切削力監(jiān)測刀具磨損的一種方法

1前言

金屬切削刀具的磨損與磨損狀態(tài)直接影響著機械加工的精度、效率及經濟效益，因此刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)控越來越引起人們的重視。刀具磨損的在線監(jiān)測是柔性制造系統(tǒng)研究工程的一個重要課題。近年來國內外在這方面的研究進展很快，發(fā)布的就有數(shù)10種方法，然而能適用于生產的還很少。有的方法雖可用于實際生產，但卻因其對工況提出的非常苛刻的要求和限制，難以推廣應用。由于切削力能直接反映加工過程中的動態(tài)行為，因而用切削力信號能間接監(jiān)測刀具工作狀態(tài)和磨損量，引起人們的關注。但是已有的用切削力信號監(jiān)測刀具磨損的諸多方法(如均值監(jiān)測法、方差監(jiān)測法、AR模具監(jiān)測法等)又因未弄清切削力信號與刀具磨損的內在聯(lián)系及其變化規(guī)律，均有一定的片面性和不可靠性。鑒于此，本文從理論分析和實驗提出一種刀具磨損監(jiān)測方法—頻段均方值法。

2切削力與刀具磨損的相關分析

1）切削力的波動特性 金屬切削過程中，工藝系統(tǒng)始終存在著或大或小振動。刀具相對于工件的振動，直接導致切削力隨之發(fā)生波動。由于振動的存在，非但切削面積要發(fā)生周期變化，而且刀具實際工作角度也要產生周期波動。一旦切削力發(fā)生了波動，將反作用于工藝系統(tǒng)，使系統(tǒng)振動得以抑制或加強?？梢哉f明，切削力的波動周期與系統(tǒng)振動周期是相同的。

2)刀具磨損對切削力的影響

a.刀具磨損對靜態(tài)切削力的影響 刀具后刀面發(fā)生磨損以后改變了刀具與工件之間的接觸方式，由理論上的線接觸變?yōu)槊娼佑|。這樣就使得刀具后刀面與工件的摩擦力加大，吃刀抗力增大，反映在三向切削力方向上便是三向切削力均增大。并且隨著刀具磨損量的不斷增大，摩擦將繼續(xù)加劇，因而三向切削力亦將不斷增大。這就是說，靜態(tài)切削力具有正比于刀具后刀面磨損量的特性。

b.附加動態(tài)切削力的產生機理 前面的討論說明：實際的金屬切削過程總是一個動態(tài)的過程，切削力總是要發(fā)生一定范圍的波動。在不考慮刀具磨損的情況下，這個波動范圍是很大的，但是如果刀具后刀面存在磨損(實際刀具總是存在磨損的)，這個波動范圍將產生明顯的變化。因為此刀具理論工作后角變成0°，那么，角度周期變化的性質必然導致刀具周期進入負后角工作狀態(tài)，因而便產生一個交變力。由于這個交變力是刀具發(fā)生了磨損產生的，這里稱這個交變力為附加動態(tài)切削力，下稱附動力。 附動力的變化與刀具工作角度的變化范圍有關，也與刀具后刀面磨損量有關。刀具處于負后角工作狀態(tài)時，刀具后刀面要部分地擠入工件，與工件產生干涉，使工件產生彈、塑性變形，很顯然，擠入工件的刀具部分體積越大，則所需的擠入力越大，附動力的幅值就越大；反之干涉面積越小，則產生的附動力的幅值越小。 附動力的產生增加了動態(tài)切削力的構成，并且由上述分析可知，附動力有著與刀具磨損相同的變化趨勢，因而隨著刀具后刀面磨損的增大，動態(tài)切削力將呈現(xiàn)增大趨勢。 綜上所述，隨著刀具磨損量的增大，靜態(tài)切削力與動態(tài)切削力將同時不同程度地增大。

3)刀具磨損對切削狀態(tài)的影響性 附動力是一個周期變化的交變力，這個交變力反作用于工藝系統(tǒng)，對系統(tǒng)的振動產生一定的影響，從而對切削狀態(tài)也產生一定的作用。 一般地講，附動力的變化曲線是一條復雜的連續(xù)變化曲線，定量描述是很困難的。為了進一步討論附動力的作用和影響，這里假設附動力變化在一個周期內是分段線性的。并假定附動力的幅值Pk=kVB(1) 式中k——比例常數(shù)； VB——刀具后刀面磨量。 可推得附動力的變化規(guī)律為 式中l(wèi)s——工藝系統(tǒng)振動在工件上的振紋波長； x——切削長度。 在這種情況下，附動力P在一個周期內對系統(tǒng)所做的功 式中Δx——系統(tǒng)振動振幅。由式(3)可以看出：AP是VB的連續(xù)函數(shù)，故在區(qū)間(0，ls)內至少存在一點VBm，使得 這就是說AP在區(qū)間(0，ls)內必存在至少一個極小值，事實上只存在一個極小值，這個極小值點為VB=VBm，在(0，VBm)內AP單減，而在區(qū)間(VBm，ls)AP單增。用優(yōu)化方法在區(qū)間(0，ls)可求出VBm≈0.569ls(5) 由式(3)可以看出，附動力在一般情況下總是對系統(tǒng)做負功，對系統(tǒng)振動起阻尼作用。但是在刀具磨損量VB變化的不同區(qū)間，這種阻尼作用有著不同的變化趨勢。2100433B

大型全斷面掘進裝備（簡稱盾構掘進機）是國家急需的隧道、地鐵建設的大型掘進裝備，隨著我國經濟建設與城市建設的快速發(fā)展，對大型全斷面掘進裝備的需求逐年增加。目前，這類設備的關鍵核心技術方面還主要被德國、日本等少數(shù)跨國公司所壟斷。其中，刀盤刀具磨損狀態(tài)實時監(jiān)測對大型全斷面掘進裝備工作效率和安全運行有重要的行業(yè)需求，在我國還是空白。.基于這一需求，提出研究刀具磨損檢測的方法進而開發(fā)刀具刀盤磨損狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。應用應力波的原理和振動特征的改變開發(fā)具有自主知識產權的刀盤刀具磨損狀態(tài)檢測專用傳感器；根據(jù)大型全斷面掘進裝備作業(yè)環(huán)境的多介質、高濕、復雜電磁場和刀盤轉動的特點，應用無線傳感器網(wǎng)絡技術傳輸測量信號，解決盾體的金屬結構和泥土介質或巖石介質對無線信號屏蔽和衰減作用。同時解決傳感器的機械設計、電路封裝與安裝工藝、耐久性、被動屏蔽和發(fā)射阻抗匹配等問題，使之滿足工程需求。

大型全斷面掘進裝備（簡稱盾構掘進機）是國家急需的隧道、地鐵建設的大型掘進裝備，隨著我國經濟建設與城市建設的快速發(fā)展，對大型全斷面掘進裝備的需求逐年增加。目前，這類設備的關鍵核心技術方面還主要被德國、日本等少數(shù)跨國公司所壟斷。其中，刀盤刀具磨損狀態(tài)實時監(jiān)測對大型全斷面掘進裝備工作效率和安全運行有重要的行業(yè)需求，在我國還是空白。 基于國家需求，第一項研究的工作是絲柵式盾構刀具磨損測量方法的研究。這一方法于2012年首次應用于西安地鐵一號線施工中刀具的磨損檢測。之后又進行了多方面的改進，于2013年再次在西安地鐵三號線施工中應用。此次應用獲得成功，測量與實際磨損程度一致。已得到盾構機的生產單位和施工單位的認可，準備在盾構機應用。 第二項研究是在模擬實驗裝置上測試了不同含水率下粉土和砂土的切削力分布。在模擬刀盤上沿刀盤半徑由里到外布置了7個帶切削力傳感器的模擬刀具，測量掘進過程的切削力變化曲線。這是研究盾構刀具受力特點的基礎。 第三項工作是全斷面硬巖掘進機（簡稱TBM）的滾刀受力和弦磨檢測。TBM用于巖石隧道掘進，靠滾刀壓碎巖石實現(xiàn)整體隧道成形。最容易的發(fā)生的問題是滾刀弦磨而導致失去破巖能力。利用滾刀的支撐楔塊作為彈性體研究了滾刀受力和弦磨檢測方法，該方法還可測量滾刀的振動特征。 2100433B