基于振動(dòng)法的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測研究

陳會(huì)斌，黃民，馬超

（北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)正朝著柔性制造系統(tǒng)的方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床在加工過程中，刀具在切削金屬的同時(shí)自身也會(huì)損壞，工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，機(jī)床故障中刀具失效導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間占據(jù)了總停機(jī)時(shí)間的1/3 左右。研究數(shù)據(jù)表明，安裝有刀具監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)率提高了10%～60%，機(jī)床的利用率也提高了50%，同時(shí)也節(jié)約了30%左右的成本費(fèi)用［1］，因此對于機(jī)床刀具的實(shí)時(shí)監(jiān)測意義重大。通常刀具損壞的形式主要是破損和磨損。破損包含脆性破損和塑性破損，常見的形式有崩刃、裂紋、剝落等。磨損則是指連續(xù)的漸進(jìn)磨損。刀具磨損后，使得工件表面粗糙度變大，加工精度降低，切削溫度升高，刀具的振動(dòng)也明顯增大，直至刀具不能正常使用。因此刀具磨損的在線狀態(tài)監(jiān)測研究對于加工質(zhì)量、效率和加工成本，以及精度要求較高的數(shù)控機(jī)床來說至關(guān)重要。刀具磨損的在線監(jiān)測也是數(shù)控自動(dòng)化柔性制造系統(tǒng)中一個(gè)重要的研究課題。

通常將刀具磨損過程劃分成三個(gè)階段：初期磨損、中期磨損和劇烈磨損。初期磨損，由于新刀刀刃表面粗糙度不均勻，接觸應(yīng)力比較大，以及表面的加工缺陷導(dǎo)致初期磨損比較快；中期磨損，當(dāng)過了初期磨損后，刀具刀刃較為平整，此階段的刀具磨損速度相對較慢，切削過程平穩(wěn),這一過程占據(jù)了整把刀壽命的90%左右；在劇烈磨損期，刀具正常磨損到一定程度后，刀具和工件的接觸情況漸漸惡化，刀刃會(huì)鈍化，摩擦力會(huì)變大，振動(dòng)增大，直至刀具徹底失去切削能力為止。

刀具磨損的監(jiān)測技術(shù)很多，根據(jù)監(jiān)測機(jī)理通常分為兩類：直接法和間接法。直接法中常用的包括：接觸法、放射線法和光學(xué)監(jiān)測法。由于直接監(jiān)測法的使用局限比較大，所以不能滿足刀具實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求。間接法中常用的包括：切削力法、聲發(fā)射法、主軸電功率法、刀具的振動(dòng)法、超聲波法等。目前認(rèn)為切削力信號(hào)是和刀具磨損相關(guān)性最好的信號(hào)。

1 刀具磨損監(jiān)測方法分析

刀具在工作時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)通常由傳感器采集信號(hào)、信號(hào)處理及特征提取和識(shí)別部分構(gòu)成。在監(jiān)測技術(shù)中，刀具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器通常是用來采集相應(yīng)信號(hào)的，例如切削力、振動(dòng)、電流及功率、聲發(fā)射等。

1.1 刀具狀態(tài)的切削力監(jiān)測方法

切削力監(jiān)測技術(shù)目前是刀具磨損監(jiān)測研究中應(yīng)用最廣泛的，也是最穩(wěn)定的一種方法。通長在切削過程中，刀具會(huì)慢慢地磨鈍，然后導(dǎo)致切削力的增大，因此切削力的變化與刀具磨損狀態(tài)的變化是密切相關(guān)的。它的優(yōu)點(diǎn)有：信號(hào)采集方便、響應(yīng)速度快、靈敏度高等，可以實(shí)時(shí)地在線監(jiān)測刀具。但是通常由于測量切削力的儀器成本高，且安裝起來比較麻煩，所以對它的使用難以廣泛地推廣。

刀具磨損過程中，切削力會(huì)隨之增大，切削功率和扭矩變大，導(dǎo)致主軸的電機(jī)電流增大，負(fù)載的功率隨之增大，因此可采用監(jiān)測主軸電機(jī)的電流變化來識(shí)別刀具的磨損變化狀態(tài)。

1.2 刀具狀態(tài)的振動(dòng)監(jiān)測法

通常在振動(dòng)信號(hào)中會(huì)包含刀具磨損的有效信息，使用加速度傳感器就可以拾取信號(hào)，進(jìn)行相關(guān)分析，從中分離出有效的磨損信息，進(jìn)而判斷刀具對應(yīng)的磨損狀態(tài)。

測量振動(dòng)信號(hào)的傳感器用的是加速度傳感器，傳感器通過底座的磁鐵片直接吸附到工件表面或者刀具的外圍部分。安裝簡單方便，成本低，攜帶方便，但是不同的安裝位置對信號(hào)產(chǎn)生不同的影響。從整體上來看，利用振動(dòng)監(jiān)測刀具的磨損狀態(tài)已經(jīng)實(shí)用化了，所要解決的問題主要是提高振動(dòng)法監(jiān)測刀具狀態(tài)的精度［2］。

1.3 刀具狀態(tài)的聲發(fā)射法

聲發(fā)射（簡稱AE）是近些年才發(fā)展起來的一種信號(hào)檢測技術(shù)，聲發(fā)射信號(hào)是材料內(nèi)部的彈性變形能突然釋放所產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波信號(hào)。在金屬切削過程中，存在很多的發(fā)生源，如工件和刀具的摩擦、切屑的折斷、刀具的磨損、被切材料的彈性變形等。當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生磨損時(shí)，其發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)將發(fā)生變化，它是一種高頻表面波，在傳播過程中衰減很快，通長在靠近切削區(qū)的范圍，采用壓電式的傳感器拾取信號(hào)，同時(shí)由于其發(fā)射信號(hào)頻率過高才能避開干擾，靈敏度高［2］，但是在實(shí)際的使用過程中，較難拾取有效的聲發(fā)射信號(hào)。

1.4 刀具狀態(tài)的電流及功率法

通常在刀具磨損時(shí)，切削力發(fā)生變化，導(dǎo)致機(jī)床主軸功率產(chǎn)生變化，所以監(jiān)測機(jī)床主軸電流功率的變化也能間接地監(jiān)測刀具的磨損狀態(tài)。此法具有安裝簡便、成本低、不受加工條件限制等優(yōu)點(diǎn)。它是一種比較簡易且可廣泛推廣的刀具狀態(tài)的簡易監(jiān)測法，但是由于精度受限和響應(yīng)速度慢，還有傳動(dòng)系統(tǒng)的精度也會(huì)造成電機(jī)電流和功率的波動(dòng)，因此有待發(fā)展和完善。

通過分析各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇刀具的振動(dòng)信號(hào)作為監(jiān)測的對象來采集分析，并使用時(shí)域、頻域、時(shí)頻分析來獲取相關(guān)特征量，從而獲取刀具磨損狀態(tài)的對應(yīng)信息。

2 刀具磨損實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c方法

金屬銑削過程中對刀具磨損試驗(yàn)?zāi)康氖鞘褂脝我蛩刈兞康脑囼?yàn)方法，來研究相關(guān)的變化對刀具的磨損機(jī)理以及磨損強(qiáng)度的影響規(guī)律，并對試驗(yàn)結(jié)果予以分析。

試驗(yàn)主要是采集振動(dòng)信號(hào)作為以后的分析信號(hào)，將加速度傳感器安裝到裝夾刀具的主軸外側(cè)X 和Y 方向，所采集的動(dòng)態(tài)信號(hào)通過傳感器傳輸?shù)讲杉瘍x里面，采集儀對信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的處理后，送入計(jì)算機(jī)利用分析軟件進(jìn)行相應(yīng)的分析處理。在機(jī)械設(shè)備故障診斷中，常用的振動(dòng)信號(hào)分析方法有時(shí)域分析、自譜分析、互功率譜、包絡(luò)分析等。有些故障信號(hào)在頻域中故障信息不太明顯，但是在時(shí)域中卻反應(yīng)明顯，所以僅通過頻譜分析的方法是有局限的，應(yīng)該多用幾類方法分析。

為了將振動(dòng)測試法應(yīng)用于刀具磨損監(jiān)測，圖1 所示的是基于振動(dòng)的刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)方法圖

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

為了證明振動(dòng)監(jiān)測組件的正確性和可靠性，實(shí)驗(yàn)是在學(xué)校工廠的1 臺(tái)大連機(jī)床廠產(chǎn)的立式車銑加工中心（VDL-600 A）上進(jìn)行的，刀具是西南刀具公司產(chǎn)的用于銑削平面的雙刃圓銑刀，工件是1塊長方體的45鋼。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所產(chǎn)的加速度傳感器（INV9822 型）、四通道數(shù)據(jù)采集儀（INV3018A 型）、振動(dòng)信號(hào)分析軟件及相應(yīng)分析儀器組成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的條件，采樣頻率設(shè)定為5 120 Hz，信號(hào)采集是連續(xù)采取多把由新刀至發(fā)生劇烈磨損期的振動(dòng)信號(hào)。試驗(yàn)條件如表1 所示。

表1 試驗(yàn)條件

3 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

通常對于采集到的振動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作時(shí)域或者頻域分析都不會(huì)取得很好的效果，同時(shí)由于在拾取振動(dòng)信號(hào)時(shí)，信號(hào)是非穩(wěn)定的，因此對于信號(hào)的分析采用時(shí)域、頻域分析相結(jié)合的方法才可以較好地獲取故障信息。

2014 年3 月，在VDL-600 A 立式加工中心上進(jìn)行刀具的振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min，進(jìn)給速度為80 mm/min，背吃刀量為0.5 mm 和1 mm,加工厚度為10 mm，測試得到的刀具的磨損量相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 刀具磨損測試結(jié)果

圖3 刀具在500r/min 急劇磨損下時(shí)域、頻域曲線圖

圖4 刀具在1000r/min 輕微磨損和劇烈磨損下頻域曲線圖

對采集到的振動(dòng)信號(hào)分別采用時(shí)域、頻域和互功率分析的方法，可以獲得很多的故障曲線，幾組典型的時(shí)頻曲線圖，如圖2～圖6。

4 試驗(yàn)結(jié)論

圖5 刀具在1500r/min 下，初期和末期頻域曲線圖

圖6 刀具在2000r/min 下初期和末期頻域曲線圖

1）從加工過程中工件的被加工表面可以看出，粗糙度是不斷變化的。刀具在初期磨損的一段時(shí)間內(nèi)，工件表面粗糙度比較高，這是由于新刀的表面本身也不光滑或者由于其表面氧化層等缺陷導(dǎo)致；在其正常磨損過程中，工件表面的外觀比較亮。在劇烈磨損期，刀具的磨損導(dǎo)致工件表面變得較不平整。

2）通過顯微鏡觀測，由于加工工藝限制，新刀表面不是很平整，在初期磨損也相對較快，但是一段時(shí)間后磨損趨于平穩(wěn)，刀刃的表面也趨于平齊；在后期劇烈磨損階段，刀具開始出現(xiàn)較大的振動(dòng)，這是由于刀刃出現(xiàn)了較大的磨損，出現(xiàn)了一些刀刃脫落，導(dǎo)致加工時(shí)磨損的噪聲也明顯增大。

3）通過對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，從得到的時(shí)域、頻域圖中可以觀測到，開始時(shí)刻磨損較輕微，振動(dòng)程度也屬于輕微振動(dòng)，到后期當(dāng)振動(dòng)較為激烈時(shí)，時(shí)域、頻域圖曲線就顯示更多的波動(dòng)。通過對比試驗(yàn)中刀具相應(yīng)的磨損狀態(tài)，表明振動(dòng)信號(hào)可以揭示刀具磨損的狀態(tài)。因此可以對振動(dòng)信號(hào)做相關(guān)的分析從而監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)，也表明試驗(yàn)可行。

4）試驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)給速度、不同背吃刀量來揭示不同的因素對刀具磨損程度的影響，從試驗(yàn)結(jié)果時(shí)域、頻域圖的分析結(jié)果可以看出，高的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致刀具的壽命有所降低，大的進(jìn)給量也同樣降低刀具壽命，同樣大的背吃刀量比小背吃刀量對刀具的壽命影響也是明顯的。因此從提高刀具壽命的角度來講，在滿足加工要求的前提下，盡量選取合適的小背吃刀量和進(jìn)給速度及轉(zhuǎn)速。同時(shí)，我們在同一轉(zhuǎn)速前提下，從頻域功率譜圖中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)劇烈磨損時(shí)刀具的振動(dòng)明顯大于初期的磨損情況，劇烈磨損中能量幅值的波動(dòng)顯著多于初期穩(wěn)定的頻率狀況。試驗(yàn)結(jié)果表明，完全可以用振動(dòng)測試技術(shù)法對刀具的磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和故障診斷。

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