智能切削刀具發展現狀綜述

崔云先,張博文,劉義,祁洋

(大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連 116028)*

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智能切削刀具發展現狀綜述

崔云先,張博文,劉義,祁洋

(大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連 116028)*

針對國內外智能切削刀具的研究現狀和應用狀況，對智能型刀具技術和智能型刀具系統的研究成果及在相關領域的應用進行綜述，重點介紹以實現超精密加工為目的的智能切削測溫刀具技術，展望了以“中國制造2025”為核心的智能刀具技術向系統化和模塊化發展的趨勢.

智能制造；智能刀具；精密加工；刀具系統

0 引言

隨著微電子制造技術、通信技術和計算機技術的發展及其在先進制造技術中的廣泛應用， 2006年美國 NIST(National Institute of Standards and Technology)啟動了 “智能裝配” (Smart Assembly)研究項目,陸續又啟動了“智能制造過程和設備” (Smart Manufacturing Processes and Equipment)研究項目和“下一代機器人和自動化”( Next-Generation Robotics and Automation)研究項目[1].2012年我國發布《智能制造裝備產業“十二五”發展規劃》和《智能制造科技發展“十二五”專項規劃》， 2016年發布《中國制造 2025》計劃 .智能制造已經成為先進制造技術發展的主流. CIRP(國際生產工程科學院)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械制造業的現狀 .

近年來，先進制造技術正朝著精密化、柔性化、集成化、網絡化、全球化、虛擬化、智能化方向發展 ，刀具自動化檢測以及切削過程智能監控的新原理、新裝置和新系統成為未來切削加工技術的發展途徑之一[3].刀具狀態智能監測技術作為先進制造技術的重要組成成分，是在現代傳感器技術、信號處理技術、計算機技術和制造技術基礎上發展起來的新興技術，它在降低產品制造成本，保證產品質量，減少制造環境危害方面具有極其重要的作用[4].研究開發智能刀具，提高加工效率，降低成本是提高切削加工質量和精度的十分有效的方法之一，智能刀具已經成為現代先進制造領域的發展趨勢 .

1 智能切削刀具發展概況

1.1 國外智能切削刀具發展現狀

上世紀 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].進入 90年代，該技術得到進一步發展，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公司開發了一種智能刀具，它把驅動、返回、微型計算裝置、非接觸式能量和數據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升程的簡單平面導軌實現多種變型，由機床控制器 M指令控制的可外伸鉸刀，其調整精度可達微米級 .2002年美國密西根大學的 Byung-Kwon Min等人發明了一種智能鏜刀( Smart Boring Tool)[7]，將激光位置傳感器和壓電執行器集成到鏜刀刀桿內，利用位置控制，自我監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，用以實時監測切削過程中刀具的受力狀況 .2009年美國新罕布什爾大學 Robert B. Jerard等研發了一種無線智能刀柄 (Smart Tool Holder)傳感器系統，他們將無線傳感器集成到智能加工系統( Smart Machining Systems簡稱 SMS)中[9]，用于實時監測刀具的磨損狀態及機床的顫振，據參與開發該傳感器系統的 ChristopherA.Suprock 介紹，這種傳感器系統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 .與之形成強烈對比的是目前市面上普遍使用的旋轉式測力計，其市售價格高達 3 萬美元以上，但前者可完全替代這種旋轉式測力計 .2012年德國布倫瑞克大學的 Alexander L. Boldering等設計了一種智能磨床夾具[10]，他們利用壓電動態力傳感器和執行器可以自動調節的活動夾具，其根據軸向力的變化自動調節砂輪的微位移，可降低磨削過程中因為刀具振動對磨削表面質量的影響 .2013年愛爾蘭都柏林大學的 Kevin Kerrigan等[11]將熱電偶集成于銑刀上，研發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，英國布魯內爾大學程凱教授領導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果比較顯示，在一定測力范圍內，該智能測力刀具誤差很小且重復性好，精度高； 2013年報道了利用可以內部冷卻的智能刀具與封閉內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到穩態，在較短切削時間內，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響應函數模型的分析，可以在 15 s內得到穩態的平均切削溫度，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新設計方法[14]，研究了一種基于 SAW(聲表面波)應變傳感器的智能刀具，基于 SAW(聲表面波)應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面的兩聲表面波 (SAW)應變傳感器在線實時測量切削力和進給力.

圖1 基于SAW(聲表面波)應變傳感器的智能刀具

1.2 國內智能切削刀具發展現狀

國內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展開的一些研究 .同濟大學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行數據交互，配備感應式電源解決刀柄的供電問題 .青島大學機電工程學院茍琪對數控銑床遙感測力刀柄進行相關基礎研究[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構尺寸的相互關系，提出雙層測力傳感器結構中單元變形體彎矩變形的應用方式，講述了遙感力信號的傳輸原理 .2010年，南京航空航天大學何寧教授領導的課題組，在對刀具磨損規律分析的基礎上，提出一種針對高速加工智能化實時刀具狀態監測系統[17]，該系統可以自動進行不同刀具狀態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監測系統的有效性 .哈爾濱工業大學李文德等在基于聲表面波原理的智能刀具系統方面開展了研究[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年哈爾濱工業大學舒盛榮在程凱教授的指導下提出了一種內冷式智能刀具[13]，所研究的智能內冷式刀具可以較精確的對切削溫度進行在線預測，所設計的內冷式智能刀具如圖 2所示 .

圖2 內冷式智能刀具

2 智能切削測溫刀具的研究現狀

目前國內外智能刀具的研究主要用于監測刀具的磨損和破損，檢測刀具溫度變化的智能刀具技術例子較少 .然而切削熱是切削加工過程中的一種重要的物理現象[19]，切削溫度又是直接影響零件加工質量的重要參數之一[20]，尤其在超精密加工領域的高速切削加工中，由于加工時其散熱性差，熱變形產生的誤差大，使尺寸和形位誤差難以達到設計要求；化爆材料加工中，由于其不均勻性，內部隨機分布硬質點，當切到硬質點時，會突然產生大量的切削熱而引爆工件發生重大安全事故；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，導致傳統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.但常規溫度測量方法無法實時監測切削區域指定點瞬態溫度變化，因此，研制一種響應速度快、能準確測量刀尖切削溫度的方法和技術已成為國際精密切削加工領域急需解決的關鍵問題 .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換機理的新型瞬態溫度傳感器，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、響應迅速等特點，在刀具切削溫度測量方面得到了初步應用. 2013年，威斯康星大學美國國家數字制造裝備與技術重點實驗室在 PCBN刀具中通過嵌入微型薄膜熱電偶陣列對切削區域進行切削溫度的測量 .提出了通過切削區模型預測切削溫度的方法，模型的可行性和預測精度通過嵌入多晶立方氮化硼 (PCBN)刀具切削區的薄膜熱電偶 (thin-film thermocouple簡稱TFTC)陣列附近進行實驗測量確定 .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鍵問題，應用物理、材料以及電子信息和計算機理論與技術，研制了一種基于 NiCr-NiSi薄膜熱電偶的瞬態切削用智能測溫刀具[32-33]，瞬態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，響應迅速等優點，采用直流脈沖磁控濺射技術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，形成集自動數據采集、自動數據處理、自動數據存儲于一體的瞬態切削用智能測溫刀具;利用自行研制的薄膜熱電偶自動標定系統對研制的測溫刀片進行了靜、動態標定，結果表明所研制的測溫刀片在 30～300℃范圍內具有良好的線性，其塞貝克系數為 40.5 μV/K，最大線性誤差不超過 0.92%，而且響應快，時間常數小于 0.1 ms；該智能測溫刀具實現了在切削加工過程中對瞬態切削溫度數據的實時采集、無線傳輸與數據存儲功能；并通過現場實驗驗證了所研制的智能測溫刀具可以快速準確監測 0.1 s內刀具刀尖處瞬態切削溫度的變化，能夠在生產現場對切削區域瞬態溫度進行準確和實時測量，為智能測溫刀具的研究與開發提供了新的技術途徑 .

隨著微電子制造技術、通信技術和計算機技術的發展，以及嵌入微型薄膜熱電偶的技術的成熟，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展方向 .同時，隨著智能技術在先進制造技術中的廣泛應用與發展，把人工智能技術引入到刀具狀態監測中來，不僅提高了監測系統在復雜多變的切削條件下的適應能力，并賦予其自學習和自適應的智能性 .智能刀具溫度監測系統已經成為國內外制造業研究的熱點問題之一 .

圖4 瞬態切削用智能測溫刀具

3 結論

隨著工業 4.0和“中國制造 2025”的提出，推動了工業機器人、機械手臂、智能刀具等智能設備的廣泛應用，智能制造成為加工領域的研究熱點，智能刀具技術出現向系統化和模塊化發展的趨勢，并將與現代通信技術相結合，進一步融合到物聯網中，從而推動制造業智能裝備的進步.我國應抓住有利時機，以制造業裝備現代化為契機，開展智能型刀具的應用基礎研究，對推動先進制造技術的研究與開發具有十分重要的科學意義和應用價值 .

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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、先進制造技術的研究

A

E- mail:dlcyx007@126.com.