。儀器數(shù)顯分辨力為0.0001mm，長度測量不確定度為E2=（2.0+L/200）