无心磨床的生产潜力

国际金属加工网 2017年03月21日

瞬时的刀具更换速度,极短的工作辅助时间和换装作业,所有过程只需按动键钮——现代化无心磨床通过采用非常具有竞争力的加工工艺,发掘出了可观的生产效率潜力。依据不同的使用场合,生产效率的优势可以达到100%。

在无心磨床上,改进工件加工周期的潜力往往不仅体现在磨削工艺上,同时也反映在工件的输送上。带有高速无心上料装置(HSCL)的Kronos speed新型无心切入式磨床可用于加工直径在8mm以内、长度在80mm以下的细长型工件,其工件的更换时间 <1s(图1)。由此,Studer Mikrosa公司传统的3s工件更换时间可以缩短60%多。这也对无心磨床的整体加工循环时间产生影响:对于最终用户来说,其生产效率可以得到极大的提高,单件加工费用可以大幅下降。


 适用于直径小于8mm、长度小于80mm的工件的Kronos speed切入式无心磨床在1s内即可完成换装作业

Studer Mikrosa公司和位于瑞士Winterthur的Wenger Automation & Engineering公司的工程师们开发出了HSCL新型上料系统,这种系统采用冷却剂作为工件的输送介质:冷却剂把工件从工件座上抬起(已申请专利的液力升降原理)并在<1s的时间内对工件进行更换。操作简便的上料装置控制系统被集成到机床的控制系统里,工件的强制输送导轨确保了安全的输送。由于上料装置采用气动驱动,因此无需投入昂贵的辅助设备。

气动元件内置在机床上

气动元件同样被集成到机床上。此外,采用压缩空气还可以确保冷却润滑剂几乎不被带走:采用传统的装载装置时,在对工件进行吹刷时,工件会失去附在其表面的部分冷却润滑剂,因此只有较少量的冷却润滑剂与工件一起被输送走。Mikorsa公司在Kronos speed设备上有意放弃了昂贵的NC轴,而是提供新型无心切入式磨床和快速、省空间和免维护的交钥匙工程技术方案。上料装置既可采用稀油,也可采用乳化油进行传动,因此适用性很广,如用于单、双班生产和连续的两班运行。

在企业内部投资核算时,不仅要顾及到购置费用,而且还要考虑将来一些相关的费用,如能源和相关部件的维修、保养等。只有这样,方可在投资决策之前对所有的费用心中有数。通过这种方式,可找到一种购置成本较为合算的设备,而非采用昂贵的技术方案,因为像工艺流程时间、长久的质量保证和其他一些因素都无法明确地被纳入到设备成本核算中。

理解TCO的最重要的基础是直接费用和间接费用的差异。属于间接费用的有所谓的“停工期”,即系统不是用于直接创造价值的工件磨削加工作业上。Mikrosa公司通过提高无心磨床的生产效益,来达到显著缩短这个时间的目的。

柔性运用大批量生产工艺并把换装时间降到最低是所有生产企业的目标。恰恰是在大批量工艺的无心磨削过程中,往往会耗费很多的调节时间和换装时间,对此加工设计人员在设计工艺流程环节时,首先需要考虑无心磨削的这些因素。此外,这种对所谓的“加工工艺不可控的复杂性”的担心往往会导致投资倾向于生产效率不高、但看似简单的加工工艺。

投资决定TCO效用

由于人们无法从费用上对磨削工艺进行一对一的技术对比,因此无心磨削的投资还不能被广泛认知,其巨大的费用节省潜力也可能不被加工行业所挖掘。与其他工艺相比,无心磨削拥有巨大的经济潜力,在不同的运用场合中,其生产效率的优势甚至可以达到100%。如同TCO所反映的那样,在以较低的购置价格和较高的TCO对设备进行投资之前,应该对之进行费用审核。

无心磨削和设备的手动调节通常都需要比加工中两个高峰时间更长的调节和换装时间,但是通过采用这种生产效能潜力巨大的工艺,可以弥补上述的不足。为了极大降低加工过程中的辅助时间,Mikrosa公司在控制系统中集成了新型的、操作简便的软件模块。在常规的无心磨床上,不管是B轴的校准,还是调节盘的回转,都是通过机械方式完成的。而在Kronos S型设备上,这些调节功能均通过独立的计算模型和设备的控制系统自动进行。

迄今为止,如果要确保无心加工流程的安全进行(图2),则需要操作人员具有丰富的工作经验。这种对加工流程的感知有时会使有潜力的用户反而感到不自信。当然,对无心磨床进行合乎规范的调节,本身也是一项较复杂的工作。对无心磨削的圆度来说,决定性的因素是所选择的工件与砂轮、工件与工件支座以及工件与调节砂轮之间接触点的角度关系。在对“磨削间隙几何外形”进行错误调节时,不会生成圆形的外观,而工件会在μm范围内形成相应的多边形。为了可重复实现这种复杂的调节过程,并使很多不同设备操作者都可以很好地掌握调节过程,Mikrosa公司开发出了Heureka控制集成软件。这种软件可以帮助操作人员掌握复杂的流程(图3),通过它可以针对各种不同的加工任务,测得最佳的工件支座高度和角度调节值,由此可以使磨削流程在磨削盘和调节盘的整个有效直径范围内稳定进行,也可确保所需的工件圆度。

专家系统集成到控制系统中

以前,不仅是这种所谓的“几何圆度效果”使很多设备操作人员头痛,设备的动态性能也很难令人满意。对此,Mikrosa公司在Kronos设备的控制系统中集成了一种专家系统,它可以使设备在转速关系上与运动中的机械元件的机械频率特征相匹配,由此可以避免因动态特性所限而导致的圆度差错。

为了能够充分利用这种磨削工艺,机床需要充分展示其合乎规范的静态和动态刚性和良好的“热稳定性”特征。近十年来,Mikrosa公司一直为设备采用矿物铸铁床身(Granitan)。这种材质具有极好的热稳定性和阻尼特性。系统良好刚性的基本条件早在研发阶段就已经通过了对设备各部件所做的大量的尺寸确定和FEM热对称优化设计而具备。当重要的表面在无心外圆磨床上不仅需要磨光,同时还要进行人工刮磨时,设备也表现得相当稳定。表面由专家进行手工精制(图4)。由此,承载部分得到极大提高,而这种加工品质是加工设备无法实现的。刮磨的部位都是对设备加工质量来说非常重要的表面,如磨削轴和调节轴的承载孔,或心轴箱的承载表面和工件的托架等。客户能够以稳定的加工精度进行生产,达到长期的质量保证。每台新设备在进行批量生产之前,均要接受分析和测评,并按照客户的生产情况进行优化。

冷却对磨削结果的影响

在磨削特别是高速磨削时,冷却具有重要的作用。工件和磨削刀具的热载荷必须尽可能的低,以免边角区域受到热损伤,并提高刀具的使用寿命。此外,针对不同的无心磨削任务,可以向磨削间隙里每分钟灌注400 l的冷却润滑剂(KSS)。这也是一个不可忽视的费用因素,尤其是所需的KSS净化处理费用。

Mikrosa公司因此给自己提出了如何节省冷却剂而不影响工件质量的要求。问题的解决方案是,采用新型针形喷嘴实现对工件和刀具的定点冷却。在新型的冷却系统上,层状的冷却剂被加速到砂轮的圆周速度,针形喷嘴把冷却剂直接带入到切削位上。KSS很高的脉冲效应可以使得所产生的气垫冲向砂轮。其结果是工件和刀具均获得极好的冷却,冷却剂的耗量明显降低。

对设备的良好保养可以延长设备寿命。Mikrosa公司通过在线监视,引入状态定向的维护和保养,这是一种集合了机械、系统理论、电子和信息化等技术的方案。在设备上所选定的关键点上的传感器定期向设备控制系统提供数据。控制系统可以对数据信息进行实时分析,并可向操作人员发出极限值被超出的报警,同时提示操作人员需要进行更准确的专家诊断。通过对特征值和传感数据的测定,在线监视功能可以揭示设备和所选定部件的运行状态。

Mikrosa设备把所示的数据保存到数据库里。数据库可以识别技术流程时间和因维护而发生的停机时间,并测得所分析系统组件的利用率、效能和停机概率。状态监视有助于费用的节省,这是因为重要的设备部件的寿命可以得到充分的利用,维护和保养措施与生产计划可以达到高度的协调。此外,监测数据可以用于对薄弱环节的分析、对工艺流程安全性的加强和对部件磨损状况的早期发现。


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