刀具磨损及状态检测

• 故障状态则是指设备性能指标已有大的下降，设 备已不能维持正常工作。
• 设备的故障状态尚有严重程度之分，包括已有 故障萌生并有进一步发展趋势的早期故障；程 度尚不很重，设备尚可勉强“带病”运行的一 般功能性故障；已发展到设备不能运行必须停 机的严重故障；已导致灾难性事故的破坏性故 障，以及由于某种原因瞬间发生的突发性紧急 故障等。 • 对应不同的故障，应有相应的报警信号，一般 用指示灯光的颜色表示，绿灯表不正常，黄灯 表示预笛，红灯表示报警。对设备状态演变的 过程均应有记录，包括对灾难性破坏事故的状 态信号的存储、记忆功能，以利事后分析事故 原因。
3.刀具磨损过程
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)。
（1）初期磨损阶段 • 这一阶段磨损曲线的斜率较大。由于刃磨后的新 刀具，其后刀面与加工表面间的实际接触面积很 小，压强很大，故磨损很快。新刃磨后的刀具面 上的微观粗糙度也加速了磨损。初期磨损量的大 小与刀具刃磨质量有很大关系，通常在 VB=0.05~0.1mm之间。经过研磨的刀具，其初期磨 损量小，而且要耐用得多。
2.状态的分类
• 通常设备的状态可分为正常状态、异常状态和故 障状态几种情况。 • 正常状态指设备的整体或其局部没有缺陷，或虽 有缺陷但其性能仍在允许的限度以内。
• 异常状态指缺陷已有一定程度的扩展，使设备状 态信号发生一定程度的变化，设备性能已劣化， 但仍能维持工作；此时应注意设备性能的发展趋 势，即设备应在监护下运行。
（3）前刀面和后刀面同时磨损
• 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。
2.刀具磨损的原因
• 切削过程中的刀具磨损具有下列特点： • （a）刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜 表面。 • （b）接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈 服强度。 • （c）接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可 达800~1000度，对于高速钢刀具可300~600度。 在上述条件下工作，刀具磨损经常是机械的、热 的、化学的三种作用的综合结果，可以产生磨料 磨损、冷焊磨损、扩散磨损和氧化磨损。
• 于是，硬质合金表面发生贫碳、贫钨现象。粘 结相钴的减少，又使硬质合金中硬质相（WC、 TiC））的粘结强度降低。切屑、工件中的铁 和碳则向硬质合金中扩散，形成新的低硬度、 高脆性的复合碳化物。所有这些，都使刀具磨 损加剧。 • 碳化物能溶解到钢（切屑、工件）中，这是扩 散的另一种形式。如硬质合金中WC的转移，硬 质合金中的WC颗粒进入钢层中将被切屑带走。
• 上海交通大学在声发射刀具切削状态监测等方 面也开展了深入研究。 • 东南大学黄仁、钟秉林等人在刀具寿命管理、 磨削烧伤辨识、车削状态监测等方面运用模式 识别等理论做了深入研究 。 • 哈尔滨工业大学姚英学、袁哲俊等人就钻削加 工过程与切削状态监测提出了多参数、多模型 监测系统及声发射监测系统等。
（2）正常磨损阶段 • 经过初期磨损，后刀面上被磨出一条狭窄的棱面， 压强减小，故磨损量的增加也缓慢下来，并且比 较稳定。这就是正常磨损阶段，也是刀具工作的 有效阶段。这一阶段中磨损曲线基本上是一条向 上的斜线，其斜率代表刀具正常工作时的磨损强 度。磨损强度是比较刀具切削性能的重要指标之 一。
（3）剧烈磨损阶段 • 刀具经过正常磨损阶段后，切削刃显著变钝，切 削力增大，切削温度升高。这时刀具的磨损情况 发生了质的变化而进入剧烈磨损阶段。这一阶段 的磨损曲线斜率很大，即磨损强度很大。此时刀 具如继续工作，则不但不能保证加工质量，而且 刀具材料消耗多，经济上是不合算的。故应当使 刀具避免发生剧烈磨损。
(4)氧化磨损
• 当切削温度达700~800度时，空气中的氧便与 硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化 作用，产生较软的氧化物（如Co3O4、CoO、WO3、 TiO2等）被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称 为氧化磨损。氧化磨损与氧化膜的黏附强度有 关，黏附强度越低，则磨损越快；反之则可减 轻这种磨损。一般，空气不易进入刀-屑接触 区，氧化磨损最容易在主、副切削刃的工作边 界处形成，在这里的后刀面（有时在前刀面） 上划出较深的沟槽，这是造成边界磨损的原因 之一。
• 一般说来，工件材料或切屑的硬度较刀具材料的 硬度为低，冷焊结的破裂往往发生在工件或切屑 这一方。但由于交变应力、接触疲劳、热应力以 及刀具表层结构缺陷等原因，冷焊结的破裂也可 能发生在刀具这一方，这时，刀具材料的颗粒被 切屑或工件带走，从而造成刀具磨损。
• 冷焊磨损一般在中等偏低的切削速度下比较严 重。研究表明：脆性金属比塑性金属的抗冷焊 能力强；相同的金属或晶格类型、晶格间距、 电子密度、电化学性质相近的金属，其冷焊倾 向大；多相金属比单相金属冷焊倾向小；金属 化合物比单相固溶体冷焊倾向小；化学元素周 期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。 • 在高速钢刀具正常工作的切削速度和硬质合金 刀具偏低的切削速度下，正能满足产生冷焊的 条件，故此时冷焊磨损所占的比重较大。提高 切削速度后，硬质合金刀具冷焊磨损减轻。
（2）后刀面磨损 • 由于加工表面和后刀面间存在着强烈的摩擦，在 后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零 的小棱面，这种磨损形式叫做后刀面磨损。在切 削速度较低、切削厚度较小的情况下切削塑性金 属以及加工脆性金属时，一般不产生月牙洼磨损， 但都存在着后刀面磨损。 • 在切削刃参加切削工作的各点上，后刀面磨损是 不均匀的。在刀尖部分由于强度和散热条件较差， 因此磨损较为剧烈。在切削刃上靠近工件外表面 处，由于上道工序的加工硬化层或毛坯表面硬层 的影响及该区刀具上用有急剧的应力梯度和温度 梯度等原因，往往使该区切削刃连同后刀面产生 较大的磨损沟，而形成缺口。
（1）前刀面磨损（月牙洼磨损） • 在切削速度较高、切削厚度较大的情况下加工塑 性金属，当刀具的耐热性和耐磨性稍有不足时， 切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼（如上 图）。在前刀面上相应于产生月牙洼的地方，其 切削温度最高，因此磨损也最大，从而形成一个 凹窝（月牙洼）。月牙洼和切削刃之间有一条小 棱边。在磨损的过程中，月牙洼宽度逐渐扩展。 当月牙洼扩展到使棱边变得很窄时，切削刃的强 度大为削弱，极易导致崩刃。月牙洼磨损量以其 深度表示。
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• 磨料磨损在各种切削速度下都存在，但对低速 切削的刀具（如拉刀、板牙等），磨料磨损是 磨损的主要原因。这是因为低速切削时，切削 温度比较低，由于其他原因产生的磨损尚不显 著，因而不是主要的。高速钢刀具的硬度和耐 磨性低于硬质合金、陶瓷等，故其磨料磨损所 占的比重较大。
（2）冷焊磨损 • 切削时，切屑、工件与前、后刀面之间，存在很 大的压力和强烈的摩擦，因而它们之间会发生冷 焊。由于摩擦副之间有相对运动，冷焊结将产生 破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。
刀具磨损的状态检测
综述
• 内容提要 • 1.刀具磨损及相关机理 • 2.状态检测及相关知识 • 3.刀具切削状态监控与诊断所取得的成 果 • 4.刀具磨损状态监测的研究现状及发展 趋势
刀具磨损及相关机理
1.刀具磨损的形态
在切削过程中，前刀面、后刀面不断与切屑、 工件接触，在接触区里发生着强烈的摩擦，同 时在这接触区里又有很高的温度和压力。因此， 前刀面和后刀面随着切削的进行都会逐渐产生 磨损。
• 扩散系数D与温度有如下关系：D=D0exp（Q/Rθ ）„„„„„„（2） • 式中D0——扩散常数，它与金属的晶格类型和 扩散的原子振动频率有关； • R——气体常数； • θ ——绝对温度； • Q——扩散激活能。它是原子脱离某位置所必 须逾越的能垒值。
• 由式（2）可知，扩散系数随着温度的升 高而大幅度增加。
(3)扩散磨损 • 扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑、工 件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下 相互扩散，改变了材料原来的成分与结构，使刀 具表层变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。 • 例如用硬质合金切钢时，从800度开始，硬质合金 中的钴便迅速地扩散到切屑、工件中去，WC分解 为钨和碳后扩散到钢中。因切屑、工件都在高速 运动，它们和刀具的表面在接触区保持着扩散元 素的浓度梯度，从而使扩散现象持续进行。
• 观测前刀面磨损量（月牙洼深度），其磨损曲线 也可出现类似上述的三个阶段。
状态检测及相关知识
1.状态检测的任务
状态监测的任务是了解和掌握设备的运行状态， 包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方 法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对 设备运行状态进行评估，判断其处于正常或非正 常状态，并对状态进行显示和记录，对异常状态 做出报警，以便运行人员及时加以处理，并为设 备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作 提供信息和准备基础数据。
• 除刀具、工件材料自身的性质以外，温度是 影响扩散磨损的最主要的因素。根据金属物 理学的理论，固态下金属原子从浓度高的区 域向浓度低的区域流动的规律，可用菲克方 程来描述。取x轴平行于浓度梯度，则该方程 可用下式表示： c • J D（ x ） „„„„„„（1） • J——扩散通量，表示单位时间内通过垂直于 χ 轴的单位面积平面的原子通量； c • x ——沿χ 轴的浓度梯度； • D——扩散系数，表示浓度梯度为1时的扩散 通量。
（1）磨料磨损 • 切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但其结 构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点，能 在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。硬质 点有碳化物（如Fe3C、TiC、VC等）、氮化物（如 TiN、Si3N4等）、氧化物（如SiO2、Al2O3等）和 金属间化合物。 • 高速钢车刀切削含Ti的奥氏体不锈钢工作时，切 屑与前刀面的摩擦情况。切屑中的Ti（C，N）颗 粒在刀具表面上起耕犁作用。除了前刀面会有磨 料磨损外，在后刀面上，同样可以发现有由于磨 料磨损而产生的沟纹。
• 硬质合金中，钛元素的扩散率远低于钴、钨， TiC又不易分解，故在切钢时YT类合金。TiC基、 Ti（C、N）基合金和涂层合金（涂覆TiC或TiN） 则更佳。硬质合金中添加钽、铌后形成固溶体 （W，Ti，Ta，Nb）C，也不易扩散，从而提高 了刀具的耐磨性。 • 扩散磨损往往与冷焊磨损、磨料磨损同时产生， 此时磨损率很高。前刀面上离切削刃有一定距 离处的温度最高；该处的扩散作用最强烈，于 是在该处形成月牙洼。高速钢刀具的工作温度 较低，与切屑、工件之间的扩散作用进行得比 较缓慢，故其扩散磨损所占的比重远小于硬质 合金刀具。
• 下图为故障诊断的一般流程，状态检测属于故障 诊断的一部分
3.刀具切削状态监控与诊断所取得的成果
• （1）国内取得的成就 • 清华大学万军口对切削状态监测进行了述评， 给出了刀具状态检测的直接法和间接法的状态 信号与特征参数一览表，并进行了具体分析。 • 西安交通大学做了许多有益的探讨。提出了车 削分力比监测、频段相干函数法等多种监测模 型。 • 华中理工大学则在切削状态的AR模型监测、切 削颤振监测与控制等方面做了大量的开拓性工 作。
• 用金刚石刀具切削钢、铁材料，当切削温度高 于700度时，金刚石中的碳原子将以很大的扩 散强度转移到工件表面层形成新的铁碳合金， 而刀具表面石墨化，从而形成严重的扩散磨损。 但金刚石刀具与钛合金之间的扩散作用较小。 • 用氧化铝陶瓷和立方碳化硼刀具切削钢材，当 切削温度高达1000~1300度时，扩散磨损尚不 显著。
(5)热电磨损 • 工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触 区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用 而加速刀具磨损。这种在热电势的作用下产生的 扩散磨损，称为“热电磨损”。试验证明，若在 刀-工接触处通以与热电势相反的电动势，可减少 热电磨损。 • 总之，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件 下，磨损原因和磨损强度是不同的。硬质合金加 工刀具加工钢料时，在不同的切削速度（切削温 度）下各类磨损所占的比重不同。具体可归纳为： 对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨 损具有决定性的影响。高温时扩散和氧化磨损强 度高；在中低温时冷焊磨损占主导地位；磨料磨 损则在不同的切削温度下都存在。