刀具磨損對屑形變化的影響分析

周明佳 孫艷茹 逄崇雁

（哈爾濱華德學院機器人工程學院，黑龍江 哈爾濱150025）

1 概述

機器視覺技術已經用于在線監測刀具磨損，如采用局部閾值分割法[1]、邊緣檢測和圖像配準法[2]、DBN 預測法[3]，但刀具在加工時無法直接觀測到刀具磨損狀態，往往需要退刀檢測。在切削加工過程中，視覺上可以直接觀測的就是切屑。在穩定的切削過程中，流出的切屑屑形變化很小。刀具磨損后引起刀具表面形貌變化，將導致切屑形狀的改變。所以只要確定了刀具磨損與切屑屑形的關系，就可以通過對流出切屑的檢測來判斷刀具磨損的形態。

2 刀具磨損對屑形變化的影響分析

在切削過程中，刀具磨損的一般情況為：主切削刃的磨損、遠離刀尖處的溝槽磨損、刀尖處的邊界磨損。上述三種刀具磨損狀態都會引起屑形的改變。

切削刃的磨損對切削力及屑形的影響。刀具在切削開始時的磨損值是急劇增加的,由于應力集中，會使切削刃迅速磨損。切削刃磨損后，會改變刀具對切屑的受力方向，如圖1 所示。F1、F2為磨損前的切屑受力情況，磨損后會使刀屑接觸區域后移，此時的F1變為F1'。刀尖處高度的變化使得F2變成F2'。初期的磨損由于只在刀尖處產生微小變化，而不會使切削力發生較大的改變。所以在切削開始到穩定的這一過程，受力方向改變了切屑流出后的卷曲程度，它使切屑的卷曲程度增大，切屑的卷曲半徑減小。

圖1 磨損前后切屑的變化情況

溝槽磨損對切削力及屑型的影響。切削過程中，切屑與工件在分離處的邊緣會形成毛刺，毛刺不斷沖擊流經的刀具前刀面，進而導致溝槽磨損，如圖2 所示。

如圖3 所示，溝槽磨損處C 與切削刃磨損部分D 組成了一個類似的正刃傾角，致使切削刃與主運動方向產生了角度改變。隨著磨損程度的增大，角度改變也越大，切屑受力的方向發生了如圖3 所示的改變，切屑受力由F3變成F3'。這樣的變化使流出的切屑出現橫向卷曲趨勢，其表現形式為上向卷曲的切屑產生橫向卷曲或扭曲。

溝槽磨損的加劇增大了刀具和切屑的接觸面積，也增大了刀具表面的摩擦系數，會導致切削力的數值增大。

圖2 溝槽磨損形成過程

圖3 溝槽磨損對切屑影響示意圖

刀尖處的邊界磨損對切削力及屑型的影響。在使用較大切削參數的加工過程中，在刀尖處容易產生邊界磨損。隨著磨損的加劇，微裂紋的不斷擴展，會使刀尖產生微崩刃，如圖4 所示。如果繼續切削，刀尖失去切削功能，切屑卷曲的軸線會增加一個Δθ 角，切屑由原來的形態而附加上刀尖一側低于另一側的卷曲。切屑的寬度也明顯變窄。切屑產生變化的同時，切削力同時增大。

圖4 刀尖磨損示意圖

圖5 實驗裝置圖

圖6 左上未磨損 右上刃磨損 左下溝槽磨損 右下刀尖磨損

3 切削實驗

工件材料為lCrl8Ni9Ti，工件直徑110mm，選用YT14 硬質合金刀具在C6140 車床上進行車削實驗。用高速攝影（E-10）記錄切削過程，使用kistler92578 壓電式測力儀測量切削力，切削力的值與高速攝影中屑形改變的時間節點相互驗證。實驗裝置如圖5 所示。

刀具磨損形態與高速攝影截取的屑形變化如圖6 所示。第一組切削后的刀片幾乎沒有磨損。在高速攝影下觀察到產生切屑的卷曲程度和卷曲方式相同，測力儀測得的切削力值波動微小。第二組切削后刃口磨損，切屑卷曲半徑變小，切削力值小幅增大。第三組發生溝槽磨損，切屑卷曲半徑和卷曲方向發生變化，切削力值明顯增大。第四組刀尖處發生邊界磨損，切屑寬度和卷曲方向發生變化，切削力值增大。實驗證明了刀具磨損形態與切屑變化的對應關系。

4 結論

刀具不同的磨損形態會使屑形產生不同的變化。切削刃的刃口的磨鈍過程中，產生的屑形的卷曲形式不變，卷曲半徑變小、卷曲程度變大；溝槽磨損會使切屑產生橫向卷曲趨勢，表現為切屑扭曲或橫向卷曲；刀尖處磨損，會產生在切屑寬度方向變窄，切屑的卷曲軸產生一個增量角。在初始切削條件已知的同一切削過程中，當切屑的卷曲半徑減小，說明刀具刃口開始磨損，磨損程度與卷曲變化程度相對應；當流出的切屑卷曲的軸線產生增量角，說明發生了溝槽磨損或刀尖邊界磨損，規定前刀面向上方向為正，反之為負，增量角為正時產生刀尖邊界磨損，增量角為負時產生溝槽磨損。這為采集切屑屑形監測刀具磨損提供理論依據。雖然找出刀具磨損與屑形的對應關系，但刀具磨損存在隨機因素，今后要用離散法建立起刀具磨損模型，量化刀具磨損值與卷曲半徑和卷曲軸增量角的關系，后續可以嘗試通過圖像識別切屑屑形直接判斷刀具磨損情況，將這種方法應用于在線監測刀具磨損。