刀具磨损监测技术的研究现状及发展趋势

任泽宇

（浙江 杭州 311200）

在制造业中，数控机床发挥着举足轻重的作用。近年来，随着零件品质要求不断提高，越来越多的零部件需要进行高精密的加工，尤其是在航空航天、汽车、手机等领域，数控机床的发展已成为提高产品质量的关键性因素。对于数控机床来讲，刀具系统是其最重要的组成部分，它与加工工件的质量有着紧密联系，而刀具的磨损是导致工件质量差，废品率高的直接原因。有研究指出，五分之一的机床停机是由于刀具系统破损造成的，采用准确可靠的刀具磨损在线监测技术可使机床利用率提高1．5倍，最高提升切削速度50%，并节约30%左右的总加工成本。因此，对刀具磨损状态的实时监测有助于提高加工环境的稳定性和工件的质量，保障机床及加工人员安全，同时还能提高企业的生产效率、降低企业的生产成本。因此，发展刀具磨损监测技术有重要的作用。

1 刀具磨损状态监测技术的研究现状

现阶段的刀具磨损监测方法主要分为直接法和间接法。直接法主要是通过监测刀具磨损面反光强度、刀刃位移情况、切削面放射性、接触电阻及工件尺寸的变化来判断刀具的磨损情况。而间接法主要是通过监测切削过程中某些与刀具磨损构成映射关系的参数，例如工件温度、超声信号、切削过程的振动信号、切削力、扭矩、电机功率或电流的变化来间接反映刀具的磨损情况。以下是几种主要的监测方法。

1.1 直接法

（1）光学图谱法：光学图谱法是通过利用光学仪器记录刀具后刀面磨损处的反光强度变化或进行图像处理得到刀具磨损信息的方法。这类方法的优点是其结果较为明确直观，方便技术人员分析；缺点是在实际生产过程中伴有切削液等切削条件的干扰，很难实现实时监测。

（2）接触法：接触法是通过探头磁间隙传感器检测切削刃的位置参数来得到刀具磨损信息的方法。这类方法的优点是简便易操作，缺点是其易受切削温度影响。

（3）放电性技术：放电性技术是通过在刀具原材料中加入放射性物质，随着磨损程度的加大，刀具放射性逐渐加大，从而达到监测目的。这类方法的优点是其不受加工环境的影响，缺点是其实时性差，应用于实际生产还需考虑防护性问题。

（4）工件尺寸测量法：这类方法通过传感器检测工件的尺寸，根据检测结果与实际工件尺寸误差的大小来判断刀具磨损情况。但工件的尺寸受机床运动精度和热膨胀的影响，可靠性较低。

1.2 间接测量法

（1）切削温度测量法：切削温度与刀具磨损有着直接联系，因此可通过监测工件与刀具之间的热电偶或用红外检测仪监测切削部位温度变化来实现磨损状态的识别，但这种方法不适用于添加冷却液的加工过程。

（2）声发射监测法：声发射是刀具或被加工器件在加工过程中因裂缝扩展、塑性变形、相变等引起应变能快速释放而产生应力波的现象。这种方法能在不影响刀具和工件的情况下检测到刀具磨损的特征信号，这些信号频率较高，受环境干扰较小，其缺点是传播过程中信号衰减很快，传感器需安置在接近切削处的位置，且信号处理方式复杂，效率低下。

（3）振动监测法：其通常用加速度计来监测切削过程中振动信号的变化来判断刀具磨损情况，对刀具磨损敏感度高，但其信号易受到机床的自激振动和噪声干扰，给后期判断增加了难度。

（4）切削力监测法：切削力对刀具磨损灵敏度高且作为加工过程中刀具状态变化最直接的表现之一，其信号特征能准确反应刀具的磨损情况。其缺点是传感器需要与工件有特定的安装位置，信号采集困难，设备昂贵。

2 研究难点及可能的解决方案

从现有刀具磨损监测技术来看，直接法操作性强，能够得到直观数据，避免了复杂的数据分析，但采集数据时容易受到环境干扰，采集数据不可靠，测量精度不高。而间接法虽然可以采集相对准确的数据，但它并不能直观反映刀具的磨损状态，需建立复杂的数学模型对磨损特征进行提取，过程复杂。

目前刀具磨损监测的主流方法还是以间接测量法为主，而其中以振动监测法，声发射监测法和切削力监测法最为流行。但是针对单一的传感器监测并不能全面和准确的反映刀具磨损的特征信息，因此不能同时兼有高敏感性、高容错性和高可靠性的优点，无法适应实际加工环境。对此问题，可通过多传感器监测来协调单独传感器失灵或由于某些噪声干扰造成传感器的误判，最后综合多来源刀具磨损信息使刀具磨损状态识别可靠准确。其次，传感器安装位置需尽可能靠近工件，但由于受加工环境以及刀具的干涉，传感器的安装往往不能安装在刀具较靠近工件的位置，因此，可将传感器集成在刀体或夹具上，以提高采集数据的准确性。

3 未来的发展趋势

未来是工业自动化的时代，数控加工是未来制造业的重中之重，而刀具磨损的在线监测是整个加工链实现自动化的关键环节，但刀具磨损监测技术目前的研究还只是偏重于理论，局限于小样本的试验和小规模的加工，同时也只适用于简单的加工工艺和简单的走刀路线，并不适合复杂的曲面加工，也不能普遍运用于整个加工产业链。因此，未来的刀具磨损在线监测应从以下几方面着手。

（1）发展多传感器融合技术，使之更能准确的采集可靠磨损信息。

（2）发展智能刀体，将传感器、驱动装置、控制装置、微型计算机等集成在刀体或刀头上，以提高采集磨损数据的准确性和高效性，并通过高性能处理器及时分析磨损特征，识别磨损状态，以达到对刀具磨损状态的实时监测。

（3）可以将传感器和整个机床融为一体，例如可将传感器制作成夹具，使其兼有采集数据和装夹工件的功能，这样对于任意的加工工艺，都可以监测刀具的磨损信息。