一、概述  隨著時代的發(fā)展，科技的進步，企業(yè)對生產(chǎn)的優(yōu)化，自動加工設備的廣泛運用使得自動批量加工模式越來越普及。但在切削加工過程中由于刀具磨損狀態(tài)的不可控性，便容易引起不良或是批量廢品的異?，F(xiàn)象。因此客戶往往采用固定加工次數(shù)換刀來避免此類狀況，卻任需在加工過程中定時多次檢查刀具狀態(tài)以及工件各尺寸的要求。刀具磨損監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r記錄刀具或者砂輪加工過程中的信號變化，據(jù)此確定＊優(yōu)化的換刀時間，提醒操作人員進行換刀，同時也可用于評價刀具性能。二，工作原理通過加工過程中的功率，振動和聲音三種模式來進行實時檢測磨損情況：1，功率：通過安裝功率傳感器在加工過程中實時測量功率信號，利用功率信號處理算法對功率進行分析和識別，判斷刀具磨損情況。2，振動：通過安裝震動傳感器在加工過程中實時檢測振動信號，利用振動信號處理算法對振動進行分析和識別，判斷刀具磨損情況。3，聲音：利用高靈敏度聲學傳感器實時檢測刀具磨損時產(chǎn)生的聲音信號，刀具監(jiān)控利用聲學信號處理算法對聲學進行分析和識別，判斷刀具磨損情況。特點：1，提供三種特征進行刀具磨損監(jiān)控。2，學習一把新刀和磨損刀具的功率曲線，即可生成監(jiān)控邊界。3，可長期記錄刀具磨損的特征曲線，可用于刀具性能的評估，為客戶提供成本決策。 三，產(chǎn)品效果和價值1，生產(chǎn)過程中為保證加工工件質(zhì)量，通常選擇保守使用刀具，無法＊大化的利用刀具。刀具磨損監(jiān)控系統(tǒng)通過刀具加工工件所產(chǎn)生的信號變化，來判斷當前刀具狀態(tài)，提高刀具壽命、節(jié)省成本。2，通過設置刀具的磨損極限，實時監(jiān)測刀具的磨損狀態(tài)，當?shù)毒叩哪p到達極限時，及時給出換刀信號，避免因為刀具提前失效而導致的零件批量性缺陷。3，通過刀具磨損監(jiān)控系統(tǒng)采集到的實時加工數(shù)據(jù)進行對比分析，可以評價刀具的性能。通過實時檢測判斷刀具磨損的情況，及時更換磨損的刀具，避免加工材料的損耗，時間的流失以及設備的損壞等，因刀具磨損產(chǎn)生的加工質(zhì)量下降的問題。

刀具破損切削刃微崩當工件材料組織、硬度、余量不均勻，前角偏大導致切削刃強度偏低，工藝系統(tǒng)剛性不足產(chǎn)生振動，或進行斷續(xù)切削，刃磨質(zhì)量欠佳時，切削刃容易發(fā)生微崩，即刃區(qū)出現(xiàn)微小的崩落、缺口或剝落。出現(xiàn)這種情況后，刀具將失去一部分切削能力，但還能繼續(xù)工作。繼續(xù)切削中，刃區(qū)損壞部分可能迅速擴大，導致更大的破損。切削刃或刀尖崩碎這種破損方式常在比造成切削刃微崩更為惡劣的切削條件下產(chǎn)生，或者是微崩的進一步的發(fā)展。崩碎的尺寸和范圍都比微崩大，使刀具完全喪失切削能力，而不得不終止工作。刀尖崩碎的情況常稱為掉尖。刀片或刀具折斷當切削條件極為惡劣，切削用量過大，有沖擊載荷，刀片或刀具材料中有微裂，由于焊接、刃磨在刀片中存在殘余應力時，加上操作不慎等因素，可能造成刀片或刀具產(chǎn)生折斷。發(fā)生這種破損形式后，刀具不能繼續(xù)使用，以致報廢。刀片表層剝落對于脆性很大的材料，如TiC含量很高的硬質(zhì)合金、陶瓷、PCBN等，由于表層組織中有缺陷或潛在裂紋，或由于焊接、刃磨而使表層存在著殘余應力，在切削過程中不夠穩(wěn)定或刀具表面承受交變接觸應力時極易產(chǎn)生表層剝落。剝落可能發(fā)生在前刀面，刀可能發(fā)生在后刀面，剝落物呈片狀，剝落面積較大。涂層刀具剝落可能性較大。刀片輕微剝落后，尚能繼續(xù)工作，嚴重剝落后將喪失切削能力。切削部位塑性變型具鋼和高速鋼由于強度小硬度低，在其切削部位可能發(fā)生塑性變型。硬質(zhì)合金在高溫和三向壓應力狀態(tài)直工作時，也會產(chǎn)生表層塑性流動，甚至使切削刃或刀尖發(fā)生塑性變形面造成塌陷。塌陷一般發(fā)生在切削用量較大和加工硬材料的情況下。TiC基硬質(zhì)合金的彈性模量小于WC基硬質(zhì)合金，故前者抗塑性變形能力加快，或迅速失效。PCD、PCBN基本不會發(fā)生塑性變形現(xiàn)象。刀片的熱裂當?shù)毒叱惺芙蛔兊臋C械載荷和熱負荷時，切削部分表面因反復熱脹冷縮，不可避免的產(chǎn)生交變的熱應力，從而使刀片發(fā)生疲勞而開裂。例如，硬質(zhì)合金銑刀進行高速銑削時，刀齒不斷受到周期性地沖擊和交變熱應力，而在前刀面產(chǎn)生梳狀裂紋。有些刀具雖然并沒有明顯的交變載荷與交變應力，但因表層、里層溫度不一致，也將產(chǎn)生熱應力，加上刀具材料內(nèi)部不可避免地存在缺陷，，故刀片也可能產(chǎn)生裂紋。裂紋形成后刀具有時還能繼續(xù)工作一段時間，有時裂紋迅速擴展導致刀片折斷或刀面嚴重剝落。刀具磨損按磨損原因可分為1）磨料磨損被加工材料中常有一些硬度極高的微小顆粒，能在刀具表面劃出溝紋，這就是磨料磨砂損。磨料磨損在各個面都存在，前刀面＊明顯。而且各種切削速度下都能發(fā)生麻料磨損，但對于低速切削時，由于切削溫度較低，其它原因產(chǎn)生的磨損都不明顯，因而磨料磨損是其主要原因。另處刀具硬度越低磨料麻損越嚴重。2）冷焊磨損切削時，工件、切削與前后刀面之間，存在很大的壓力和強烈的摩擦，因而會發(fā)生冷焊。由于摩擦副之間有相對運動，冷焊將產(chǎn)生破裂被一方帶走，從而造成冷焊磨損。冷焊磨損一般在中等切削速度下比較嚴重。根據(jù)實驗表明，脆性金屬比塑性金屬的抗冷焊能力強；多相金屬比單向金屬??；金屬化合物比單質(zhì)冷焊傾向??；化學元素周期表中B族元素與鐵的冷焊傾向小。高速鋼與硬質(zhì)合金低速切削時冷焊比較嚴重。3）擴散磨損在高溫下切削、工件與刀具接觸過程中，雙方的化學元素在固態(tài)下相互擴散，改變刀具的成分結(jié)構(gòu)，使刀具表層變得脆弱，加劇了刀具的磨損。擴散現(xiàn)象總是保持著深度梯度高的物體向深度梯度低物體持續(xù)擴散。例如硬質(zhì)合金在800℃時其中的鈷便迅速地擴散到切屑、工件中去，WC分解為鎢和碳擴散到鋼中去；PCD刀具在切削鋼、鐵材料時當切削溫度高于800℃時，PCD中的碳原子將以很大的擴散強度轉(zhuǎn)移到工件表面形成新的合金，刀具表面石墨化。鈷、鎢擴散比較嚴重，鈦、鉭、鈮的抗擴散能力較強。故YT類硬質(zhì)合金耐磨性較好。陶瓷和PCBN切削時，當溫度高達1000℃-1300℃時，擴散磨損尚不顯著。 工件、切屑與刀具由于材料的同，切削時在接觸區(qū)將產(chǎn)生熱電勢，這種熱電勢有促進擴散的作用而加速刀具的磨損。這種在熱電勢的作用下的擴散磨損，稱為“熱電磨損”。4）氧化磨損當溫度升高時刀具表面氧化產(chǎn)生較軟的氧化物被切屑摩擦而形成的磨損稱為氧化磨損。如：在700℃~800℃時空氣中的氧與硬質(zhì)合金中的鈷及碳化物、碳化鈦等發(fā)生氧化反應，形成較軟的氧化物;在1000℃時PCBN與水蒸氣發(fā)生化學反應。

機加工如何延長刀具壽命？延長刀具使用壽命的方法有哪些？刀具的磨損與幾何角度、切削力和切削熱、切削用量等因素有關(guān)，刀具的耐用度及使用壽命是可以通過人的主觀努力去延長的。機加工延長刀具壽命的方法1、改進刀具幾何角度刀具角度及刀刃形狀影響著切削力的變化。如前角度增大時，切屑變形小，切削輕快、切削力及切削熱下降。在保證刀具有足夠強度的前提下，應盡量取較大前角，主偏角縮小時，刀刃參加切削的長度增加，使切削熱相對分散，且刀尖角增大，可使切削溫度下降。2、合理選擇切削用量切削用量影響刀具的耐用度，切削深度和進給量過大，切削力增加，刀具的磨損也快，切削速度過高，刀具與工件的磨損，所以選擇合理的切削用量也能延長刀具的使用壽命。3、使用冷卻潤滑液冷卻潤滑液能吸收并帶走切削區(qū)大部分熱量，改善散熱條件，降低刀具和工件的切削溫度，使小刀磨損減少，從而延長刀具的使用壽命，并能防止工件因熱變形而產(chǎn)生尺寸誤差。4、合理選擇刀具材料工件材料及加工條件對刀具的切削性能影響很大。加工不同的材料，要懂得選擇不同的刀具，才能適應切削加工的要求。5、加強日常保生產(chǎn)現(xiàn)場，尤其是刀具夾持裝置、工作臺面、刀具存放場所等，進行徹底的清掃。定期進行刀具精度的維護保養(yǎng)。確認刀具與夾持裝置的螺釘緊固。安裝與拆卸的時候，對泄露臟污及時進行清掃。6、把握與調(diào)整＊佳切削條件設定良好的切削條件并給予維持。通過振動分析等了解附件切削狀態(tài)，并適時進行調(diào)整，使刀具有良好的工作環(huán)境。一旦刀具更換對尺寸必須進行調(diào)整，保證緊固件條件和切削條件的適當。

刀具是車間生產(chǎn)的重要資源，由于刀具種類繁多、數(shù)量龐大、參數(shù)繁多、借入借出過程頻繁，因此導致車間對其缺乏有效管理。隨著信息化技術(shù)以及智能裝備的不斷發(fā)展，并在制造業(yè)中深度應用，多品種小批量正成為制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式，而傳統(tǒng)機械加工車間也逐步向數(shù)字化車間轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)的人工的刀具管理方式已不再滿足數(shù)字化車間的運行環(huán)境，嚴重阻礙了數(shù)字化車間的運行和發(fā)展。對于數(shù)字化車間而言，傳統(tǒng)的刀具管理模式存在以下問題：(1) 刀具信息管理困難：由于利用人工來管理刀具相關(guān)的信息，勞動強度大，出錯率高。(2) 確定刀具的需求計劃困難：由于刀具需求計劃經(jīng)常與實際生產(chǎn)脫節(jié)，使得各機床加工站中工件的調(diào)度與刀具的供應不一致，影響了工件加工的連續(xù)性。(3) 刀具查詢困難：在大量的刀具中僅靠查找明細表、使用資料查詢某種型號的刀具，既費時又容易出錯。(4) 工藝選刀困難：工藝人員無法方便的知道刀具的庫存信息以及刀具的組件信息，另外新的生產(chǎn)線選配刀的時候。(5) 刀具采購困難：由于得不到刀具庫存和使用的準確信息，往往造成重復采購。(6) 刀具壽命統(tǒng)計困難：刀具在生產(chǎn)現(xiàn)場閑置散落造成了刀具資源的浪費。只能由各機床控制器對自己已到壽命的刀具提出更換要求。這樣使得系統(tǒng)中各機床頻繁地更換新刀具，增加了刀具更換時間。(7) 刀具庫存管理困難：沒有對刀具庫存進行合理的管理，機床刀具庫的刀具庫存量控制不合理，需要的刀具沒有，而不需要的刀具卻可能多余，占用了企業(yè)大量流動資金。刀具管理是信息化建設的重要組成部分，特別是對于機械類生產(chǎn)車間，刀具管理的合理性、科學性，在很大程度上決定了制造系統(tǒng)的可靠性與生產(chǎn)效率的高低。其中，以現(xiàn)代通信技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)為代表的技術(shù)將MES系統(tǒng)刀具管理集成起來，提高制造加工企業(yè)對上層設備以及生產(chǎn)資源的信息管理、調(diào)配。刀具監(jiān)控系統(tǒng)是車間MES的重要組成部分。主要由以下幾部分構(gòu)成：刀具管理中心、中央刀具庫、機床刀具庫、工作地、刀具預調(diào)和刃磨間等。(1)刀具管理中心刀具管理中心包括刀具查詢模塊、刀具借還模塊、數(shù)據(jù)維護模塊、刀具壽命管理、刀具報表模塊。刀具管理中心是刀具管理系統(tǒng)的一個核心，它主要具有以下作用：可以接受新購刀具的信息、反映操作人員的刀具借還信息、實現(xiàn)對刀具庫中的已有信息進行修改和刪除、對刀具剩余壽命進行預測、實施在線監(jiān)測信息處理，實時統(tǒng)計制造執(zhí)行單元的刀具狀況，滿足工作地人員、工藝設計人員、計劃調(diào)度人員、刀具供應人員等對刀具信息的需求，優(yōu)化刀具的使用，避免重復購置和丟失等現(xiàn)象的發(fā)生。(2)中央刀庫在車間存放等待機床調(diào)用備用刀具，通過對中央刀庫的查詢車間刀具的儲備情況提供詳細的信息，在刀具儲量不足時提出警告。(3)機床刀具庫制造執(zhí)行單元內(nèi)具有刀庫的數(shù)控機床，其各刀位安裝的刀具信息存儲在機床數(shù)據(jù)庫中，通過機床數(shù)據(jù)庫可以查詢到各刀位所安裝刀具的編號，進而通過刀具管理中心查詢到刀具的所有信息。(4)刀具預調(diào)和刃磨間刀具預調(diào)和刃磨間主要是為生產(chǎn)和加工準備所需的刀具。一方面，刀具磨損或破損后，在這里進行重新刃磨；另一方面，刀具預調(diào)整或進行組裝，也在這里進行。因此，刀具由于預調(diào)或刃磨后，刀具的相應信息必然發(fā)生改變，而刀具維修人員可以通過刀具數(shù)據(jù)修改模塊，更改刀具庫中的刀具信息。(5)工作地工作地是生產(chǎn)的直接場所，在刀具管理系統(tǒng)中的的作用主要有以下兩個方面：操作者可以查詢刀具信息和對借用的刀具予以確認。

1、后刀面磨損產(chǎn)生原因：＊常見的磨損形式，是刀具與工件材料中的硬粒子摩擦形成的。失效分析：① 刀具材質(zhì)耐磨性不足；② 切削速度高/進給量低。加工影響：已加工面的表面粗糙度和尺寸精度變差。改善方法：① 選擇硬度高，更耐磨性的材質(zhì)；② 降低切削速度/增加進給量。2、月牙洼磨損產(chǎn)生原因：發(fā)生在刀片的前刀面，是由工件材料和切削刀具之間的化學反應造成的。失效分析：① 刀具材質(zhì)耐月牙洼磨損性不足；② 切削速度過高/進給量和切深過大。加工影響：切屑處理惡化，已加工表面質(zhì)量惡化 (起毛刺) ；過大的月牙洼磨損會削弱切削刃并可能導致斷裂改善方法：① 采用耐磨性封號的材質(zhì)；② 降低切削速度/減小進給量和切深3、積屑瘤產(chǎn)生原因：切屑冷焊到刀片上引起的。在加工粘性材料如低碳鋼、不銹鋼和鋁時，經(jīng)常發(fā)生這種磨損。刀具破損失效分析：①刀具材質(zhì)不合適，被加工材料易與刀具材料發(fā)生反應；②切削刃鋒利性不足；③ 切削速度/進給量過低加工影響：已加工表面質(zhì)量惡化；切削阻力增大改善方法：①選擇韌性更好，與被加工材料親和性低的材質(zhì)；② 提高刀尖鋒利度（增大前角，減小倒圓）；③ 提高切削速度/進給量4、溝槽磨損產(chǎn)生原因;在刀片前刀面和后刀面的切削深度處有大量局部損壞。這種磨損由粘結(jié)磨損（切屑冷焊）和硬化表面引起。經(jīng)常出現(xiàn)在不銹鋼和耐熱優(yōu)質(zhì)合金的加工中。失效分析:①刀具材質(zhì)耐磨性不足；②切削刃強度不足，前角過??；③切削速度高；④被加工工件表面硬化加工影響：已加工表面粗糙度惡化；切削阻力增大改善方法：①變更為耐磨性更好的材質(zhì)；②增大切削前角；③降低切削速度5、塑性變形產(chǎn)生原因：切削加工過程中，如果切削溫度太高，在刀具材料軟化時會發(fā)生塑性變形。失效分析：①刀具材料的耐熱性不足，材質(zhì)匹配錯誤；②切削溫度過高；③切削速度過高/切深進給過大；④切削液供給不足加工影響：加工精度降低，工件尺寸變化；前端崩刀改善方法：①采用耐熱性和強度硬度更高的材質(zhì)；②降低切削速度/進給量；③充分供給切削液6、熱裂產(chǎn)生原因：切削刃上的溫度從熱到冷快速變化時，可能會出現(xiàn)垂直于切削刃的多重裂紋。熱裂與間斷切削有關(guān)，在銑削工序中經(jīng)常出現(xiàn)，而且使用冷卻液不當會加重這種情況。失效分析：①切削溫度引起的熱脹冷縮；②刀片材質(zhì)不合適；③切削速度和進給量過高加工影響：熱循環(huán)易引起崩刀改善方法：①采用干式切削或充分使用冷卻液；②選擇韌性更好的材質(zhì)；③降低進給量和切削速度7、切削刃崩刃/破損產(chǎn)生原因：崩刃是機械應力過大所導致的。失效分析① 材質(zhì)韌性不足② 切屑黏附或沖擊導致切削刃脫落③ 切削刃強度不足④ 進給過高⑤ 刀桿強度不足，振動加工影響：突發(fā)性崩刀；切削阻力增大；已加工表面粗糙度惡化改善方法：①采用韌性更高的材質(zhì)；②減小進給量；③減小前角，增大切削刃的倒圓量；④選擇刀柄尺寸大的刀桿