主动扫描可收集完整的孔内径形状数据

文章来源:MM《现代制造》 点击数:632 发布时间:2017-10-20
对于擅长精密管状组件的专家而言,通过对复杂的孔内情况进行测量,并对相关的形状测量数据进行完善,将能够令其挖掘出更强劲的竞争优势。
主动扫描可收集完整的孔内径形状数据

从高处的眺台俯瞰,游客们便能对Tube Hollows International公司占地2万ft2的主产区一览无遗,而这也是有充分理由的。该公司拥有27台标准型号的枪钻机床,这些机床能够按照精确的直径比,将特殊材料的棒材加工成同轴的、壁厚均匀的管材。此外,这些机床并非能在别处购买到,它们是由该公司自主设计的。这并不是说它们就是“神奇的机床”,总经理Dave Morse解释道:“正是这些专有工艺在起初引发了对此类定制机械的需求,而公司的此举也是出于对其保护。”

图1  Tube Hollows公司借助蔡司公司制造的一台大型三坐标测量机——Contura G2(其在X、Y和Z坐标上的量程分别为1000 mm、2100 mm、600 mm),对较长的管件进行整合,以满足新客户的需求。在测量深孔内径时,质量经理Travis Ingram等人借助主动扫描式的Vast XT Gold测量头,来适应加长的探针

“对我们来说,一切都以中心为重。”他在评论本公司(拥有50名员工)于钻孔工艺中采用的“borecentric”技术时,如此说道。借助这一技术,这家专业制造商(位于Windham,Maine)的机械工程师们能够对管材的内、外径进行匹配。这与钻直孔的常用方法截然不同——后者以内径为中心,然后缩小外径。除了便于显示0.008 in(或更小,只要底座是25 ft)的总指示偏差量(TIR)以外,borecentric技术还节省了昂贵的材料(诸如钛合金和镍基合金),并且能够对轴类(具有预加工的外径尺寸)进行钻孔和修整处理。

尽管如此,Morse坚持认为,如果无法将borecentric钻孔技术的测量能力提升到与其加工能力相同的水平,则公司将不会充分地挖掘出该技术的全部潜能。技术销售工程师Andrew March说道:“内径规及其他手持式仪器不够精细,无法满足Tube Hollows公司新型客户的需求,航空航天及能源行业的制造商所需要的不仅仅是直的、壁厚均匀的管材。”借助坐标测量机的扫描功能可以提供完整的几何尺寸与公差(GD&T)等形状数据,而这对那些复杂的、具有多种尺寸的管件内构(如涡轮驱动器、起落架组件等)而言,都是必需的。

然而,并非所有扫描头都适用于公司新近(在刚刚过去的六月)从蔡司工业测量处购得的三坐标测量机Contura G2。测量凹陷的槽部和凹口;突出的几何体,如肋状和齿条结构;多种轮廓线直径,带有步进式的半径过度;完全平坦的盲孔底部;以及需要加长探针的其他管内深处的复杂尺寸。事实上,由于此类管材过长,因此采用被动扫描头及其静态系统(弹簧和位移传感器)时,无法实现准确的测量,甚至有时根本无法测量。因此,公司选择了主动扫描头——Vast XT Gold来取代静态扫描头,利用力发生器和其他内部组件,对管件表面持续施加一个由用户自定义的均匀应力。在这一过程中,它补偿了由较长或较重的探针所产生的任何多余作用力,蔡司公司的高级技术销售工程师Kevin Donovan说道。

图2  借助Tube Hollows公司的borecentric技术(顶部),机械工程师们能够对壁厚均匀的管道(甚至是弓形杆)实现内、外径匹配。这与传统方法形成了对比——后者通过缩小外径实现匹配(底部)

考虑到半成品零件的复杂性,为了使此类管件的生产步入正轨,对主动扫描技术的采纳也是十分必要的。最终,主动扫描所提供的全面形状数据(包含几何体的外径尺寸,甚至还包括非管型的零部件)满足了新型客户的需求。“尺寸越复杂,越能凸显主动扫描的优势。”March说道。

计量功能愈加完善

在获取必要证书的同时(Tube Hollows公司在2017年2月进行了AS9100认证),Morse表示,他和其他领导人共同审查了对坐标测量机的引进和应用情况,这是自公司成立以来,迈向下一发展阶段的一步举措。

图3  这一产品表明(不排除有更简单的方法)Tube Hollows公司已不再满足于仅仅制造同轴、壁厚均匀的管材,而是能够实现更高水平的加工

图4  在各类复杂的内、外径尺寸之间,往往彼此密切相关,因此不仅需要将它们加工成型,还应对其作出完整的规定,这就需要借助坐标测量机(CMM)来完成

这一阶段很快就实现了。该公司成立于2011年,其创立团队来自于一家更大规模的制造商企业(该企业已被收购)。在随后一年内,Tube Hollows公司从原先所租用的地点处,搬迁到了一个更大的办公场所(占地5万ft2),也就是目前的办公地点,并且凭借原公司在收购时留下的少量最基本的成孔加工设备,开始了业务运营。Morse认为,公司的稳定发展主要在于其对核心业务领域的专注,尤其以医疗行业的零件加工(如钛合金髓内棒、镍钛管材等)而享有名气。

不过,若仅仅专注于对管型部件(同轴、壁厚均匀)的加工,则将无法涉足上述所提及的航空航天及能源行业,而在Morse和其他领导人看来,此类行业对公司的未来发展是极其重要的。尽管这一点更具挑战性,一般而言,产品的前置时间为8~12周,对比之下,处理遗留问题的时间为2~4周。现已证实,Tube Hollows公司的机械加工能力完全能够精准地处理这些零件。不过,除了对内、外径尺寸、总指示偏差量(TIR)和表面粗糙度的测量外,客户还需要对复杂几何体的内径表格给出完整的定义。与手持式测量仪器不同(需要在数个选择测量基准上,对剖面几何体进行投影),坐标测量机借助数千个数据点来描绘3D轮廓线,并且能够对这些数据点作出直接的解释。对形状的标注也更容易、更精确(比如对圆柱体而言,需结合对圆度、平直度和锥度的测量)。

此外,即便是那些能够用手持式仪器完成的检测,也通常会用坐标测量机来取代此类仪器,完成检测。同步工程是Tube Hollows公司的规范操作,在决定对成品零件的几何形状采取何种最优的测量方式之前,首先进入制造流程。利用这一工具的Calypso软件,公司及其客户能够借助各种算法,以不同的方式对同一数据作出说明。“一旦我们设立了基线,便会逐个地审核所有零件,以确保它们的统一性,或者进一步对数据进行分析,又或者会依据不同的标准来进行。” March如此说道。

积极追求精度

抛开软件功能不谈,如果在车间内对坐标测量机采用被动扫描头,则无法实现这些操作。被动扫描头借助内径量规来获取表面数据:内径量规主要用来测量弹簧(与探针相连)在探头离开零件表面时的压缩和松弛程度。March把这一构造比作游乐场的机动设施:古董车的复制品无法接触到围绕轨道中心的导轨,以防止车辆偏离路线。同样地,被动扫描头的精确操作窗口能够执行拉伸或压缩弹簧的指令,同时不会对测量结果造成影响。较长的探针会因重力作用而下垂,这会在检查程序开始前,部分甚至完全地关闭这一窗口,尽管这一情况通常无法被人眼识别。

“而主动扫描头就不会受此限制,它能够通过适时调整来控制探头的受力。一系列为探针提供主动稳定作用的平行四边形,以及内力控制器、传感器和标尺等,都保证了Vast XT Gold在零件表面上施加了均匀一致的探头压力,而无需考虑重力、接触角度、零件的几何结构或任何其他外部因素。”Donovan说道。因此,探头可适用500 mm长、500 g重的探针。

图5  项目工程师Kelly Wright选取了一个在该公司走心式自动车床上生产的零件,对其进行了测量。长久以来,车间测量在此处已成为了一种规范操作,并且在某些情况下还会进行加工过程中的测量。然而,即便对于各类新型的、更为复杂的产品,往往也会在坐标测量机上采用简单的测量方法(借助手持式仪器)来获取更全面、更可靠的形状数据

主动扫描头复杂的内部结构,可免于对连接式固定器的使用,而后者在被动扫描头中较为常见。因此,在测量复杂的内径时,需要采用多个加长探针,并且结合不同的连接方式和测量角度,确保探头在法向矢量上(垂直)接触待测表面。在Tube Hollows公司,这些加长探针主要是从蔡司的ThermoFit Pro系统中组装的。与常见的铝制或钛制构造不同,这些工具的碳纤维构造在设计上集高硬度、轻质量和热稳定性等特点于一体。在Donovan看来,这种构造对长距离的测量应用是不可或缺的。在探头上,与常见的红宝石探头相比,Tube Hollows公司更青睐于使用氮化硅材料制成的探头,这是由于前者在处理哈氏合金、钼类及其他硬质材料时,极易发生磨损。

在采用这些长形探针进行测量时,为了减少测量的不稳定性,必须对量规进行重复性与再现性(R&R)研究。在工艺设计中,借助Calypso软件的导航器(Navigator)向导程序,能够实现对适当应用参数的校正。在对探针系统进行了配置,并实现了完整的编程后,操作员通过以不同力度操作探头,来扫描参考球体的相同位置,进而鉴定探头的质量。这一程序是对张量的测定,借助它能够明确探针在每单位力下的精确弯曲度。凭借该程序、CNC和传感器的反馈,由探头的内部结构完成剩下的操作。

与Tube Hollows公司采用的扫描技术相比,其计量程序拥有更广义的“主动性”。坐标测量机为各类工作的衔接提供了大量的主动性,这是由于:对新型复杂零件的生产活动,是在质量控制部门与车间之间进行的一种交替,而主动扫描数据则为该流程中的每一步骤都提供了指导。举例来说,销售经理Evan Spoerl援引了最近的一项工作,将处于两个内径之间过度阶段的临界半径,与外径上的某一特定点进行匹配。这种情况下,在对离线监测的零件进行牵拉后,证实钻孔棒材已达到了合适的深度。然而,此类扫描通常都提示需要进行轻微的工艺调整。

于是,这一工艺逐步进行下去,通常需要与客户进行持续的反复沟通,直到开始编制全面检查报告。“到那时,大部分的所需数据都已收集完毕。”March说道。这就节省了一些时间测量,但它仍无法弥补的事实是:对于在加工过程中进行的检测,当把零件从车间取出后,需要在不同的操作之间进行额外的设置。即便如此,这一影响是微小的,因为由硬质材料加工而成的复杂零件,通常需要耗费较长的加工时间。同时,March还提到,用于某些钻孔和成孔操作的周期时间通常都需要按小时计。简言之,这是奢侈的,因为它为规划和执行扫描预留了大量的时间,而扫描一个零件所需的时间一般为20 min。

“这并不是说Tube Hollows公司不看重机械加工的效率。”March说道。恰恰相反,效率性正是该公司一直以来所秉承的原则(近期,该公司投资购入了一台机床,该机床集车削与铣削功能为一体)。因此,不如说它反映了加工流程的性质。它还反映了另外一个事实:无论是在最初为了制造零件,还是为了提供全面的形状数据,进而能够与客户就重大工程展开讨论,坐标测量机在加工过程中的扫描功能都是必不可少的(因此,人们甚至十分乐意采用坐标测量机来进行那些简单的测量活动)。简言之,选择Tube Hollows公司的客户,并不是为了实现产品的快速生产,而是为了解决设计上的难题,确保那些关键性的部件具有极高的精度,避免在其发生故障时,造成人身伤害和财产损失。

图6  本图片显示的是一个经过配置的探针系统,其探头端部能够在法向矢量上接触待测的几何体(垂直)。Tube Hollows公司的复杂产品通常都需要加长的探针,而且单个部件可能会需要多个探针系统

超越Tube Hollows公司

Tube Hollows公司的团队之所以如此重视坐标测量机的主动扫描功能,除了长距离测量之外,还有其他原因。对标注了“光滑镜面处理”的表面,或带有精细的亚光图案的表面,力控功能也使其测量更加容易。即便要在这类表面上进行简单的测量,采用一个红宝石制的探头进行轻触,也要远远优于采用内径规上的钢制探针。“我们实际上还能用它来测量聚苯乙烯泡沫(泡沫塑料)。”Donovan在谈及蔡司公司使用Vast XT Gold进行的自测时,如此补充道。

事实上,对非管型的零件而言,坐标测量机的主动扫描功能是极佳的,但它仅仅是一种补充,就像齿轮是某一组件的一个组成部分一样。Tube Hollows公司将这种复杂的工艺视为一种额外的机遇,它能够使公司大大拓宽核心业务领域,提供更广泛的服务类型。尽管被动扫描头在除长距离测量以外的工艺中,拥有自身的优势,但公司并不考虑再向其中投入资金。“主动扫描所能实现的功能真的是极其重要。”March说道。

“与被动模型相比,主动扫描头在任何类似测量(长距离或其他)活动中都能提供更多的数据。”Donovan说道。借助在扫描过程中持续的实时调整,主动扫描头可被视作一个迷你型的坐标测量机,并且处于更接近测量点的位置。这就给工艺流程增加了一定的精细度,而并非像轴形发动机带动各类机械运转那样简单;对比之下,后者所说的正如被动扫描头那般。在没有主动力控或稳定的情况下,当离开零件表面的探针在拉动探头时,压力会随着每个轮廓线而发生变化。因此,被动系统必须更多地依靠补偿式的软件算法,来完成同样的结果。

Donovan强调,这些算法都是极其复杂的,并且蔡司公司对这两种不同的扫描头,引用了同样的测量不确定度。尽管如此,在工业生产条件下(也即在质量实验室环境之外),“借助主动扫描头,或许能更好地处理各零件之间不太理想的差异性问题。”他说道。

对Tube Hollows公司的客户而言,这正是他们所关心的问题。“尺寸越复杂,我们越想对其采用更多类型的算法。”March说道。在描述完主动扫描的优点之后,他又返回到一开始那个游乐场古董车的比喻上来,这种车只能被限制在某些狭窄的路径上行驶。“如果你在一个齿轮齿上应用主动扫描探头,它将沿着轮廓线行走,并保持一定水平的压力,无论轮廓线的走向如何。而被动扫描探头是由一个标称值带动的,如果这一标称值及其实际值开始发生偏离,结果也必将发生偏离。对我们而言,选择主动扫描实为一项明智之举。”