刀具磨損監測技術的研究現狀及發展趨勢

任澤宇

（浙江 杭州 311200）

在制造業中，數控機床發揮著舉足輕重的作用。近年來，隨著零件品質要求不斷提高，越來越多的零部件需要進行高精密的加工，尤其是在航空航天、汽車、手機等領域，數控機床的發展已成為提高產品質量的關鍵性因素。對于數控機床來講，刀具系統是其最重要的組成部分，它與加工工件的質量有著緊密聯系，而刀具的磨損是導致工件質量差，廢品率高的直接原因。有研究指出，五分之一的機床停機是由于刀具系統破損造成的，采用準確可靠的刀具磨損在線監測技術可使機床利用率提高1．5倍，最高提升切削速度50%，并節約30%左右的總加工成本。因此，對刀具磨損狀態的實時監測有助于提高加工環境的穩定性和工件的質量，保障機床及加工人員安全，同時還能提高企業的生產效率、降低企業的生產成本。因此，發展刀具磨損監測技術有重要的作用。

1 刀具磨損狀態監測技術的研究現狀

現階段的刀具磨損監測方法主要分為直接法和間接法。直接法主要是通過監測刀具磨損面反光強度、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判斷刀具的磨損情況。而間接法主要是通過監測切削過程中某些與刀具磨損構成映射關系的參數，例如工件溫度、超聲信號、切削過程的振動信號、切削力、扭矩、電機功率或電流的變化來間接反映刀具的磨損情況。以下是幾種主要的監測方法。

1.1 直接法

（1）光學圖譜法：光學圖譜法是通過利用光學儀器記錄刀具后刀面磨損處的反光強度變化或進行圖像處理得到刀具磨損信息的方法。這類方法的優點是其結果較為明確直觀，方便技術人員分析；缺點是在實際生產過程中伴有切削液等切削條件的干擾，很難實現實時監測。

（2）接觸法：接觸法是通過探頭磁間隙傳感器檢測切削刃的位置參數來得到刀具磨損信息的方法。這類方法的優點是簡便易操作，缺點是其易受切削溫度影響。

（3）放電性技術：放電性技術是通過在刀具原材料中加入放射性物質，隨著磨損程度的加大，刀具放射性逐漸加大，從而達到監測目的。這類方法的優點是其不受加工環境的影響，缺點是其實時性差，應用于實際生產還需考慮防護性問題。

（4）工件尺寸測量法：這類方法通過傳感器檢測工件的尺寸，根據檢測結果與實際工件尺寸誤差的大小來判斷刀具磨損情況。但工件的尺寸受機床運動精度和熱膨脹的影響，可靠性較低。

1.2 間接測量法

（1）切削溫度測量法：切削溫度與刀具磨損有著直接聯系，因此可通過監測工件與刀具之間的熱電偶或用紅外檢測儀監測切削部位溫度變化來實現磨損狀態的識別，但這種方法不適用于添加冷卻液的加工過程。

（2）聲發射監測法：聲發射是刀具或被加工器件在加工過程中因裂縫擴展、塑性變形、相變等引起應變能快速釋放而產生應力波的現象。這種方法能在不影響刀具和工件的情況下檢測到刀具磨損的特征信號，這些信號頻率較高，受環境干擾較小，其缺點是傳播過程中信號衰減很快，傳感器需安置在接近切削處的位置，且信號處理方式復雜，效率低下。

（3）振動監測法：其通常用加速度計來監測切削過程中振動信號的變化來判斷刀具磨損情況，對刀具磨損敏感度高，但其信號易受到機床的自激振動和噪聲干擾，給后期判斷增加了難度。

（4）切削力監測法：切削力對刀具磨損靈敏度高且作為加工過程中刀具狀態變化最直接的表現之一，其信號特征能準確反應刀具的磨損情況。其缺點是傳感器需要與工件有特定的安裝位置，信號采集困難，設備昂貴。

2 研究難點及可能的解決方案

從現有刀具磨損監測技術來看，直接法操作性強，能夠得到直觀數據，避免了復雜的數據分析，但采集數據時容易受到環境干擾，采集數據不可靠，測量精度不高。而間接法雖然可以采集相對準確的數據，但它并不能直觀反映刀具的磨損狀態，需建立復雜的數學模型對磨損特征進行提取，過程復雜。

目前刀具磨損監測的主流方法還是以間接測量法為主，而其中以振動監測法，聲發射監測法和切削力監測法最為流行。但是針對單一的傳感器監測并不能全面和準確的反映刀具磨損的特征信息，因此不能同時兼有高敏感性、高容錯性和高可靠性的優點，無法適應實際加工環境。對此問題，可通過多傳感器監測來協調單獨傳感器失靈或由于某些噪聲干擾造成傳感器的誤判，最后綜合多來源刀具磨損信息使刀具磨損狀態識別可靠準確。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，以提高采集數據的準確性。

3 未來的發展趨勢

未來是工業自動化的時代，數控加工是未來制造業的重中之重，而刀具磨損的在線監測是整個加工鏈實現自動化的關鍵環節，但刀具磨損監測技術目前的研究還只是偏重于理論，局限于小樣本的試驗和小規模的加工，同時也只適用于簡單的加工工藝和簡單的走刀路線，并不適合復雜的曲面加工，也不能普遍運用于整個加工產業鏈。因此，未來的刀具磨損在線監測應從以下幾方面著手。

（1）發展多傳感器融合技術，使之更能準確的采集可靠磨損信息。

（2）發展智能刀體，將傳感器、驅動裝置、控制裝置、微型計算機等集成在刀體或刀頭上，以提高采集磨損數據的準確性和高效性，并通過高性能處理器及時分析磨損特征，識別磨損狀態，以達到對刀具磨損狀態的實時監測。

（3）可以將傳感器和整個機床融為一體，例如可將傳感器制作成夾具，使其兼有采集數據和裝夾工件的功能，這樣對于任意的加工工藝，都可以監測刀具的磨損信息。