刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

任澤宇

（浙江 杭州 311200）

在制造業(yè)中，數(shù)控機(jī)床發(fā)揮著舉足輕重的作用。近年來(lái)，隨著零件品質(zhì)要求不斷提高，越來(lái)越多的零部件需要進(jìn)行高精密的加工，尤其是在航空航天、汽車、手機(jī)等領(lǐng)域，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已成為提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)講，刀具系統(tǒng)是其最重要的組成部分，它與加工工件的質(zhì)量有著緊密聯(lián)系，而刀具的磨損是導(dǎo)致工件質(zhì)量差，廢品率高的直接原因。有研究指出，五分之一的機(jī)床停機(jī)是由于刀具系統(tǒng)破損造成的，采用準(zhǔn)確可靠的刀具磨損在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可使機(jī)床利用率提高1．5倍，最高提升切削速度50%，并節(jié)約30%左右的總加工成本。因此，對(duì)刀具磨損狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有助于提高加工環(huán)境的穩(wěn)定性和工件的質(zhì)量，保障機(jī)床及加工人員安全，同時(shí)還能提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。因此，發(fā)展刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)有重要的作用。

1 刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段的刀具磨損監(jiān)測(cè)方法主要分為直接法和間接法。直接法主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)刀具磨損面反光強(qiáng)度、刀刃位移情況、切削面放射性、接觸電阻及工件尺寸的變化來(lái)判斷刀具的磨損情況。而間接法主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)切削過(guò)程中某些與刀具磨損構(gòu)成映射關(guān)系的參數(shù)，例如工件溫度、超聲信號(hào)、切削過(guò)程的振動(dòng)信號(hào)、切削力、扭矩、電機(jī)功率或電流的變化來(lái)間接反映刀具的磨損情況。以下是幾種主要的監(jiān)測(cè)方法。

1.1 直接法

（1）光學(xué)圖譜法：光學(xué)圖譜法是通過(guò)利用光學(xué)儀器記錄刀具后刀面磨損處的反光強(qiáng)度變化或進(jìn)行圖像處理得到刀具磨損信息的方法。這類方法的優(yōu)點(diǎn)是其結(jié)果較為明確直觀，方便技術(shù)人員分析；缺點(diǎn)是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中伴有切削液等切削條件的干擾，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（2）接觸法：接觸法是通過(guò)探頭磁間隙傳感器檢測(cè)切削刃的位置參數(shù)來(lái)得到刀具磨損信息的方法。這類方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便易操作，缺點(diǎn)是其易受切削溫度影響。

（3）放電性技術(shù)：放電性技術(shù)是通過(guò)在刀具原材料中加入放射性物質(zhì)，隨著磨損程度的加大，刀具放射性逐漸加大，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。這類方法的優(yōu)點(diǎn)是其不受加工環(huán)境的影響，缺點(diǎn)是其實(shí)時(shí)性差，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)還需考慮防護(hù)性問(wèn)題。

（4）工件尺寸測(cè)量法：這類方法通過(guò)傳感器檢測(cè)工件的尺寸，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際工件尺寸誤差的大小來(lái)判斷刀具磨損情況。但工件的尺寸受機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度和熱膨脹的影響，可靠性較低。

1.2 間接測(cè)量法

（1）切削溫度測(cè)量法：切削溫度與刀具磨損有著直接聯(lián)系，因此可通過(guò)監(jiān)測(cè)工件與刀具之間的熱電偶或用紅外檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)切削部位溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)磨損狀態(tài)的識(shí)別，但這種方法不適用于添加冷卻液的加工過(guò)程。

（2）聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法：聲發(fā)射是刀具或被加工器件在加工過(guò)程中因裂縫擴(kuò)展、塑性變形、相變等引起應(yīng)變能快速釋放而產(chǎn)生應(yīng)力波的現(xiàn)象。這種方法能在不影響刀具和工件的情況下檢測(cè)到刀具磨損的特征信號(hào)，這些信號(hào)頻率較高，受環(huán)境干擾較小，其缺點(diǎn)是傳播過(guò)程中信號(hào)衰減很快，傳感器需安置在接近切削處的位置，且信號(hào)處理方式復(fù)雜，效率低下。

（3）振動(dòng)監(jiān)測(cè)法：其通常用加速度計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)切削過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)的變化來(lái)判斷刀具磨損情況，對(duì)刀具磨損敏感度高，但其信號(hào)易受到機(jī)床的自激振動(dòng)和噪聲干擾，給后期判斷增加了難度。

（4）切削力監(jiān)測(cè)法：切削力對(duì)刀具磨損靈敏度高且作為加工過(guò)程中刀具狀態(tài)變化最直接的表現(xiàn)之一，其信號(hào)特征能準(zhǔn)確反應(yīng)刀具的磨損情況。其缺點(diǎn)是傳感器需要與工件有特定的安裝位置，信號(hào)采集困難，設(shè)備昂貴。

2 研究難點(diǎn)及可能的解決方案

從現(xiàn)有刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)看，直接法操作性強(qiáng)，能夠得到直觀數(shù)據(jù)，避免了復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，但采集數(shù)據(jù)時(shí)容易受到環(huán)境干擾，采集數(shù)據(jù)不可靠，測(cè)量精度不高。而間接法雖然可以采集相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但它并不能直觀反映刀具的磨損狀態(tài)，需建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型對(duì)磨損特征進(jìn)行提取，過(guò)程復(fù)雜。

目前刀具磨損監(jiān)測(cè)的主流方法還是以間接測(cè)量法為主，而其中以振動(dòng)監(jiān)測(cè)法，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法和切削力監(jiān)測(cè)法最為流行。但是針對(duì)單一的傳感器監(jiān)測(cè)并不能全面和準(zhǔn)確的反映刀具磨損的特征信息，因此不能同時(shí)兼有高敏感性、高容錯(cuò)性和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)法適應(yīng)實(shí)際加工環(huán)境。對(duì)此問(wèn)題，可通過(guò)多傳感器監(jiān)測(cè)來(lái)協(xié)調(diào)單獨(dú)傳感器失靈或由于某些噪聲干擾造成傳感器的誤判，最后綜合多來(lái)源刀具磨損信息使刀具磨損狀態(tài)識(shí)別可靠準(zhǔn)確。其次，傳感器安裝位置需盡可能靠近工件，但由于受加工環(huán)境以及刀具的干涉，傳感器的安裝往往不能安裝在刀具較靠近工件的位置，因此，可將傳感器集成在刀體或夾具上，以提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)是工業(yè)自動(dòng)化的時(shí)代，數(shù)控加工是未來(lái)制造業(yè)的重中之重，而刀具磨損的在線監(jiān)測(cè)是整個(gè)加工鏈實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)目前的研究還只是偏重于理論，局限于小樣本的試驗(yàn)和小規(guī)模的加工，同時(shí)也只適用于簡(jiǎn)單的加工工藝和簡(jiǎn)單的走刀路線，并不適合復(fù)雜的曲面加工，也不能普遍運(yùn)用于整個(gè)加工產(chǎn)業(yè)鏈。因此，未來(lái)的刀具磨損在線監(jiān)測(cè)應(yīng)從以下幾方面著手。

（1）發(fā)展多傳感器融合技術(shù)，使之更能準(zhǔn)確的采集可靠磨損信息。

（2）發(fā)展智能刀體，將傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置、控制裝置、微型計(jì)算機(jī)等集成在刀體或刀頭上，以提高采集磨損數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和高效性，并通過(guò)高性能處理器及時(shí)分析磨損特征，識(shí)別磨損狀態(tài)，以達(dá)到對(duì)刀具磨損狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（3）可以將傳感器和整個(gè)機(jī)床融為一體，例如可將傳感器制作成夾具，使其兼有采集數(shù)據(jù)和裝夾工件的功能，這樣對(duì)于任意的加工工藝，都可以監(jiān)測(cè)刀具的磨損信息。