1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 刀具径向磨损测量设计 摘要： 为获取变切削条件下刀具磨损量 ,对刀具磨损补偿值进行了分析研究 ，使加工过程顺利进行，并综述各种测量方法的原理及特点。 关键词： 刀具磨损、磨损原因、测量方法 Abstract: To obtain the tool wear under varying cutting conditions, the amount of tool wear compensation value of the analysis of the machining process to work, and summarizes the prin
2、ciple of measuring methods and characteristics. Key words: tool wear, indirect measurement, direct measurement measurement method 引言 随着加工自动化程度的不断提高，特别是柔性制造系统 (FMS)的出现，人们越来越 重视对加工过程的在线监测。刀具磨损是切削加工过程中不可避免的现象，但刀具一旦发生磨损，不仅会使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，而且会导致切削力加大，切削温度升高，甚至产生振动，而中断正常的切削过程 1。因此，刀具磨损的在线监测是较早提出的研究方向之一。
3、 切削过程中，刀具磨损是一个渐进的过程，变化较 为缓慢。因此一般切削加工时，操作者可以根据切削过程中的振动、噪声等来估计刀具的磨损程度，考虑是否换刀或刃磨 2。 在自动化加工过程中，则需要系统能够自动判断刀具的磨损程度并及时换刀，以免由于刀具磨损过度而造成的加工质量下降或其他损失 3。虽然用刀具寿命管理的方法可以防止刀具的磨损和破损，但因为刀具寿命具有随机性，而这种方法对刀具的寿命极限的估计往往过于保守，以致大部分刀具未能充分发挥其作用。在无人化加工系统中，这将意味着换刀次数和刀具费用的增加。因此，切削加工过程中，如何定量、定时地掌握刀具的工作状况， 检测与诊断刀具的磨损、崩刃等损伤故障，对于
4、延长机床设备的无故障运行，提高产品质量都非常重要 4。 正文 自二十世纪 70年代以来，国内外学者对刀具磨破损的监测理论和系统进行了大量的研究到 70年代末，国外己研制开发出了用于刀具状态监测用的传感器件，通过测量切削力、振动、噪声和热等，间接反映刀具的磨破损程度。日本、德国生产的 NC机床在配置适应性控制系统的同时，设置了带传感器的刀具检测及监控系统，可实时地监测刀具的损伤情况，及时发出信息，防止因刀具失效引起的工件报废和机床故障 5-6。据称，该系统可避免 75以 上的故障，增加有效工时，节省 30以上的加工费用，提高切削效率 20以上。二十世纪 90年代，刀具损伤监测及故障诊断技术在高性
5、能微机监测等新技术的推动下，获得进一步发展，其准确性、可靠性、实用性得到进一步提高。刀具损伤监测所用传感器在集成化、数字化及智能化方面取得了新的进展，刀具传感器的品种、规格、用途、测试方法有新的发展，且价格有所降低，从而在机械加工方面开拓了新的应用领域。近年来国内外学者对刀具状态监测技术进行了大量研究，虽然声发射技术是一种较有前途并具有工业应用潜力的监控方法，但是，目前由于种种原因，大 多监控法尚不能完全满足工程实际的需要 7。从传统监测方法来看，声发射监控法的不同工艺系统互换性较差，而且声发射传感器的定位安装也存在一定的困难，安装在刀具或工件上，虽然对信号采集有利，但实际应用存在困难，而如果
6、安装在主轴上或冷却液喷管中，信号则会有一定的衰减；振动传感器的监控位置选择也较困难，其理想的安装位置是加工工件的垂直表面，但在实际加工过程中却同样难以实现：利用电流传感器，检测伺服系统的电流或者功率是一种常用的刀具检测方法，对刀具的破损监测比较有效，对刀具磨损监测则有一定困难；同位索监测法有害健康；电阻监测法需在刀具上印制金属膜电阻，标定和使用都不方便；工件尺寸监测法的结果受工件热膨胀和刀具运动误差的影响。其它的一些方法，诸如超声波、切削力、磁场、振动、温度、应力应变等也存在传感器安装时需对刀具、刀架或机床进行改动，且换刀后需进行传感器标定，以及传感器信号传输电缆与机床原有自动换刀系统不能协调
7、匹配，受轴承、润滑油、连接环节等中问因素的影响，鲁棒性差，评价基准随加工速度、进给量、材料和刀具型号等因素变化需不断修正等问题，它们也是影响实际应用的重要原因 8-9。 实际上，从没有受到干扰的切削过程获取一个 合适的参考信号需要大量的工作和较高的技能。即便获得了恰当的参考信号，当应用到工业实际中时，由于工作条件或加工要求的变化，又会出现另外的问题。由于所获得的参考信号是对应特定机床类型和实际切削参数的某种映射，当修改了 NC程序或者使用不同的刀具进行切削时，这些参考信号将不能继续使用。 目前 , 监测方法根据切削加工过程和传感器类型一般可分为直接法和间接。直接法是直接检测刀刃的形状、位置等参
8、量 , 一般只能离线测量。 (1)直接测量刀具表面磨损。（ 2）利用放射性监测刀具磨损。间接法是间接测量正在切削状态中的某些参数 , 将它与给出的正式切削参数进行比较 , 从而推断出刀具是否已磨损或者刀具就要发生破损的先兆 , 达到监测目的 10-11。（ 1）切削力变化的监测方法。（ 2）切削功率 （ 或扭矩 ） 变化和波形的监测方法。 （ 3） 工件尺寸变化的监测方法 。（ 4） 切削温度变化的监测方法。 （ 5） 同振动频率的监测方法测量。（ 6）测量刀具与工件接触处电阻的方法。（ 7）工件表面粗糙度变化的监测方法等。 刀具磨损是逐步发生的 , 较易预测 , 而要监测刀具的破损则较困难
9、, 这是由于刀具的破损是突然发生的。所以需要具有以下性能的传感器和监测系统： （ 1）能发 出清晰可靠的信号 （ 2）能灵敏地反映刀具逐渐磨损的情况 （ 3）对刀具破损能作出迅速响应 , 响应时间不超过千分之一秒 （ 4）能灵活地用于不同的加工工序 （ 5）不干涉切削过程 （ 6）可以在车间环境下使用 , 成本低、安全可靠 （ 7）并能提供与机床控制系统相联接的信号。 直接测量刀具表面磨损这是应用光学技术检测刀具损耗面大小的方法其原理是力具在侧面用光照亮 , 通过光导纤维将其反射光的分布形态传到显示系统。对反射回来的磨损图形进行分析 , 即可判断出刀具的磨损情况在借助于光导纤维或激光时 , 可
10、使照射光源和光接受器在远离 刀刃条件下进行观测 12。目前 , 此法对磨损面的线分辨率可达 2.5 /m。此法优点是直观性强 , 准确、可靠。但大部分只能在切削完毕后 , 把刀具移到固定位置进行观察。当出现刀瘤或其他沉积物时 , 分析损耗部位就会有困难。此外 , 光反射不适于刀具破损的检测 , 并且受刀具材料不同及测量环境亮度变化的影响也较大。另外不能进行动态测量 , 只能在两次切削之间进行静态测量。 利用放射性监测刀具磨损此法是在刀具切削刃部位涂抹放射性元素微粒 , 利用检测切屑中或刀具上放射强度的变化来诊断刀具材料损耗多少。美、德、日等国自 50 年代就开始相继进行了放射性刀具的磨损研穷。
11、例如 ： 美国麻省理工学院利用监测原子能放射性的方法进行诊断和监测刀具的磨损情况。在应用此法时 , 在大多数情况下会使刀具带有放射性 , 并要把切屑收集起来 , 以便对放射能量集中进行计量。 切削功率 (或扭矩 )变化和波形的监测方法是通过测定主轴负荷功率或电流和电压间相位差及电流波形变化等来确定切削过程中刀具是否破损 13。当刀具磨损或破损时 , 由于切削力的增大 , 造成切削功率 (或扭矩 ) 的增加 , 使得机床驱动主运动电机的负载率变大。首先测出新刀具首次切削时主轴电机负荷功率 或电流的波形 , 并存人数控装置的存贮器内 , 用来与以后每次切削时的负荷波形相比较 , 如果实际负荷超过给
12、定的允许范围 , 则可断定刀具发生了断损。它具有测量信号简便 (用瓦特计 ), 可避免切削环境中切屑、油烟、振动等干扰 , 监测装置易于安装的优点。目前已大量用于车、铣、钻等适应性控制机床的切削状态监控中。据日本精机学会报道 , 此法已广泛用于FMS的无人操作的工序之中 14。 此法的主要缺点是 , 在应用于监测刀具磨损、破损时 , 由于切削条件变化设置阑值较困难 , 其反应是灵敏度不太高 15。在小尺寸刀具或切削用量 较小时 , 电机功耗变化不明显 , 一般仅适合于粗加工场合。 切削温度变化的监测方法是在一般切削条件下 , 刀具磨损时 , 切削力增大 , 因此刀刃部产生的温度也将增加。刀具最
13、后失效时以温度的迅速升高来判断的。美 国 Bendix 公司正在研制一种响应速度快、而且灵敏的温度监视系统。该系统用硅光电池监测切削刃部产生的红外辐射。它具有良好的测量响应曲线 , 灵敏度高 , 但是不能用于有切削液的加工。 测量刀具与工件接触处电阻的方法是当刀具磨损时 , 刀具与工件间的接触面积逐渐加大 , 电流通过接触面时电阻减小 , 就可监测刀具的磨损 。其方法是在刀刃侧面贴一薄膜导体 , 当刀刃侧面磨损时 , 部分导体也被磨损 , 通过的电流也就减弱 , 通过测量刀刃部侧面薄膜导体的电阻就可知道刀刃部侧面的磨损量。这种监测方法精度高 , 但是在高温、高压下薄膜导体易脱落 , 高温与塑性
14、变形时会使信号受到干扰 16。 工件表面粗糙度变化的监测方法是随着刀具磨损程度的增加或破损的发生 , 工件已加工表面的粗糙度将呈增大趋势 ,据此可间接评价出刀具的磨损或破损状况。测量工件表面粗糙度的方法可分为两类。一类是划针或接触测量 , 可直接得出表面粗糙度的评价参数。适合于静态测量。另 一类是非接触式光学反射测量 , 得出的是工 件表面粗糙度的相对值。此类方法可以动态测量 , 测试效率高。己本某公司提出了一种表面粗糙度在线自动测量方法。该方法利用了两个光纤传感器一个垂直于工件被测表面一个与工件表面成一倾角 17。利用这两个传感器接收到的反射光的比率来确定工件表面粗糙度 , 以此来判断刀具的
15、磨、损破程度。 声发射 （ AE） 法监测刀具声发射技术用于监测刀具的磨、破损是近年来声发射在无损检测方面新开辟的一个应用领域。其原理是当固体材料在发生变形、断裂和相变时会引起应变能的迅速释放 , 声发射就是随之产生 的弹性应力波。当刀具破损时可检测到幅值较高的 AE 信号。目前日本、美国已用于加工中心及 FMS 中。在监测时 ,AE传感器装在刀具的后端 , 当刀具破损时发出的异常声频通过 AE传感器 , 经放大输出并通过滤波器滤波与检波 , 然后经过 A/D转换器数字化后输人计算机进行处理 , 从而判别刀具是否已经破损。此法对于 3 8mm的钻头测量很有效。测量的频率范围 在 100 500
16、kHz以内。由于声发射信息受切削条件变化影响小 , 抗环境噪声及抗振动能力强 , 故是一个很有前途的刀具破损监测方法。它能够监测刀具涂层磨损 , 刀具破碎以及由月牙形磨损引起的刀具破坏。 小结 直接法是直接检测刀刃的形状、位置等参量 , 一般只能离线测量。 间接法可以有以上多种检测参量 , 但考虑到信号获取方式、灵敏度、抗干扰性及使用条件的限制 , 目前在实际生产中较常见的是切削力、主电机负荷及声发射信号监测法。 研究表明，数控机床配备刀具监测系统后可减少 75%的故障停机时间，提高生产率10% 60%，提高机床利用率 50%以上。 总之，监测刀具在加工过程中的状态，力求做到降低因刀具故障引起
17、的事故发生率，保证加工过程安全高效，避免了巨大的经济损失和人员伤亡； 预知刀具工况，在避免类似失修造成的故障，防止过剩维护造成的浪费，提高刀具的利用效率等方面有着重要的意义。 参考文献 1永刚 . FMS环境下刀具磨损寿命预测研究 J . 石家庄职业技术学院学报 , 2005, 17 (6) : 35 - 37. 2 忠 ,李圣怡 . 基于多传感器的道具状态监测系统 J .数据采集与处理 , 1999, 14 (2) : 200 - 203. 3马丽心 ,王 扬 ,谢大纲 ,等 . 冷硬铸铁激光加热辅助切削实验研究 J . 哈尔滨工业大学学报 ,2002 ,34 (2) :2282230. 4
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