超精密加工中的金剛石刀具及刀具磨損分析

摘要：隨著我國工業化水平的不斷提高，特別是超精密加工技術的不斷發展對金剛石刀具的要求越來越高，因為金剛石刀具對保障加工效果和質量起著至關重要的作用。金剛石刀具在運轉時會出現較大的啟動轉矩。根據金剛石刀具磨損狀況識別與檢測加工產品，不僅能夠大大提升金剛石刀具的使用率，而且能夠保障機械產品的加工質量和精度。

關鍵詞：超精密加工；金剛石刀具；磨損

金剛石刀具磨損程度及其磨損狀態會直接影響加工產品的準度和精度。近幾年，隨著我國cims、cnc、fms機床廣泛的應用，極大提高了機械加工精度與生產設備的加工效率。機床已經從原先的單獨一臺或者兩臺同時操縱，發展為可以同時操縱多臺機械設備。其中，數控機床系統能夠實現自動監視各種金剛石刀具的運轉和工作狀態，及時掌握正在運行中金剛石刀具的磨損情況，從而根據斷裂程度、使用壽命、磨損量等因素實時監測刀具的運轉和工作狀態的變化。當金剛石刀具的磨損量超過預先設置的磨損值時，系統將會發出報警信號。

一、金剛石刀具磨損狀況識別與檢測技術的作用和意義

金剛石刀具的磨損情況識別和檢測技術的重要作用和意義主要體現在以下三個方面：

（1）能夠確保加工加工產品的精度，通過對金剛石刀具的磨損情況及時跟蹤、更換金剛石刀具，確保加工產品尺寸的準確性。

（2）能夠提升機械設備的使用效率，修復后的金剛石刀具或者新更換的金剛石刀具具有更好的切削能力，切削的工作效率更高。

（3）能夠延長機械加工設備的使用壽命，修復后的金剛石刀具在使用后更加順暢，避免舊金剛石刀具加工過程中的阻力過大，增加設備運行阻力，進而影響設備使用壽命。

二、金剛石刀具磨損狀況識別技術分析

（一）金剛石刀具磨損圖像預處理識別技術分析

金剛石刀具識別技術主要采用圖像預處理技術對金剛石刀具的磨損情況進行識別。金剛石刀具磨損圖像預處理識別系統主要由硬件系統和軟件系統兩部分組成。其中，硬件系統主要包括識別光源、設備支持框架、設備攝像機、配套圖像識別傳輸和處理設備。較好的光源能夠確保金剛石刀具表面磨損情況的精準識別與判斷，對后續的數據計算和確定金剛石刀具磨損程度、機械設備預期壽命的判斷具有重要參考作用。

（二）金剛石刀具磨損區域的多次識別技術分析

初次識別技術主要識別金剛石刀具后刀面的磨損情況，尤其識別金剛石刀具的磨損區域、磨損寬度等重要參數。根據初次識別參數做出初始磨損情況判斷。二次識別技術主要完善初次識別中的光照影響、對比度不同的情況，識別金剛石刀具的過渡區域，識別和分析金剛石刀具刃口的磨損情況。在識別過程中，通過多區域分割識別的方式獲取準確數據。

三、金剛石刀具磨損的監測方法

金剛石刀具運行狀態監測傳感器系統通常包括傳感器信號采集、信號處理及狀態特征提取和狀態辨認器三個組成部分。其中，傳感器主要是接收在切削工作過程中產生的切削機械信號數據，如切削能力、功率、音頻發射、震蕩、振動、電流等。

（一）金剛石刀具狀態的振動監測法

在切削過程中，工件和金剛石刀具刃部側面發生摩擦，產生不同速度和頻率的振動。振動信號是檢測金剛石刀具的磨損和破壞敏感性較高的指標之一。振動的特征檢測和處理方法主要將振幅區域劃分為幾個單獨的振幅區域，利用計算機記錄、分析這些振幅區域的位置，可以準確檢測得出金剛石刀具在使用后的每個刀面受磨損程度。振幅可劃分為高、低兩個組成部分，在切削過程中分別計算出兩個組成部分的振幅。振動信號有幾個不同的特點頻段，這幾個頻段中的信號會因金剛石刀具的磨損而逐漸變強。

（二）金剛石刀具狀態的切削力監測法

切削力數據能夠直觀、準確地反映工人在操作過程中的各種動態和行為，這些切削力數據可以間接且準確地實時監控金剛石刀具的磨損量和正常運轉狀態，以引起工人的關注。但是以往采用切削力信號監測和控制金剛石刀具磨損變動規律的方法（如方差監測法、平均值監測法、AR模具監測法等），沒有做到準確把握這些規律以及它們的內在關聯，存在一定的不可靠性。在金屬剪切機械操作的過程中，總會出現較大的或微弱的振動。這種振動不僅使機床切削面積產生變化，而且機床實際運轉的角度也會發生變化。一旦這種切削能力產生了較大的波動，將會逆向作用于整個技術體系。簡而言之，切削力的頻率和幅值波動的周期應與監測系統中的頻率和幅值波動的周期相等。

（三）金剛石刀具狀態的功率監測法

金剛石刀具在正常切削時，功率和運轉速度都是變化的，可以加快或者放緩，但不會發生突變。一旦金剛石刀具出現破損，其功率和運轉速度要遠遠超過正常切削時的參數。因此，實時監測切削功率，對切削功率進行微分，利用計算切削功率的變動頻率，能夠準確判別金剛石刀具是否發生破損。以金剛石刀具的切削功率和運轉速度為依據收集信號，利用單片機自動進行數據處理和判斷，實現加工過程中金剛石刀具的破損在線監測，可以有效提高金剛石刀具的破損報警精度和準確性。

（四）基于信號檢測理論的金剛石刀具磨損監測方法

1.切削力信號

在切削時，隨著刀具使用次數的增加，其刃部磨損程度會隨之增加，與被加工工件之間的摩擦力也會增加，最終導致切削力增加。可將切削力信號視為物理信號，能夠反映刀具磨損程度。

2.聲發射信號

刀具在切入被加工產品內部時，會出現斷裂及變形等問題，使瞬間彈性波出現在材料內部，借助若干個局部源迅速釋放能量，一般可將此類能量定義為聲發射信號。與其他信號相比，聲發射信號具有更高的頻率，而實際環境中的噪聲大多數位于低頻段。聲發射信號存在良好的抗干擾能力，因此得到了廣泛的應用。

3.電流信號

數控機床在刀具切削過程中其電機驅動電流會隨著切削力的變化而變化。與鋒利刀具相比，金剛石刀具在出現磨損后，所需的切削力較大，進而使輸入功率增大，且采集電流信號的設備電流傳感器成本低、安裝簡單、對切削加工的干擾小。因此，在刀具磨損狀態識別過程中，電流信號可充當監測信號。

4.溫度信號

刀具的切削過程會釋放熱量。對于切削刀具來說，其刀尖處于高溫環境中，加速了刀具的磨損程度，因此，刀具溫度信號對刀具磨損起決定性作用。

5.表面粗糙度信號

在評估機械加工產品質量時，表面粗糙度是評價指標之一，用于表征被加工工件表面的不規則程度。研究表明，對于同種材料而言，表面粗糙度可以間接反映出刀具所處的模損狀態，刀具磨損與表面粗糙度之間呈正相關的關系。

四、超精密加工中的金剛石刀具管理策略

（一）金剛石刀具管理目的

完善金剛石刀具管理辦法，合理實行金剛石刀具的檢測、修理、更換（或調換）并建立現場使用金剛石刀具管理臺賬明細，及時掌握金剛石刀具的使用情況并做數據分析，從而合理調配和選擇適宜的金剛石刀具修理工藝，最大限度地減少金剛石刀具的投入，對降低加工成本具有重要意義。

（二）金剛石刀具的更換標準與流程

金剛石刀具更換主要集中在設備維保期間。在超精密加工中，工人根據金剛石刀具磨損情況和監測結果，及時更換已達到更換標準的金剛石刀具，避免金剛石刀具失效而導致磨刀盤破損情況的出現。出現下列情況，必須更換刀具：①擋圈脫落；②刀圈出現裂紋、斷裂；③崩刃；④偏磨；⑤軸承密封失效。

金剛石刀具換刀作業流程：換刀前準備→開倉清洗刀盤→檢查確認更換金剛石刀具數→清理刀座→拆除舊刀→吊出舊刀→安裝新刀→檢查緊固金剛石刀具→清理艙內工器具→關倉恢復掘進。

（三）金剛石刀具修理流程

金剛石刀具修理車間，檢查更換下來的金剛石刀具（如金剛石刀具偏磨情況、密封情況、刀圈磨損情況、油脂等），維修處理具有修理價值的金剛石刀具，可減少新刀購置費用，提高金剛石刀具的使用壽命，降低加工成本投入。金剛石刀具修理流程如下：

（1）拆解：沖洗金剛石刀具→檢修→偏磨、漏氣→拆蓋解體→檢查軸承（軸承未損壞更換密封圈）→更換軸承→更換密封圈→裝配→更換刀圈→焊接擋圈→保壓、注油→測試扭矩→完成金剛石刀具修理。

（2）不拆解：①沖洗金剛石刀具→檢修→檢測刀圈磨損情況→更換刀圈→測試扭矩→完成金剛石刀具修理；②沖洗金剛石刀具→檢修→檢測油脂→更換油脂→測試扭矩→完成金剛石刀具修理。

五、超精密加工中金剛石刀具磨損的監測方法分析

由于整個切削工藝流程的復雜性，影響其切削能力的因素很多，研究者設計精確又完備的切削能力動力學模型存在一定的困難。即使設計和制定了一套較為完備的切削動力學模型，切削使用量的增加和刀具更換所導致的切削分力發生更換也很困難。另外，在設計和安裝各種監測機械裝置時，需要針對機床的結構特點進行調整和保養，可能會影響該監測方法的準確性。

眾所周知，金剛石刀具的工作狀態一旦發生改變就會導致切削能力發生變化。這種變化間接地反映機床使用時所需要消耗的功率。但與其他的切削力方法相比，機床功率計算器測量信號簡單，可以有效減少和避免在切削工作環境中對切屑、油、煙、振動等所造成的影響，監控設備更易于實際使用。通過實時監測各種金剛石刀具驅動電機的加工頻率和傳感器變動狀況等信息準確地判別各種金剛石刀具的運行情況，具有對加工頻率和傳感器的信號提取方便、傳感器的安裝簡易、不會使用環境的變化等特點。

六、機械數控加工中刀具的優化選用策略

（一）嚴格遵守標準程序

遵循金剛石刀具的使用和更換原則，可以有效規避一些常見的使用問題，從而延長金剛石刀具的使用壽命。在當前的機械數控加工中，加工模式以人機互動為主，因此，在金剛石刀具的更換工作中需要嚴格按照加工工藝和標準程序進行作業。在一些數控機床加工過程中，刀具的更換需要人工輔助完成，刀具的更換時間較長。為了保障生產工作的穩步推進，數控編程技術人員首先要分析刀柄和刀具的尺寸，同時研究換刀時刀具的調整方法，安排刀具的排列順序，有助于進一步提高機械數控機床的加工效率。

（二）保障刀具質量

在實際工作中，技術人員需要結合加工工件的實際需求選擇金剛石刀具。刀具過大或過小都會對后續的生產加工工作造成影響，因此，需要保障零件表面尺寸與刀具尺寸相符。對于平面零件，一般選用普通的立銑刀;對于凹槽和凸臺等工件，一般選用高速鋼材料制作的立銑刀;在不同形狀零件的加工過程中，一般選用平頭刀具，可以提升工件加工的精確度。此外，技術人員要控制金剛石刀具的鋒利程度。鋒利的刀具可以減小刀具自身的振幅。如果刀具的刀尖出現破損，也會對后續的轉削工作產生影響。因此，在刀具的安裝使用前，技術人員需要檢查刀刃。如果存在破損問題，應及時返修。

（三）避免產生工件碰撞

在機械數控加工過程中，加工速度較快，涉及工件數量較多，如果刀具同工件發生碰撞，不僅會對工件的結構造成破壞，還會增加生產安全隱患，縮短金剛石刀具的使用壽命。為了保障后續工件加工工作的穩步推進，技術人員需要采取防護措施，避免在生產過程中工件同刀具產生碰撞。

七、展望

隨著設備制造、自動化等技術的進一步發展，金剛石刀具運行狀態的在線監測技術得到越來越多的學者及研究機構的認可。隨著生產加工操作流程的更新及復雜性程度的提高，對金剛石刀具的狀態檢查提出更加嚴格的要求。設計者開發適用于多工藝加工環境的金剛石刀具狀況監控管理系統，這也是將此項技術運用到加工現場上的關鍵。多個傳感器的金剛石刀具狀態監控系統可以有效提高金剛石刀具的判斷精度，這也是金剛石刀具監控系統未來的發展趨勢。

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作者簡介：段文紅（1974），女，廣東省深圳市人，本科，高級鉆石檢驗員，研究方向為鉆石超緊密加工。