刀具徑向磨損測量設(shè)計【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　機械設(shè)計制造及其自動化</p><p>　　刀具徑向磨損測量設(shè)計</p><p>　　摘要：為獲取變切削條件下刀具磨損量,對刀具磨損補償值進(jìn)行了分析研究，使加工過程順利進(jìn)行，并綜述各種測量方法的原理及特點。</p><p>　　關(guān)鍵詞：刀具磨損、

2、磨損原因、測量方法</p><p>　　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 principl

3、e of measuring methods and characteristics.</p><p>　　Key words: tool wear, indirect measurement, direct measurement measurement method</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　隨著加工自動

4、化程度的不斷提高，特別是柔性制造系統(tǒng)(FMS)的出現(xiàn)，人們越來越</p><p>　　重視對加工過程的在線監(jiān)測。刀具磨損是切削加工過程中不可避免的現(xiàn)象，但刀具一旦發(fā)生磨損，不僅會使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，而且會導(dǎo)致切削力加大，切削溫度升高，甚至產(chǎn)生振動，而中斷正常的切削過程[1]。因此，刀具磨損的在線監(jiān)測是較早提出的研究方向之一。</p><p>　　切削過程中，刀具磨損是一個漸

5、進(jìn)的過程，變化較為緩慢。因此一般切削加工時，操作者可以根據(jù)切削過程中的振動、噪聲等來估計刀具的磨損程度，考慮是否換刀或刃磨[2]。</p><p>　　在自動化加工過程中，則需要系統(tǒng)能夠自動判斷刀具的磨損程度并及時換刀，以免由于刀具磨損過度而造成的加工質(zhì)量下降或其他損失[3]。雖然用刀具壽命管理的方法可以防止刀具的磨損和破損，但因為刀具壽命具有隨機性，而這種方法對刀具的壽命極限的估計往往過于保守，以致大部分刀具未

6、能充分發(fā)揮其作用。在無人化加工系統(tǒng)中，這將意味著換刀次數(shù)和刀具費用的增加。因此，切削加工過程中，如何定量、定時地掌握刀具的工作狀況，檢測與診斷刀具的磨損、崩刃等損傷故障，對于延長機床設(shè)備的無故障運行，提高產(chǎn)品質(zhì)量都非常重要[4]。</p><p><b>　　正文</b></p><p>　　自二十世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對刀具磨破損的監(jiān)測理論和系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研

7、究到70年代末，國外己研制開發(fā)出了用于刀具狀態(tài)監(jiān)測用的傳感器件，通過測量切削力、振動、噪聲和熱等，間接反映刀具的磨破損程度。日本、德國生產(chǎn)的NC機床在配置適應(yīng)性控制系統(tǒng)的同時，設(shè)置了帶傳感器的刀具檢測及監(jiān)控系統(tǒng)，可實時地監(jiān)測刀具的損傷情況，及時發(fā)出信息，防止因刀具失效引起的工件報廢和機床故障[5-6]。據(jù)稱，該系統(tǒng)可避免75％以上的故障，增加有效工時，節(jié)省30％以上的加工費用，提高切削效率20％以上。二十世紀(jì)90年代，刀具損傷監(jiān)測及故障

8、診斷技術(shù)在高性能微機監(jiān)測等新技術(shù)的推動下，獲得進(jìn)一步發(fā)展，其準(zhǔn)確性、可靠性、實用性得到進(jìn)一步提高。刀具損傷監(jiān)測所用傳感器在集成化、數(shù)字化及智能化方面取得了新的進(jìn)展，刀具傳感器的品種、規(guī)格、用途、測試方法有新的發(fā)展，且價格有所降低，從而在機械加工方面開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來國內(nèi)外學(xué)者對刀具狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了大量研究，雖然聲發(fā)射技術(shù)是一種較有前途并具有工業(yè)應(yīng)用潛力的監(jiān)控方法，但是，目前由于種種原因，大多監(jiān)控法尚不能完全滿足工程實際的需要[

9、7]。從傳統(tǒng)監(jiān)測方法來看，聲發(fā)射監(jiān)控法的不同</p><p>　　實際上，從沒有受到干擾的切削過程獲取一個合適的參考信號需要大量的工作和較高的技能。即便獲得了恰當(dāng)?shù)膮⒖夹盘?，?dāng)應(yīng)用到工業(yè)實際中時，由于工作條件或加工要求的變化，又會出現(xiàn)另外的問題。由于所獲得的參考信號是對應(yīng)特定機床類型和實際切削參數(shù)的某種映射，當(dāng)修改了NC程序或者使用不同的刀具進(jìn)行切削時，這些參考信號將不能繼續(xù)使用。</p><

10、p>　　目前, 監(jiān)測方法根據(jù)切削加工過程和傳感器類型一般可分為直接法和間接。直接法是直接檢測刀刃的形狀、位置等參量, 一般只能離線測量。(1)直接測量刀具表面磨損。（2）利用放射性監(jiān)測刀具磨損。間接法是間接測量正在切削狀態(tài)中的某些參數(shù), 將它與給出的正式切削參數(shù)進(jìn)行比較, 從而推斷出刀具是否已磨損或者刀具就要發(fā)生破損的先兆, 達(dá)到監(jiān)測目的[10-11]。（1）切削力變化的監(jiān)測方法。（2）切削功率（或扭矩） 變化和波形的監(jiān)測方法。（

11、3）工件尺寸變化的監(jiān)測方法。（4）切削溫度變化的監(jiān)測方法。（5）同振動頻率的監(jiān)測方法測量。（6）測量刀具與工件接觸處電阻的方法。（7）工件表面粗糙度變化的監(jiān)測方法等。</p><p>　　刀具磨損是逐步發(fā)生的, 較易預(yù)測, 而要監(jiān)測刀具的破損則較困難, 這是由于刀具的破損是突然發(fā)生的。所以需要具有以下性能的傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)：</p><p>　?。?）能發(fā)出清晰可靠的信號</p>

12、;<p>　?。?）能靈敏地反映刀具逐漸磨損的情況</p><p>　?。?）對刀具破損能作出迅速響應(yīng), 響應(yīng)時間不超過千分之一秒</p><p>　　（4）能靈活地用于不同的加工工序</p><p>　?。?）不干涉切削過程</p><p>　?。?）可以在車間環(huán)境下使用, 成本低、安全可靠</p><p&

13、gt;　　（7）并能提供與機床控制系統(tǒng)相聯(lián)接的信號。</p><p>　　直接測量刀具表面磨損這是應(yīng)用光學(xué)技術(shù)檢測刀具損耗面大小的方法其原理是力具在側(cè)面用光照亮, 通過光導(dǎo)纖維將其反射光的分布形態(tài)傳到顯示系統(tǒng)。對反射回來的磨損圖形進(jìn)行分析, 即可判斷出刀具的磨損情況在借助于光導(dǎo)纖維或激光時, 可使照射光源和光接受器在遠(yuǎn)離刀刃條件下進(jìn)行觀測[12]。目前, 此法對磨損面的線分辨率可達(dá)2.5μ/m。此法優(yōu)點是直觀性強

14、, 準(zhǔn)確、可靠。但大部分只能在切削完畢后, 把刀具移到固定位置進(jìn)行觀察。當(dāng)出現(xiàn)刀瘤或其他沉積物時, 分析損耗部位就會有困難。此外, 光反射不適于刀具破損的檢測, 并且受刀具材料不同及測量環(huán)境亮度變化的影響也較大。另外不能進(jìn)行動態(tài)測量, 只能在兩次切削之間進(jìn)行靜態(tài)測量。</p><p>　　利用放射性監(jiān)測刀具磨損此法是在刀具切削刃部位涂抹放射性元素微粒, 利用檢測切屑中或刀具上放射強度的變化來診斷刀具材料損耗多少。

15、美、德、日等國自50 年代就開始相繼進(jìn)行了放射性刀具的磨損研窮。例如： 美國麻省理工學(xué)院利用監(jiān)測原子能放射性的方法進(jìn)行診斷和監(jiān)測刀具的磨損情況。在應(yīng)用此法時, 在大多數(shù)情況下會使刀具帶有放射性, 并要把切屑收集起來, 以便對放射能量集中進(jìn)行計量。</p><p>　　切削功率(或扭矩)變化和波形的監(jiān)測方法是通過測定主軸負(fù)荷功率或電流和電壓間相位差及電流波形變化等來確定切削過程中刀具是否破損[13]。當(dāng)?shù)毒吣p或破

16、損時, 由于切削力的增大, 造成切削功率(或扭矩) 的增加, 使得機床驅(qū)動主運動電機的負(fù)載率變大。首先測出新刀具首次切削時主軸電機負(fù)荷功率或電流的波形, 并存人數(shù)控裝置的存貯器內(nèi), 用來與以后每次切削時的負(fù)荷波形相比較, 如果實際負(fù)荷超過給定的允許范圍, 則可斷定刀具發(fā)生了斷損。它具有測量信號簡便(用瓦特計), 可避免切削環(huán)境中切屑、油煙、振動等干擾, 監(jiān)測裝置易于安裝的優(yōu)點。目前已大量用于車、銑、鉆等適應(yīng)性控制機床的切削狀態(tài)監(jiān)控中。據(jù)

17、日本精機學(xué)會報道, 此法已廣泛用于FMS的無人操作的工序之中[14]。</p><p>　　此法的主要缺點是, 在應(yīng)用于監(jiān)測刀具磨損、破損時, 由于切削條件變化設(shè)置闌值較困難, 其反應(yīng)是靈敏度不太高[15]。在小尺寸刀具或切削用量較小時, 電機功耗變化不明顯, 一般僅適合于粗加工場合。</p><p>　　切削溫度變化的監(jiān)測方法是在一般切削條件下, 刀具磨損時, 切削力增大, 因此刀刃部產(chǎn)

18、生的溫度也將增加。刀具最后失效時以溫度的迅速升高來判斷的。美國Bendix 公司正在研制一種響應(yīng)速度快、而且靈敏的溫度監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)用硅光電池監(jiān)測切削刃部產(chǎn)生的紅外輻射。它具有良好的測量響應(yīng)曲線, 靈敏度高, 但是不能用于有切削液的加工。</p><p>　　測量刀具與工件接觸處電阻的方法是當(dāng)?shù)毒吣p時, 刀具與工件間的接觸面積逐漸加大, 電流通過接觸面時電阻減小, 就可監(jiān)測刀具的磨損。其方法是在刀刃側(cè)面貼一薄

19、膜導(dǎo)體, 當(dāng)?shù)度袀?cè)面磨損時, 部分導(dǎo)體也被磨損, 通過的電流也就減弱, 通過測量刀刃部側(cè)面薄膜導(dǎo)體的電阻就可知道刀刃部側(cè)面的磨損量。這種監(jiān)測方法精度高, 但是在高溫、高壓下薄膜導(dǎo)體易脫落, 高溫與塑性變形時會使信號受到干擾[16]。</p><p>　　工件表面粗糙度變化的監(jiān)測方法是隨著刀具磨損程度的增加或破損的發(fā)生, 工件已加工表面的粗糙度將呈增大趨勢,據(jù)此可間接評價出刀具的磨損或破損狀況。測量工件表面粗糙度的

20、方法可分為兩類。一類是劃針或接觸測量, 可直接得出表面粗糙度的評價參數(shù)。適合于靜態(tài)測量。另一類是非接觸式光學(xué)反射測量, 得出的是工Η件表面粗糙度的相對值。此類方法可以動態(tài)測量, 測試效率高。己本某公司提出了一種表面粗糙度在線自動測量方法。該方法利用了兩個光纖傳感器一個垂直于工件被測表面一個與工件表面成一傾角[17]。利用這兩個傳感器接收到的反射光的比率來確定工件表面粗糙度, 以此來判斷刀具的磨、損破程度。</p><

21、p>　　聲發(fā)射（AE）法監(jiān)測刀具聲發(fā)射技術(shù)用于監(jiān)測刀具的磨、破損是近年來聲發(fā)射在無損檢測方面新開辟的一個應(yīng)用領(lǐng)域。其原理是當(dāng)固體材料在發(fā)生變形、斷裂和相變時會引起應(yīng)變能的迅速釋放, 聲發(fā)射就是隨之產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波。當(dāng)?shù)毒咂茡p時可檢測到幅值較高的AE 信號。目前日本、美國已用于加工中心及FMS 中。在監(jiān)測時,AE傳感器裝在刀具的后端, 當(dāng)?shù)毒咂茡p時發(fā)出的異常聲頻通過AE傳感器, 經(jīng)放大輸出并通過濾波器濾波與檢波, 然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換

22、器數(shù)字化后輸人計算機進(jìn)行處理, 從而判別刀具是否已經(jīng)破損。此法對于Φ3～Φ8mm的鉆頭測量很有效。測量的頻率范圍</p><p>　　在100 ～500kHz以內(nèi)。由于聲發(fā)射信息受切削條件變化影響小, 抗環(huán)境噪聲及抗振動能力強, 故是一個很有前途的刀具破損監(jiān)測方法。它能夠監(jiān)測刀具涂層磨損, 刀具破碎以及由月牙形磨損引起的刀具破壞。</p><p><b>　　小結(jié)</b&g

23、t;</p><p>　　直接法是直接檢測刀刃的形狀、位置等參量, 一般只能離線測量。</p><p>　　間接法可以有以上多種檢測參量, 但考慮到信號獲取方式、靈敏度、抗干擾性及使用條件的限制, 目前在實際生產(chǎn)中較常見的是切削力、主電機負(fù)荷及聲發(fā)射信號監(jiān)測法。</p><p>　　研究表明，數(shù)控機床配備刀具監(jiān)測系統(tǒng)后可減少75%的故障停機時間，提高生產(chǎn)率10%～6

24、0%，提高機床利用率50%以上。</p><p>　　總之，監(jiān)測刀具在加工過程中的狀態(tài)，力求做到降低因刀具故障引起的事故發(fā)生率，保證加工過程安全高效，避免了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡；預(yù)知刀具工況，在避免類似失修造成的故障，防止過剩維護造成的浪費，提高刀具的利用效率等方面有著重要的意義。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p&g

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