金属切削理论

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切削力信号监测法
1977年，日本东京电机大学的村幸辰从理论和实验两方面深入研
究了不同加工条件和刀具磨损状态下各切削力的变化规律，发现在 一定条件下切削分力比是一个能灵敏反映刀具磨损变化的特征量， 据此他提出了切削力比监测法； 1984年，Lan和Dornfeld的研究表明，切向力和进给力对刀具破 损具有较高的敏感性； 成刚虎采用了频段均方值法通过切削力监测刀具的磨损状态； 万军利用切削力模型和最小二乘法实现模型自动跟踪加工过程特性 变化，从而获取刀具磨损量。 在 切 削 力 监 控 技 术 方 面 具 有 代 表 性 的 成 果 是 瑞 典 Sandvik Coromant公司推出的TM-BU-100型刀具监控仪，该系统采用的 力传感器可安装于主轴轴承、进给丝杠，可设置三个门限，一旦超 限自动报警。
3.高的耐热性：
4.良好的热物理性能和耐热冲击性能： 5.良好的工艺性：
6.良好的经济性：
上述性能中有些是相互矛盾的(如硬度越高，耐磨性越好 的材料的韧性和抗破损能力就越差，耐热性好的材料韧性 也较差)。 实际工作中，应根据具体的切削对象和条件，选择最合适 的刀具材料。
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后刀面磨损量VB 随切削时间t的延长而 增大。如右图为典型 的刀具磨损曲线，其 磨损过程分三个阶段 (初期磨损阶段、正常 磨损阶段、急剧磨损 阶段)。
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（4）磨钝标准及耐用度
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陶瓷刀具
陶瓷：以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体再添加少 量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。 特点： 优点：硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和 抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强； 缺点：是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用 范围受到限制； 应用：可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。高速切削加工 的精加工阶段。 应用：目前主要用于磨具及磨料，可用于加工硬质合金、陶瓷、 高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料，可用于加工硬 质合金、陶瓷等硬度达65～70HRC的材料。也可用于加工高硬度的 非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有色金属， 如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。
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（2）刀具磨损原因
刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。前者是由于 工件材料中硬质点的刻划作用引起的磨损，后者是由粘结、扩散、 腐蚀引起的磨损。
1）磨料磨损 2）粘结磨损 3）扩散磨损 4）化学磨损
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（3）刀具磨损过程
高速钢
硬质合金
硬质合金由难熔金属碳化物(如WC、 TiC)和金属粘 结剂(如Co)经粉末冶金法制成。 特点：硬质合金的硬度、耐磨性、 耐热性都很高。 硬度可达HRA 89～93，在800～1000℃还能承 担切削， 耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时 ，切削速度可提高4～10倍。强度和韧性小于高速钢 ，仅为0.9～1.5 GPa(90～150 kgf／mm)、工 艺性差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。适于 制造高速切削刀具。 Your site here
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刀具磨损监测法 切削刀具监测法分为直接监测和间接监测法。 直接监测主要是直接测量刀具的磨损量，对刀具 的后刀面、前刀面或刀刃的磨损量等；也可以采用光 电技术获取刀具图像，利用计算机图像处理技术，分 析刀具的磨损量。 间接监测主要是依据切削力、切削温度、切削力 矩等一些参数来判断刀具的磨损状态。 显然，这种方法时效性强。
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LOGO 它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合 金钢。 特点：热处理后硬度可达62～66HRC, 抗弯强度约 3.3GPa，有较高的热稳定性、耐磨性 、耐热性。切 削温度在500～650°C时仍能进行切削。 应用：由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合 于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、 钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。
80年代以后
美国率先研究多 传感参数融合的 车刀磨损监测系 统，利用神经网 络（ANN）进行 多传感参数特征 信号并行输入的 融合识别。
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80年代之后
美国率先研究多传感参数融合的车刀磨损监 测系统，利用神经网络（ANN）进行多传感 参数特征信号并行输入的融合识别。 清华大学在深入研究ANN，GMDH等融合 识别基础上开展了声发射和切削振动两种传 感信号多特征参数并输入的：“主-从”融 合识别车刀与立铣刀磨损及车刀、立铣刀、 钻头、丝锥破/折损综合监控仪的研究开发 和适用化研究，开发了TM-9000型刀具磨/ 破损监控仪。哈尔滨工业大学、西北工业大 学及上海交通大学都有相应的刀具状态监控 系统。
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刀具磨损状态监测方法概述
直接测量法能够识别刀刃外 观、表面质量或几何形状的 变化。一般只能在不切削时 进行，它有两个明显的缺点 ：要求停机检查；不能测出 加工过程中出现的刀具突然 破损。
刀具磨损监 测 直接测 量方法
间接测 量方法
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刀具磨损状态监测的研究现状
发展历程
80年代以前
刀具实时监控仪的研究多以 单传感参数刀具磨损监视仪 为主，典型的传感参数是声 发射、切削力、主轴功率和 红外图像等。 典型的监控仪有:日本的 EMT-I000，CHIP-55AZ，美 国 的 ATMA ， KTA 和 Cincinnati的功率监视系统， 丹麦的HZK系统及中国的DJ 一 101 ， DZJ 一 101 和 TM— 8000等

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功率监测法
功率监测法也是工业生产中应用潜力很大的方法。该 方法是通过测定主轴负荷功率或电流电压相位差及电 流波形变化等来确定切削过程中刀具是否破损。该方 法具有信号检测方便，可以避免切削环境中切屑、油、 烟、振动等因素的干扰，易于安装。 潘建岳在对加工中心钻削过程功率信号分析的基础上， 提出并采用功率数据的归原处理方法，以此建立了钻 头磨损在线监控系统； 刘晓胜将回归分析技术和模糊分类相结合，建立了镗 削切削参数与电流之间的数学模型，间接的反映刀具 磨损量与镗削切削参数的内在联系，用功率信号识别 刀具磨损量。
直接检测法概述
国内外采用的刀具磨损的直接测量法: 电阻测量法 刀具工件间距测量法 光学测量法 放电电流测量法 射线测量法 微结构镀层法 计算机图像处理法
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间接检测法概述
间接测量法利用刀具磨损或将要破损时的状态对不同 的工作参数的影响效果，测量反映刀具磨损、破损的 各种影响程度的参量。 优点：能在刀具切削时进行检测，不影响切削加工过 程。 缺点：于检测到的各种过程信号中含有大量的干扰因 素。 尽管如此，随着信号分析处理技术、模式识别技术的 发展，这一方法己成为一种主流方法，并取得了很好 的效果。
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（5）刀具材料与刀具磨损关系
刀具材料的每一次进步几乎都给机械加工业带来一 次革命 机床与刀具材料交替进展，成为切削技术不断向前 发展的历史规律 金属切削的发展史，从某种意义上说，可归结为刀 具材料的发展史
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刀具材料应具备的性能
1.高的硬度和耐磨性： 2.足够的强度和韧性：
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内容提要
. . 刀具磨损机制 研究刀具磨损监测的意义 刀具磨损状态监测的研究现状 刀具磨损状态监测方法概述 刀具磨损状态监测研究的展望
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刀具磨损机制
刀具磨损不同于一般机械零件的磨损。在刀具磨损中，与刀具表 面接触的切屑底面是活性很高的新鲜表面；刀面上的接触压力大， 温度高，因此磨损时存在机械的，热的，化学的作用以及摩擦、粘 结，扩散等现象。
（1）刀具磨损形式
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1、在切削塑性材料时，如果刀具的耐热性和耐磨 性较差，切削速度和切屑厚度较大，则在前刀面上 经常形成月牙洼磨损。 2、后刀面和工件表面的接触压力很大，存在着弹 性和塑性变形。因此，后刀面与工件之间实际上是 小面积接触，易产生磨损。在切削铸铁和以较小的 切削厚度切削塑性材料时，主要发生这种磨损。 3、这是一种兼有上述两种情况的磨损形式。在切 削塑性金属时，经常会发生这种磨损。
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刀具材料的分类： 工具钢：碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢； 硬质合金：普通硬质合金、细颗粒硬质合金 、微颗粒 硬质合金；有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和 钨钛钽（铌）类硬质合金。 陶瓷：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷； 超硬材料：立方氮化硼、金刚石。
目前,生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。 碳素 工具钢(如T10A、 T12A)、合金工具钢(如9SiCr、 CrWMn)因耐热 性差， 仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。
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间接检测法概述
国内外采用的刀具磨损的间接测量法
声发射信号测量法
切削温度测量法
切削力信号测量法
工件表面粗糙度测 量法 振动信号及多信息 融合检测
机械功率测量法
电流信号测量法
电压信号测量法
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声发射信号测量法
其原理是当固体材料在发生变形、断裂和相变时会引起应变能的 迅速释放，声发射就是随之产生的弹性应力波。当刀具破损时可 检测到幅值较高的AE信号。进入80年代以来，国内外致力于开 发和应用该技术，已获得较大成果。 在1977年Iwatak和Moriwaki提出了用声发射技术对刀具磨损 进行在线检测。在此基础上，Moriwaki提出了声发射刀具破损 检测方法。Kannatey-Asibu和Dornfeld从理论上研究了声发射 信号的频谱特征，并结合模式识别方法实现了对刀具破损的在线 监测。 我国声发射监测技术研究尽管起步较晚，但发展迅速。 黄惟公采用包络分析法求取刀具磨损中声发射信号的包络线，用 时序模型的参数作为特征值，通过神经网络对刀具磨损方程进行 辨识，实验证明效果良好； 李晓利对镗削过程中的典型AE信号进行FFT分析，通过在频域里 AE信号幅值的变化反映刀具磨损状态； 袁哲俊对切削过程中的声发射信号进行小波包分解，获取信号各 频段的能量分布，以此作为信号特征，并建立基于模糊推理的快 速神经网络模型识别刀具磨损状态。 Your site here
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研究刀具磨损监测的意义
HOW如何确定刀具磨损状态
• 根据经验建立数 学模型，再由环 境变量确定刀具 有效工作时间。 • 利用现代测试技 术，直接或间接 的测得刀具的磨 损状态。
OR
预测法
监测法
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预测法VS监测法
刀具磨损预测法 根据金属切削理论，刀具寿命分别与工件材料、刀 具材料、切削速度、背吃刀量、每齿进给量、铣削宽 度、铣刀齿数有关，且每个参数对刀具寿命的影响不 同，确定它们的估值后可以将刀具寿命值记录在每把 刀具的文件中，在加工过程中对切削时间进行累加， 通过计算机寿命管理系统可以预测刀具的寿命。 缺点：磨损量随着加工条件的不同而不同用简单累计时 间的方法，不能全面衡量刀具的磨损，会造成刀具的 保守使用，增加刀具的戚本影响效益。而且预测法也 存在这误差，对刀具的使用寿命不能做出准确有效的 实时预测。
金刚石刀具
用作刀具材料时，多用于在高速下精细车削或镗削有色金属及非 金属材料。加工铝合金、铜合金时，切速可达800～3800 m／min。
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研究刀具磨损监测的意义
随着柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系 统(CIMS) 等自动化加工系统的发展， 这就要求 系统能自动地对生产过程中所出现的故障进行在 线监测。切削加工条件的不确定性、刀具磨损的 随机性，使得刀具的在线监测成为整个生产过程 监测的重要环节。 据统计生产工程中75%以上的设备故障是由于刀 具失效引起的，因此对刀具状态进行在线监测显 得尤为重要。 刀具在线监测技术汇集了传感器技术、计算机技 术和制造技术， 能对刀具的磨损过程进行有效监 控， 为制造系统现代化、自动化、柔性化奠定了 基础。