切削加工中刀具磨損的測量方法

摘要：本文在闡述研究刀具磨損對切削加工具有重要意義的基礎上，分析了現有的切削加工中的刀具磨損測量方法，提出并說明了一種可用于科學實驗及實際生產的基于圖像的刀具磨損測量方法，完成了該方法應用程序的編寫。

關鍵詞：切削 刀具磨損 測量

0 引言

工業統計表明，刀具失效是引起機床故障的首要因素，由此引起的停機時間占大多數數控機床總停機時間的1/5~1/3。切削加工中，刀具在不同的加工條件下，其狀態是不斷變化的，如果刀具磨損不能被及時發現，將導致整個加工過程的中斷，引起工件的報廢，甚至整個系統的破壞并造成人員類的損失。加工過程中，刀具磨損過程終會有振動，反過來振動又加劇磨損，繼而在加工表面的成型過程中產生偏差，從而影響加工質量和精度。

多年來，我們在運用金屬切削理論知識指導車削生產和實習教學中，經常對刀具的磨損程度通過感官的方式來實現。第一是看。即通過我們的眼睛觀察工件表面粗糙度的變化，從而判斷刀具的磨損程度。第二是聽，即通過刀具在切削工件時發出的聲音來判斷刀具的磨損程度。第三是通過切削時產生的溫度的高低來判斷。例如在拆卸零件時，比較一下所觸摸到的零件的溫度與前面接觸的零件的溫度的區別如燙手程度) ，則可判斷刀具的磨損程度。顯然這是需要具備相當熟練的機械實踐的嘗試才能掌握的技能。

當然感官判斷是應用于普遍的工廠加工的第一線，往往是最為普遍的對刀具磨損的判斷。面對要求高精度，自動化生產時，這一方法往往不在實用。本文在分析現有切削加工中刀具磨損測量方法的基礎上，提出一種可應用于科學實驗及實際生產的基于圖像的刀具磨損測量方法。

1 現在使用的刀具磨損測量方法簡介

現代數控加工過程中主要采用的刀具監測方法通常分為兩大類：直接測量和間接測量兩種方法。其中直接測量法有：放電電流測量法，光纖測量法，微結構鍍層法，電阻測量法，射線測量法以及基選集圖像處理法等。間接測量法主要是利用與加工有關的物理量，如切削力，扭矩，切斜體及，工件幾何尺寸，工件表面質量。切削形狀，噪聲或振動強度等，比較流行的有電流監測法和聲發射監測法。

聲發射（AE）法，在切削過程中，當工件發生斷裂，工件的磨損甚至切削變形都會以彈性波的形式向外釋放能量，且個聲發射事件幅度不同，間隔較長，即聲發射法采集的基本依據。(AE)法的特點①信號是反映刀具磨損或破損的動態信息，而超聲波，紅外探傷等得到的只是靜態的信息。②信號不受物體位置的限制，所以，對傳感器安裝位置限制較少。③信號只接收由材料本身所發射的超聲波。④靈敏度高，故障在萌芽時期就有AE信號發射出來。⑤不受材料的限制。(AE)法由于成本適中，適應性強，現廣泛應用于數控機床的刀具檢測。

采用監測電機電流信號監測刀具磨損，是現在比較流行的監測刀具磨損的一種新方法。在切削過程中，當刀具發生磨損和破損時，切削力相應發生變化，切削力的變化引起電機輸出轉矩發生變化，電動機的功率隨之增大，進而導致電機電流發生相應的變化。

電流監測法正是通過監測電機電流的變化，實現間接在線實時判斷刀具的磨損和破損，一定程度上給予我們磨損產生過程中對電機的影響。但磨損量與電流信號有一定延遲或其他誤差的存在，對于突發性的狀況不能準確的反映。

電流檢測法利用主軸電機電流的變化反映出刀具的磨損情況，進而建立主軸電流和切削參數之間的數學模型，結合實踐當中的應用體現了它的實用性。

2 基于圖像的刀具磨損測量方法

本文提出了一種基于圖像的切削刀具磨損測量方法，其基本原理在于：通過利用拍照獲得的刀具磨損圖片與同樣放大倍數標尺的比較，獲得較精確的刀具磨損真實尺寸。利用VB程序實現了該刀具磨損測量方法，具體應用流程如圖1所示。所編寫的應用程序主要分為以下幾個部分：磨損量及標尺刻度采集界面，查詢參數輸入界面與結果展示界面。

2.1 基于圖像的刀具磨損測量軟件主要功能模塊 如圖2所示，主界面包括3個部分，從右到左分別是切削參數設置區，圖像加載區和數據計算保存區。切削參數設置區由編號、切削速度、進給量、背吃刀量四個部分組成，反映了磨損圖像的切削條件。設置編號目的在于方便不同切削條件下的刀具磨損量的存儲和查詢。圖片加載區對已有的圖片進行加載，為后續對圖像進行操作打下基礎。數據計算與保存區包括標尺采集量、磨損采集量、按計算得到刀具磨損量、切削時間等幾部分，點擊保存，可將對應切削條件下的切削時間和刀具磨損量存入數據文檔中，以備后續查詢及繪制刀具磨損曲線。

磨損量的采集由標尺標準距離采集和刀具磨損量采集兩部分組成，刀具磨損量采集的平均值與標尺標準距離采集的平均值之比即為刀具實際磨損量。通過鼠標對標尺圖片上標準距離的三次拾取，并利用后臺程序計算可獲得三次標準長度拾取值的平均值。同樣從刀具磨損圖片上取三個磨損量后可以得到刀具磨損圖像上磨損量的平均值。在軟件主界面面中點擊“計算”，便在主界面 “刀具磨損量”框格中出現刀具磨損量的實際值。

2.2 功能展望

2.2.1 刀具磨損曲線的繪制 VB默認的坐標系與我們實際使用的不一樣，因此選用scale法建立相對坐標系，即object.Scale (x1， y1) - (x2， y2)，object為對象表達式，x1，x2，y1，y2，為單精度坐標值。由于在實際應用的時候，采集的是散點，繪制的曲線是折線圖。這里可選擇用拉格朗日插值的方法進行刀具磨損平滑曲線的繪制。

2.2.2 壽命判斷 在主界面設置的數據查詢功能，確定一定切削參數下刀具磨損量與切削時間的關系。通過查詢能夠得到的是一定切削參數下不同時間的磨損量，通過曲線繪制得到刀具磨損曲線，分析得出到達刀具磨鈍標準時的切削時間（即刀具使用壽命）。

3 結論

在明確制造的流程，特別是現代社會下自動化生產，對刀具提出了更高的要求，一方面在強化刀具生產的能力，另一方面對刀具的檢測提出了新的要求。本軟件結合刀具磨損圖片提出了一種行之有效的方法——通過對比放大同倍數磨損量與標尺的辦法，能夠比較精確地得到刀具的磨損量，同時在VB后臺下，使用拉格朗日插值的辦法得出一條平滑的曲線，能夠客觀的反映磨損量與時間變化關系，進而對生產中刀具使用壽命的確定有一定的指導作用。

參考文獻：

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2010年江蘇科技大學本科生創新計劃資助項目

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文