基于刀具溫度測量的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)控研究

董慧婷，陳佳鑫，李 瑩，劉曉峰

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

金屬切削加工是現(xiàn)代機(jī)械制造中一種應(yīng)用十分廣泛的加工方式，實(shí)現(xiàn)金屬切削智能化是機(jī)械制造智能化技術(shù)的關(guān)鍵之一。刀具磨損狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)是機(jī)械智能加工技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對該技術(shù)的研究以促進(jìn)實(shí)現(xiàn)金屬切削加工過程的智能化。在材料切削過程中刀具與工件直接接觸，刀具的逐步磨損成為影響工件加工尺寸精度、表面粗糙度及加工成本的重要因素。因此，通過研究刀具溫度可實(shí)現(xiàn)對刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)控，掌握刀具磨損實(shí)時(shí)狀態(tài)對提高切削質(zhì)量和效率、實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造智能化具有重要意義。

目前，國內(nèi)外已有許多學(xué)者對刀具磨損監(jiān)測進(jìn)行了研究。如Lee 等［1］首次提出一種確定工具使用壽命何時(shí)結(jié)束的方法，通過將電流提取與操作的預(yù)測切削力聯(lián)系起來，搜索當(dāng)前信號獲得殘差以觀察性能變化；Stavropoulos 等［2］研究了使用間接在線工具進(jìn)行刀具磨損監(jiān)測和基于模型的過程相關(guān)信號識別，利用仿真排除其他振動(dòng)源，并對工具磨損對于所采集信號的影響進(jìn)行量化；Qiao 等［3］提出一種基于學(xué)習(xí)模型和霧計(jì)算的刀具磨損監(jiān)測與預(yù)測系統(tǒng)，使用多尺度卷積長短期記憶模型完成刀具磨損監(jiān)測任務(wù)，使用雙向定向LSTM 模型完成刀具磨損預(yù)測任務(wù)；Peng 等［4］研究了基于機(jī)器視覺的刀具磨損監(jiān)測，對銑削GH4169 鎳基高溫合金過程的刀具磨損進(jìn)行機(jī)上監(jiān)測，將監(jiān)控系統(tǒng)檢測到的磨損值與超深度顯微鏡獲得的值進(jìn)行比較，結(jié)果表明該磨損監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的檢測精度；Laddada 等［5］研究了基于小波變換和改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機(jī)的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測，通過非線性函數(shù)映射輸入數(shù)據(jù)以生成退化模型，重點(diǎn)評估了切削工具的健康狀況并預(yù)測其剩余使用壽命；Niu 等［6］研究了用于鈦合金銑削的刀具磨損監(jiān)測模型，使用多個(gè)傳感器收集切削力、切削聲音等信號，結(jié)果表明，通過使用多個(gè)傳感器可達(dá)到96.7%的整體識別精度，基于單個(gè)力傳感器和振動(dòng)傳感器的分類準(zhǔn)確率分別為96.7%和92.5%；Li等［7］設(shè)計(jì)一種嵌入有薄膜熱電偶的多晶立方氮化硼切削刀具，并將其用于硬化AISI O2 工具鋼切削過程中的刀具磨損監(jiān)測，研究結(jié)果表明，嵌入式TFTC 的靈敏度為14.4μV/℃，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，功能有效，可確定最佳切削參數(shù)及延長工具使用壽命；Hu 等［8］提出一種在內(nèi)部最小潤滑量條件下銑削鈦合金Ti-6Al-4 V 的刀具磨損監(jiān)測策略，發(fā)現(xiàn)該策略具有98.9%的預(yù)測準(zhǔn)確度，因此被認(rèn)為對工具磨損監(jiān)測是有效和有用的；Hernández 等［9］研究了在不加切削液條件下的切削鈦合金刀具磨損監(jiān)測，分析了切削速度和進(jìn)給速度對加工中刀具磨損與切削力的影響，發(fā)現(xiàn)主切削力幅值呈現(xiàn)出隨兩個(gè)切削參數(shù)增大而增加的總體趨勢，在高切削速度下，火山口磨損更為明顯，而在所分析的整個(gè)切削參數(shù)區(qū)間中，側(cè)面磨損都存在；Liu 等［10］研究了多種切削條件下聲音信號與刀具磨損之間的關(guān)系，提出基于聲音信號的刀具磨損監(jiān)測與預(yù)測，為特征選擇過程提供了可靠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)支持，研究結(jié)果表明無論切削條件如何，該方法都能保持較高的預(yù)測精度。

國內(nèi)學(xué)者韋遼［11］對刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測與車削加工進(jìn)行仿真研究，探究了切削力與刀具磨損的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)切削力信號幅值隨切削狀態(tài)的變化而變化，刀具切削力變化與磨損變化一致；朱楠［12］基于有限元理論分析切削振動(dòng)對CBN 刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)Y方向振動(dòng)比X方向振動(dòng)對刀具磨損的影響更大，當(dāng)X方向和Y方向均存在振動(dòng)時(shí)，隨著振動(dòng)幅度和頻率的增加，刀具表面應(yīng)力增大、溫度升高，刀具磨損嚴(yán)重；何彥等［13］研究了基于長短時(shí)記憶卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刀具磨損在線監(jiān)測模型，對采集的振動(dòng)、力和聲發(fā)射信號進(jìn)行序列與多維度特征提取，利用線性回歸實(shí)現(xiàn)特征到刀具磨損值的映射，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性和可行性；許信等［14］研究了15-5PH 不銹鋼粗加工過程中的刀具磨損問題，研究發(fā)現(xiàn)刀具前刀面的主要磨損原因?yàn)檎辰Y(jié)磨損和擴(kuò)散磨損，刀具失效形式為片狀剝落和崩刃，后刀面磨損原因則為邊界磨損和涂層燒灼，失效形式為崩刃；桑宏強(qiáng)等［15］在現(xiàn)有刀具磨損檢測算法研究的基礎(chǔ)上，針對銑削刀具磨損檢測提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刀具磨損檢測算法，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的AlexNet 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能更好地對刀具磨損程度進(jìn)行判斷；王利強(qiáng)等［16］提出一種基于輪廓提取的刀具磨損量檢測算法，通過圖像預(yù)處理、圖像形態(tài)學(xué)處理、閾值分割等實(shí)現(xiàn)刀具磨損區(qū)域的連通域輪廓點(diǎn)集提取，發(fā)現(xiàn)該算法檢測精度較高，可利用該算法搭建刀具在機(jī)檢測系統(tǒng)。

由于受到各種同時(shí)發(fā)生的振動(dòng)源及所采集信號失真的影響，通過振動(dòng)監(jiān)測刀具磨損是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。本文采用間接測量刀具磨損的方法，通過測量切削溫度監(jiān)測刀具在熱力耦合作用下的磨損規(guī)律，以硬質(zhì)合金刀具切削316 不銹鋼為例，首先從理論上分析刀具磨損過程和磨損機(jī)理，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Abaqus 軟件建立有限元切削仿真模型，然后改變速度、切深等切削參數(shù)，找到切削溫度與刀具磨損之間的關(guān)系，為實(shí)際切削提供理論依據(jù)。

1 切削熱分析

在切削過程中，切削熱是一個(gè)重要的物理現(xiàn)象，其對刀具磨損、刀具壽命以及加工工藝系統(tǒng)熱變形均有著重要影響。切削熱主要來源于切削3 個(gè)變形區(qū)產(chǎn)生的彈性變形功、塑性變形功所轉(zhuǎn)化的熱量Q變，以及切屑與刀具摩擦功、工件與刀具摩擦功所轉(zhuǎn)化的熱量Q摩，產(chǎn)生的熱量再分散到切屑、工件、刀具和介質(zhì)中。

假設(shè)在超聲橢圓振動(dòng)切削過程中，刀—屑接觸面與剪切面的熱量分布是均勻的，刀—屑接觸面產(chǎn)生的Qf傳遞到切屑的比例為R1，傳遞到刀尖的比例為(1-R1)；剪切面產(chǎn)生的Qs傳遞到切屑的比例為R2，傳遞到刀尖的比例為(1-R2)。切削熱的產(chǎn)生與傳遞如圖1 所示（彩圖掃OSID 碼可見）。將單位時(shí)間、單位面積內(nèi)產(chǎn)生的熱量分解為剪切面的塑性變形，以及切屑與前刀面的摩擦兩部分，其公式如下：

Fig.1 Generation and transmission of cutting heat圖1 切削熱產(chǎn)生與傳遞

式中，Vp為切削過程中的切屑排出速度，St為刀—屑摩擦面接觸面積，J0為熱功當(dāng)量，Sc為切屑在X-Z 平面內(nèi)的截面積。

硬質(zhì)合金刀具切削溫度的實(shí)驗(yàn)公式為：

式中，T為切削過程中刀具實(shí)際溫度（℃），αp為背吃刀量（mm），f為進(jìn)給量（mm），vc為切削速度（m/min）。

2 刀具磨損原理

2.1 刀具磨損過程

在正常磨損情況下，隨著切削時(shí)間的增加，刀具磨損量也逐漸增大。以刀具后刀面磨損為例，正常的刀具磨損過程如圖2 所示。

Fig.2 Tool wear process curve圖2 刀具磨損過程曲線

圖2 中OA 段曲線是刀具的初期磨損階段，從圖中可以看出，該階段刀具磨損速度較快，主要因?yàn)閯傞_始刀具與工件接觸面積小且粗糙，因而壓強(qiáng)增大，導(dǎo)致刀具快速磨損；AB 階段為正常磨損階段，刀具磨損較為緩慢，刀具后磨損帶寬度也隨之均勻變寬，在該階段刀具工作平穩(wěn)，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量；BC 曲線段是刀具的劇烈磨損階段，刀具經(jīng)過初期磨損階段和正常磨損階段后，切削刃顯著變鈍，工件與刀具接觸面變大，導(dǎo)致摩擦力和切削力也隨之變大，刀具表面溫度大幅升高，因而刀具磨損量急劇增加。此時(shí)刀具難以穩(wěn)定工作，工件質(zhì)量下降，所以不適合繼續(xù)使用。

2.2 刀具磨損機(jī)理分析

在切削過程中，刀具磨損通常是多種因素共同作用的結(jié)果。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硬質(zhì)合金刀具切削溫度低于600℃時(shí)，磨粒磨損和粘結(jié)磨損為刀具磨損的主要影響因素；當(dāng)溫度高于600℃時(shí)，擴(kuò)散磨損和粘結(jié)磨損為主要影響因素，由于此時(shí)磨粒磨損對刀具磨損影響較小，所以在磨損模型中不考慮磨粒磨損。當(dāng)硬質(zhì)合金刀具切削溫度高于900℃時(shí)，會產(chǎn)生塑性變形而失去切削性能。因此，以600℃為邊界條件建立硬質(zhì)合金的刀具磨損模型如下：

根據(jù)Rabinowicz 等［17］提出的磨粒磨損模型，假設(shè)磨粒均勻分布，則刀具磨粒磨損率計(jì)算公式為：

式中，W為切屑與刀具表面的接觸載荷，H為刀具表面硬度，?為磨粒邊緣角度。

根據(jù)Usui 等［18］改善的粘結(jié)磨損模型，刀具粘結(jié)磨損率計(jì)算公式如下：

式中，C1,C2為磨損特性常數(shù)，σn為法向應(yīng)力。硬質(zhì)合金刀具取C1=4×10-4,C2=7 000。

擴(kuò)散磨損主要是因?yàn)樵诟邷刈饔孟拢操|(zhì)合金刀具表面的Co元素向切屑擴(kuò)散造成的，因此刀具前刀面與切屑表面的Co元素存在濃度差。根據(jù)Fick第一定律和第二定律，有：

式中，J為單位時(shí)間內(nèi)與擴(kuò)散方向垂直的單位橫截面積上通過的物質(zhì)流量；c為某點(diǎn)擴(kuò)散物的體積濃度；D為擴(kuò)散系數(shù)為濃度梯度，即擴(kuò)散物沿X 軸方向的變化率為某點(diǎn)擴(kuò)散物的濃度變化率。

刀具擴(kuò)散磨損率計(jì)算公式如下：

式中，C0為擴(kuò)散物濃度，ρ為刀具密度，D0為部分因子，x為前刀面上點(diǎn)到刀尖的距離，Q為激活能，R氣體常數(shù)。本文采用的硬質(zhì)合金刀具各參數(shù)取值為：

3 有限元模型建立

本文采用Abaqus 仿真軟件對硬質(zhì)合金刀具車削316不銹鋼切削過程進(jìn)行建模，以模擬不同切削條件下的切削過程，探究切削溫度與刀具磨損之間的關(guān)系。圖3 為刀具磨損變量關(guān)系圖，KT表示前刀面月牙洼狀磨損的磨損深度。圖4 為仿真的刀具磨損模型，其中圖4（a）-圖4（e）分別為前刀面磨損量KT=0μm、KT=5μm、KT=10μm、KT=15μm、KT=20μm 時(shí)的刀具模型。

Fig.3 Relationship of tool wear variables圖3 刀具磨損變量關(guān)系

Fig.4 Tool wear model圖4 刀具磨損模型

3.1 材料本構(gòu)模型

本文采用Johnson-Cook 本構(gòu)模型，該模型描述了材料在高應(yīng)變速率下的熱粘塑性變形行為，具體表達(dá)式如下：

式中，第一項(xiàng)描述材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，第二項(xiàng)反映應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的變化關(guān)系，第三項(xiàng)反映應(yīng)力與溫度之間的變化關(guān)系。其中，A、B、n、C、m為應(yīng)變的相關(guān)系數(shù)，A為屈服強(qiáng)度，B為硬化模量，n為硬化系數(shù)，C為應(yīng)變率系數(shù)，m為熱軟化系數(shù)，ε為塑性應(yīng)變，為材料應(yīng)變率，為材料參考應(yīng)變率，T為材料溫度，Troom為參考室溫，Tmelt為材料熔化溫度。316 不銹鋼材料參數(shù)如表1 所示。

Table 1 Johnson-Cook material parameters of 316 stainless steel表1 316 不銹鋼Johnson-Cook 材料參數(shù)

3.2 刀—屑摩擦模型

在金屬切削過程中，刀具前刀面的摩擦狀態(tài)非常復(fù)雜，通常把前刀面的摩擦區(qū)分為粘結(jié)區(qū)和滑動(dòng)區(qū)。刀具前刀面摩擦應(yīng)力分布情況如圖5 所示。

Fig.5 Distribution of friction stress on the rake face of the tool圖5 刀具前刀面摩擦應(yīng)力分布情況

如圖5 所示，靠近刀尖的區(qū)域?yàn)檎辰Y(jié)區(qū)，離刀尖較遠(yuǎn)的區(qū)域?yàn)榛瑒?dòng)區(qū)，在粘結(jié)區(qū)摩擦應(yīng)力視為常數(shù)，在滑動(dòng)區(qū)摩擦應(yīng)力近似服從庫侖摩擦定律：

式中，μ為摩擦系數(shù)，σn為法向應(yīng)力（Mpa），τf為摩擦應(yīng)力（Mpa），τ為材料剪切應(yīng)力（Mpa）。

3.3 材料失效準(zhǔn)則

Johnson-Cook 剪切失效準(zhǔn)則是指材料即將失效時(shí)的等效塑性應(yīng)變計(jì)算方法。本文采用Johnson-Cook 剪切失效模型將切屑從工件分離，當(dāng)損傷參數(shù)達(dá)到1 時(shí)，單元即失效。失效參數(shù)定義如下：

式中，ω為失效參數(shù)，為等效塑性應(yīng)變初始值，Δε-pl為等效塑性應(yīng)變增量為失效應(yīng)變，其表達(dá)式為：

式中，d1～d5為材料的失效參數(shù)（見表2），為塑性應(yīng)變率，由式（13）確定。

3.4 切削條件選擇

本文工件材料選用316 不銹鋼，切削采用干切削方法。刀具選用硬質(zhì)合金刀具，刀具前角為5°，后角為10°，刀尖圓角半徑為0.03mm。具體切削條件如表3 所示。

Table 3 Cutting conditions表3 切削條件

4 結(jié)果與分析

本節(jié)分析了前刀面磨損量、背吃刀量、切削速度對316不銹鋼性能的影響。采用單一控制變量法，在研究一個(gè)參數(shù)對切削力和溫度的影響時(shí)，固定其他參數(shù)值。

4.1 切削參數(shù)對溫度的影響

設(shè)置初始溫度場溫度為20℃，按照圖6 所示的刀具切削溫度提取路徑，提取不同切削條件下不同磨損量的PCBN 刀具在t=0.006s 時(shí)的溫度數(shù)據(jù)。

Fig.6 Temperature extraction path圖6 溫度提取路徑

不同參數(shù)下的刀尖溫度變化曲線如圖7 所示（彩圖掃OSID 碼可見，下同）。

Fig.7 Tool tip temperature change curve under different parameters圖7 不同參數(shù)下的刀尖溫度變化曲線

圖7（a）是在不同前刀面磨損量下的刀尖溫度變化曲線，從圖中可以看出，隨著前刀面磨損量的增大，刀尖溫度不斷升高，刀尖最高溫度也不斷提升。當(dāng)KT=0 時(shí)，刀尖最高溫度達(dá)到107.572℃；當(dāng)KT=20μm 時(shí)，刀尖最高溫度達(dá)到151.603℃。從圖8（a）可以看出，隨著前刀面磨損量的增大，刀尖平均溫度也隨之升高。從無磨損到開始輕微磨損，刀尖平均溫度升幅較大，升高了6.12%；當(dāng)磨損量為5～15μm 時(shí)，前刀面磨損保持穩(wěn)定，刀具仍然可以正常切削，刀尖平均溫度相對平穩(wěn)；當(dāng)磨損量超過15μm 后，前刀面劇烈磨損，刀尖平均溫度急劇升高，當(dāng)?shù)毒吣p量達(dá)到20μm時(shí)，刀尖平均溫度升高了11.32%。

圖7（b）是在不同背吃刀量下的刀尖溫度變化曲線，從圖中可以看出，隨著背吃刀量的增大，刀尖溫度不斷升高，刀尖最高溫度也不斷提升。當(dāng)αp=5μm 時(shí)，刀尖最高溫度達(dá) 到92.845℃；當(dāng)αp=25μm 時(shí)，刀尖最高溫度達(dá)到153.854℃。從圖8（b）可以看出，隨著背吃刀量的增大，刀尖平均溫度也隨之升高。當(dāng)背吃刀量從5μm 增大到10μm時(shí)，刀尖平均溫度升高了25.57%；當(dāng)背吃刀量從10μm 增大到15μm 時(shí)，刀尖平均溫度升高了11.83%；當(dāng)背吃刀量從10μm 增大到15μm 時(shí)，刀尖平均溫度升高了11.83%；當(dāng)背吃刀量從10μm 增大到15μm 時(shí)，刀尖平均溫度升高了2.88%；當(dāng)背吃刀量從15μm 增大到20μm 時(shí)，刀尖平均溫度升高了13.08%。

圖7（c）是在不同速度下的刀尖溫度變化曲線，從圖中可以看出，隨著速度的增加，刀尖溫度不斷升高，刀尖最高溫度也不斷提升。當(dāng)V=100mm/s 時(shí)，刀尖最高溫度達(dá)到77.7079℃；當(dāng)V=500mm/s 時(shí)，刀尖最高溫度達(dá)到132.934℃。同時(shí)隨著速度的增加，刀尖平均溫度也隨之升高，當(dāng)速度從200mm/s 增加到300mm/s，刀尖平均溫度急劇升高了14.47%。

4.2 切削參數(shù)對切削力的影響

在切削過程中，刀具所受的力有主切削力、吃刀抗力、前刀面與切屑之間的摩擦力、后刀面與已加工表面的摩擦力，這些分力形成的合力即為切削力。在連續(xù)切削過程中，切削力分布不均勻。

不同參數(shù)下的平均主切削力與刀尖平均溫度如圖8 所示。圖8（a）為不同前刀面磨損量下的平均主切削力變化曲線，從圖中可以看出，隨著磨損量的增加，平均主切削力不斷增大。當(dāng)KT=0 時(shí)，平均主切削力為20.839N；當(dāng)KT=20μm 時(shí)，平均主切削力為36.151N。圖8（b）為不同背吃刀量下的平均主切削力變化曲線，從圖中可以看出，隨著背吃刀量的增加，平均主切削力也開始增大。當(dāng)αp=5μm 時(shí)，平均主切削力為15.122N；當(dāng)αp=25μm 時(shí)，平均主切削力為45.544N。圖8（c）為不同速度下的平均主切削力變化曲線，從圖中可以看出，隨著速度的增加，平均主切削力也隨之增大。當(dāng)V=100mm/s 時(shí)，平均主切削力為32.251N；當(dāng)V=500mm/s 時(shí)，平均主切削力為33.392N。

5 結(jié)語

本文通過有限元分析軟件建立不同刀具磨損量的硬質(zhì)合金刀具車削316 不銹鋼切削模型，分別研究不同切削參數(shù)下的刀具溫度和切削力變化情況，得到仿真數(shù)據(jù)，并根據(jù)仿真結(jié)果得到以下結(jié)論：

Fig.8 Average main cutting force and average tool tip temperature under different parameters圖8 不同參數(shù)下的平均主切削力與刀尖平均溫度

（1）在切削過程中，切削熱主要集中于切屑與前刀面接觸的區(qū)域及刀尖區(qū)域。切削溫度隨著前刀面磨損量的增加而升高，刀具劇烈磨損之后，刀尖溫度上升了11.32%，刀尖溫度隨著速度和背吃刀量的增加而升高。

（2）在切削過程中，切削力分布不均勻。切削力隨著前刀面磨損量的增加而增大，也隨著速度和背吃刀量的增加而增大，切削力與切削溫度表現(xiàn)出一致性。

（3）在切削參數(shù)中，背吃刀量對切削力和切削溫度的影響最為顯著，前刀面磨損量次之。因此，在切削過程中要合理選擇切削參數(shù)，及時(shí)監(jiān)測刀具磨損情況。

本文采用控制變量的方法進(jìn)行研究，研究數(shù)據(jù)范圍較為局限。因此，未來可擴(kuò)大參數(shù)研究范圍，以更加精確地對刀具磨損與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行研究。