智能切削刀具發(fā)展現(xiàn)狀綜述

崔云先,張博文,劉義,祁洋

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)*

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智能切削刀具發(fā)展現(xiàn)狀綜述

崔云先,張博文,劉義,祁洋

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)*

針對國內(nèi)外智能切削刀具的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用狀況，對智能型刀具技術(shù)和智能型刀具系統(tǒng)的研究成果及在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述，重點介紹以實現(xiàn)超精密加工為目的的智能切削測溫刀具技術(shù)，展望了以“中國制造2025”為核心的智能刀具技術(shù)向系統(tǒng)化和模塊化發(fā)展的趨勢.

智能制造；智能刀具；精密加工；刀具系統(tǒng)

0 引言

隨著微電子制造技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在先進(jìn)制造技術(shù)中的廣泛應(yīng)用， 2006年美國 NIST(National Institute of Standards and Technology)啟動了 “智能裝配” (Smart Assembly)研究項目,陸續(xù)又啟動了“智能制造過程和設(shè)備” (Smart Manufacturing Processes and Equipment)研究項目和“下一代機(jī)器人和自動化”( Next-Generation Robotics and Automation)研究項目[1].2012年我國發(fā)布《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》和《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》， 2016年發(fā)布《中國制造 2025》計劃 .智能制造已經(jīng)成為先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的主流. CIRP(國際生產(chǎn)工程科學(xué)院)公布的一項研究報告指出：“在美國，刀具的正確選擇只有 50%左右，刀具只有 58%的切削時間是在最佳切削速度下工作的，僅有 38%的刀具完全用到刀具的壽命值”[2].這實際也更能反映目前我國機(jī)械制造業(yè)的現(xiàn)狀 .

近年來，先進(jìn)制造技術(shù)正朝著精密化、柔性化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、全球化、虛擬化、智能化方向發(fā)展 ，刀具自動化檢測以及切削過程智能監(jiān)控的新原理、新裝置和新系統(tǒng)成為未來切削加工技術(shù)的發(fā)展途徑之一[3].刀具狀態(tài)智能監(jiān)測技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成成分，是在現(xiàn)代傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù)，它在降低產(chǎn)品制造成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量，減少制造環(huán)境危害方面具有極其重要的作用[4].研究開發(fā)智能刀具，提高加工效率，降低成本是提高切削加工質(zhì)量和精度的十分有效的方法之一，智能刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢 .

1 智能切削刀具發(fā)展概況

1.1 國外智能切削刀具發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀(jì) 80年代，第一個“受控型”刀具 (Controlled tool)在德國問世，這是智能刀具的雛形[5].進(jìn)入 90年代，該技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，并稱為智能型刀具( Intelligent Tool)或者靈巧型刀具 (Smart Tool)[6]. 1998年德國 Komet公司開發(fā)了一種智能刀具，它把驅(qū)動、返回、微型計算裝置、非接觸式能量和數(shù)據(jù)傳輸裝置集成在一起，刀具外徑1 60mm，柄部為 ISO、SK50或 HSK100，可利用具有 8mm升程的簡單平面導(dǎo)軌實現(xiàn)多種變型，由機(jī)床控制器 M指令控制的可外伸鉸刀，其調(diào)整精度可達(dá)微米級 .2002年美國密西根大學(xué)的 Byung-Kwon Min等人發(fā)明了一種智能鏜刀( Smart Boring Tool)[7]，將激光位置傳感器和壓電執(zhí)行器集成到鏜刀刀桿內(nèi)，利用位置控制，自我監(jiān)測算法和擾動觀測器快速完成刀具伺服反饋控制，可完成小于 1μm位置誤差的伺服控制，有效提高了鏜削過程的生產(chǎn)效率和可靠性 .2007年加拿大 Hamidreza等人將光纖傳感器用軟釬焊的方法埋入中碳鋼中[8]，通過激光涂敷的方法在中碳鋼表面涂敷一層 WC-CO鍍層，將其制成基于FBG的智能切削刀具，用以實時監(jiān)測切削過程中刀具的受力狀況 .2009年美國新罕布什爾大學(xué) Robert B. Jerard等研發(fā)了一種無線智能刀柄 (Smart Tool Holder)傳感器系統(tǒng)，他們將無線傳感器集成到智能加工系統(tǒng)( Smart Machining Systems簡稱 SMS)中[9]，用于實時監(jiān)測刀具的磨損狀態(tài)及機(jī)床的顫振，據(jù)參與開發(fā)該傳感器系統(tǒng)的 ChristopherA.Suprock 介紹，這種傳感器系統(tǒng)不會影響刀具的切削剛性，同時其制造成本僅為 500美元左右 .與之形成強(qiáng)烈對比的是目前市面上普遍使用的旋轉(zhuǎn)式測力計，其市售價格高達(dá) 3 萬美元以上，但前者可完全替代這種旋轉(zhuǎn)式測力計 .2012年德國布倫瑞克大學(xué)的 Alexander L. Boldering等設(shè)計了一種智能磨床夾具[10]，他們利用壓電動態(tài)力傳感器和執(zhí)行器可以自動調(diào)節(jié)的活動夾具，其根據(jù)軸向力的變化自動調(diào)節(jié)砂輪的微位移，可降低磨削過程中因為刀具振動對磨削表面質(zhì)量的影響 .2013年愛爾蘭都柏林大學(xué)的 Kevin Kerrigan等[11]將熱電偶集成于銑刀上，研發(fā)了一種新型的智能刀具 (wireless integrated thermocouple sensor 簡稱WIT)成功用于碳纖維增強(qiáng)聚合物 (CFRP)材料銑削加工時刀具溫度的測量 .

近年來，英國布魯內(nèi)爾大學(xué)程凱教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組一直致力于智能刀具的研究[12]，提出一種新型的智能切削工具；他們將一個獨立的單層壓電薄膜作為傳感單元嵌入切削刀片的下方，與 Kistler測力儀在相同工況下測試結(jié)果比較顯示，在一定測力范圍內(nèi)，該智能測力刀具誤差很小且重復(fù)性好，精度高； 2013年報道了利用可以內(nèi)部冷卻的智能刀具與封閉內(nèi)部冷卻回路測量切削溫度的一種新方法[13]，在冷卻水出口位置安裝熱電偶，用于測量刀具的切削溫度，由于冷卻水需要較長時間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在較短切削時間內(nèi)，無法實時測量切削溫度，作者利用獲得的出口溫度，通過最小二乘法擬合得到瞬態(tài)響應(yīng)函數(shù)模型的分析，可以在 15 s內(nèi)得到穩(wěn)態(tài)的平均切削溫度，并且將該方法用于減少和控制加工難切削材料(如鈦和鎳基合金)的臨界切削溫度； 2014年提出了一種智能刀具的創(chuàng)新設(shè)計方法[14]，研究了一種基于 SAW(聲表面波)應(yīng)變傳感器的智能刀具，基于 SAW(聲表面波)應(yīng)變傳感器的智能刀具如圖 1所示.可利用安裝在刀具頂部和側(cè)面的兩聲表面波 (SAW)應(yīng)變傳感器在線實時測量切削力和進(jìn)給力.

圖1 基于SAW(聲表面波)應(yīng)變傳感器的智能刀具

1.2 國內(nèi)智能切削刀具發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)目前開展智能刀具研究的可見報道很少，大多是針對信號測量型的刀具技術(shù)展開的一些研究 .同濟(jì)大學(xué)劉曉東研制出一種新型的四維銑削力測量刀柄[15]，這種測力刀柄以薄壁圓筒為彈性元件，同樣利用無線電遙測的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，配備感應(yīng)式電源解決刀柄的供電問題 .青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院茍琪對數(shù)控銑床遙感測力刀柄進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)研究[16]，通過分析單元變形體簡易受力模型，研究剛度和靈敏度與變形體結(jié)構(gòu)尺寸的相互關(guān)系，提出雙層測力傳感器結(jié)構(gòu)中單元變形體彎矩變形的應(yīng)用方式，講述了遙感力信號的傳輸原理 .2010年，南京航空航天大學(xué)何寧教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，在對刀具磨損規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，提出一種針對高速加工智能化實時刀具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[17]，該系統(tǒng)可以自動進(jìn)行不同刀具狀態(tài)識別和磨損程度估計，通過高速銑削試驗證明了所提出的智能刀具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的有效性 .哈爾濱工業(yè)大學(xué)李文德等在基于聲表面波原理的智能刀具系統(tǒng)方面開展了研究[18]，研究了一種基于聲表面波原理的切削力測量智能刀具，所開發(fā)的智能刀具能在無線、無源的條件下，完成切削加工中主切削力的實時測量. 2013年哈爾濱工業(yè)大學(xué)舒盛榮在程凱教授的指導(dǎo)下提出了一種內(nèi)冷式智能刀具[13]，所研究的智能內(nèi)冷式刀具可以較精確的對切削溫度進(jìn)行在線預(yù)測，所設(shè)計的內(nèi)冷式智能刀具如圖 2所示 .

圖2 內(nèi)冷式智能刀具

2 智能切削測溫刀具的研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外智能刀具的研究主要用于監(jiān)測刀具的磨損和破損，檢測刀具溫度變化的智能刀具技術(shù)例子較少 .然而切削熱是切削加工過程中的一種重要的物理現(xiàn)象[19]，切削溫度又是直接影響零件加工質(zhì)量的重要參數(shù)之一[20]，尤其在超精密加工領(lǐng)域的高速切削加工中，由于加工時其散熱性差，熱變形產(chǎn)生的誤差大，使尺寸和形位誤差難以達(dá)到設(shè)計要求；化爆材料加工中，由于其不均勻性，內(nèi)部隨機(jī)分布硬質(zhì)點，當(dāng)切到硬質(zhì)點時，會突然產(chǎn)生大量的切削熱而引爆工件發(fā)生重大安全事故；在精密切削加工過程中，由于切削深度小，切削溫度變化速度快，導(dǎo)致傳統(tǒng)切削溫度測量方法很難測量快速變化的刀尖溫度 .

目前，國內(nèi)外常用的切削溫度測量方法主要有自然熱電偶法[21-22]、人工熱電偶法[23]、半人工熱電偶法[24-25]、紅外輻射測溫法[26-27]、固態(tài)圖像傳感器法[28-29]、金相組織觀察法、熱敏涂料法和量熱計法等.但常規(guī)溫度測量方法無法實時監(jiān)測切削區(qū)域指定點瞬態(tài)溫度變化，因此，研制一種響應(yīng)速度快、能準(zhǔn)確測量刀尖切削溫度的方法和技術(shù)已成為國際精密切削加工領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵問題 .具備溫度測量及反饋功能的智能刀具對切削加工及延長刀具壽命有著重要的意義 .

薄膜熱電偶是一種基于熱電轉(zhuǎn)換機(jī)理的新型瞬態(tài)溫度傳感器，通過測量兩種薄膜材料組成的閉合回路熱電勢來獲得測量點的溫度 .由于它具有熱容量小、響應(yīng)迅速等特點，在刀具切削溫度測量方面得到了初步應(yīng)用. 2013年，威斯康星大學(xué)美國國家數(shù)字制造裝備與技術(shù)重點實驗室在 PCBN刀具中通過嵌入微型薄膜熱電偶陣列對切削區(qū)域進(jìn)行切削溫度的測量 .提出了通過切削區(qū)模型預(yù)測切削溫度的方法，模型的可行性和預(yù)測精度通過嵌入多晶立方氮化硼 (PCBN)刀具切削區(qū)的薄膜熱電偶 (thin-film thermocouple簡稱TFTC)陣列附近進(jìn)行實驗測量確定 .圖 3 所示為 XiaoChun Li等[30-31]在 PCBN 刀片中嵌入薄膜熱電偶陣列，用以檢測前刀面和后刀面的切削溫度的分布 .

圖3 嵌入薄膜熱電偶(TFTC)陣列的PCBN刀具

本文作者課題組針對智能切削測溫刀具關(guān)鍵問題，應(yīng)用物理、材料以及電子信息和計算機(jī)理論與技術(shù)，研制了一種基于 NiCr-NiSi薄膜熱電偶的瞬態(tài)切削用智能測溫刀具[32-33]，瞬態(tài)切削用智能測溫刀具如圖 4所示；利用薄膜熱電偶具有熱容量小，響應(yīng)迅速等優(yōu)點，采用直流脈沖磁控濺射技術(shù)在刀片上制備了致密性和絕緣效果良好的 SiO2絕緣薄膜及熱電偶電極薄膜，集切削、測溫功能于一體，并將刀具瞬態(tài)切削溫度測試單元 (Electronic Measure Unit 簡稱 EMU)集成于刀具刀桿，形成集自動數(shù)據(jù)采集、自動數(shù)據(jù)處理、自動數(shù)據(jù)存儲于一體的瞬態(tài)切削用智能測溫刀具;利用自行研制的薄膜熱電偶自動標(biāo)定系統(tǒng)對研制的測溫刀片進(jìn)行了靜、動態(tài)標(biāo)定，結(jié)果表明所研制的測溫刀片在 30～300℃范圍內(nèi)具有良好的線性，其塞貝克系數(shù)為 40.5 μV/K，最大線性誤差不超過 0.92%，而且響應(yīng)快，時間常數(shù)小于 0.1 ms；該智能測溫刀具實現(xiàn)了在切削加工過程中對瞬態(tài)切削溫度數(shù)據(jù)的實時采集、無線傳輸與數(shù)據(jù)存儲功能；并通過現(xiàn)場實驗驗證了所研制的智能測溫刀具可以快速準(zhǔn)確監(jiān)測 0.1 s內(nèi)刀具刀尖處瞬態(tài)切削溫度的變化，能夠在生產(chǎn)現(xiàn)場對切削區(qū)域瞬態(tài)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確和實時測量，為智能測溫刀具的研究與開發(fā)提供了新的技術(shù)途徑 .

隨著微電子制造技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及嵌入微型薄膜熱電偶的技術(shù)的成熟，集智能測溫與反饋控制于一體的刀具將是新型智能刀具的一個發(fā)展方向 .同時，隨著智能技術(shù)在先進(jìn)制造技術(shù)中的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，把人工智能技術(shù)引入到刀具狀態(tài)監(jiān)測中來，不僅提高了監(jiān)測系統(tǒng)在復(fù)雜多變的切削條件下的適應(yīng)能力，并賦予其自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的智能性 .智能刀具溫度監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外制造業(yè)研究的熱點問題之一 .

圖4 瞬態(tài)切削用智能測溫刀具

3 結(jié)論

隨著工業(yè) 4.0和“中國制造 2025”的提出，推動了工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手臂、智能刀具等智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用，智能制造成為加工領(lǐng)域的研究熱點，智能刀具技術(shù)出現(xiàn)向系統(tǒng)化和模塊化發(fā)展的趨勢，并將與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步融合到物聯(lián)網(wǎng)中，從而推動制造業(yè)智能裝備的進(jìn)步.我國應(yīng)抓住有利時機(jī)，以制造業(yè)裝備現(xiàn)代化為契機(jī)，開展智能型刀具的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，對推動先進(jìn)制造技術(shù)的研究與開發(fā)具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值 .

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Development Status Summary of Smart Cutting Tool

CUI Yunxian, ZHANG Bowen, LIU Yi, QI Yang

(School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028，China)

In view of the research and application status of intelligent cutting tools at home and abroad, achievements and applications in related fields of intelligent cutting tool technology and system are summarized and focused on the introduction of intelligent cutting temperature measurement tool technology for the purpose of realizing ultra-precision machining. The development tendency to systematization and modularization of intelligent tool technology with the core of "made in China 2025" is proposed.

intelligent manufacturing; smart cutting tools; precision machining; cutting tool system

1673- 9590(2016)06- 0010- 05

2016-05-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51575074)

崔云先(1963-)，女，教授，博士，主要從事傳感器與測試技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)的研究

A

E- mail:dlcyx007@126.com.