刀具状态检测方法

刀具状态检测方法

1.1直接测量法

直接测量法能够识别刀刃外观、表面品质或几何形状变化, 一般只能在不切削时进行。它有两个明显的缺点: 一是要求停机检测, 占用生产工时; 二是不能检测加工过程中出现的刀具突然损坏, 使其应用受到限制。

主要方法有: 电阻测量法、刀具工件间距测量法、射线测量法、微结构镀层法、光学测量法、放电电流测量法、计算机图像处理法等。

a)电阻测量法

该方法利用待测切削刃与传感器接触产生的电信号脉冲, 来测量待测刀具的实际磨损状态。该方法的优点是传感器价格低, 缺点是传感器的选材必须十分注意, 既要有良好的可切削性, 又要对刀具寿命无明显的影响。该方法的另一个缺点是工作不太可靠, 这是因为切屑和刀具上的积屑可能引起传感器接触部分短路, 从而影响精度。

b) 刀具工件间距测量法

切削过程中随着刀具的磨损, 刀具与工件间的距离减小, 此距离可用电子千分尺、超声波测量仪、气动测量仪、电感位移传感器等进行测量。但是这种方法的灵敏度易受工件表面温度、表面品质、冷却液及工件尺寸等因素的影响, 使其应用受到一定限制。

c) 射线测量法

将有放射性的物质掺入刀具材料内, 当刀具磨损时,放射性的物质微粒就会随切屑一起通过一个预先设计好的射线测量器。射线测量器中所测得的量是同刀具磨损量密切相关的, 射线剂量的大小就反映了刀具磨损量的大小。该法的最大弱点是, 放射性物质对环境的污染大, 对人体健康非常不利。此外, 尽管此法可以测量刀具的磨损量, 并不能准确地测定刀具切削刃的状态。因此, 该法仅适用于某些特殊场合, 不宜广泛采用。

d) 微结构镀层法

将微结构导电镀层同刀具的耐磨保护层结合在一起。微结构导电镀层的电阻随着刀具磨损状态的变化而变化,磨损量越大, 电阻就越小。当刀具出现崩齿、折断及过度磨损等现象时, 电阻趋于零。该方法的优点是检测电路简单, 检测精度高, 可以实现在线检测。缺点是对微结构导电镀层的要求很高: 要具有良好的耐磨性、耐高温性和抗冲击性能.

e) 光学测量法

光学测量法的原理是磨损区比未磨损区有更强的光反射能力, 刀具磨损越大, 刀刃反光面积就越大, 传感器检测的光通量就越大。由于热应力引起的变形及切削力引起的刀具位移都影响检测结果, 所以该方法所测得的结果井非真实的磨损量, 而是包含了上述因素在内的一个相对值, 此法在刀具直径较大时效果较好。

f) 放电电流测量法

将切削刀具与传感器之间加上高压电, 在测量回路中流过的(弧光放电) 电流大小就取决于刀刃的儿何形状( 即刀尖到放电电极间的距离) 。该方法的优点是可以进行在线检测, 检测崩齿、断刀等刀具几何尺寸的变化, 但不

能精确地测量刀刃的几何尺寸。

g ) 计算机图像处理法

计算机图像处理法是一种快捷、无接触、无磨损的检测力法, 它可以精确地检测每个刀刃上不同形式的磨损状态。这种检测系统通常由CCD 摄像机、光源和计算机构成。但由于光学设备对环境的要求很高, 而实际生产中刀具的工作环境非常恶劣(如冷却介质、切屑等) , 故该方法目前仅适用于实验室自动检测。

1.2间接测量法

间接测量法是利用刀其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, 能在刀具切削时检测, 不影响切削加工过程, 其不足之处在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, 这一方法已成为一种主流方法, 并取得了很好的效果。

主要方法有: 切削力检测法、声发射检测法、功率信号检测法、振动信号检测法、切削温度测量法、电流信号测量法、热电压测量法、工件表面粗糙度测量法等。

a) 切削力检测法

刀具在切削过程中, 切削力的增长速率与刀具磨损速率成线性关系。在正常磨损过程中, 切削力的增长速率保持恒量; 当切削力增长速率变大时, 刀具的磨损速率也将变大, 表明刀具开始进入剧烈的磨损阶段。以此为依据可以对刀具的磨损进行监测。利用测力传感器, 可以测量切削力的变化。随着刀具磨损的加剧, 切削力也会产生相应的变化, 从而可以间接地检测到刀具的磨损状态。

该法的优点是具有较好的抗干扰能力和较高的识别精度, 可以实现在线检测。缺点是传感器的安装需要对机床作些改动, 不易被用户接受。

b) 声发射检测法

此法通过分析切削过程中产生的振动信号来间接地测量刀具的磨损状态。其原理是材料在切削过程中, 形成切屑, 同时发出一种断裂波, 这种波除了同工件材料本身的性质有关外, 其频率范围及幅值还同刀具的磨损状态密切相关。声发射信号直接来源于切削加工点, 与刀具破损相关程度高, 受切削条件变化影响小, 能预报刀具破损。声发射监控技术具有灵敏度高、响应速度快、使用和安装方便且不干涉切削加工过程等优点, 受到了极大程度地重视与

开发, 有较广阔的应用前景。

c) 功率信号检测法

该检测法是工业生产中应用潜力很大的方法。利用切削加工时机床主运动电动机的功率信号监控刀具的状态, 当刀具在加工过程中发生磨损破损或其它失效时, 会引起驱动电动机的功率发生变化, 从而可判断刀具状态的化。在使用该法时, 通常是把功率传感器串接到机床的驱动电路中去, 可以测量主轴的功耗, 也可以测量进给系统的功耗, 或者两者同时测量。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。

d) 振动信号检测法

振动信号被认为是对刀具磨损, 破损敏感度较高的一种, 它与切削力、切削系统本身的动态性密切相关, 检测振动加速度是目前较常采用的一种监测方法, 在振动工程中使用更为普遍, 它具有传感器安装方便, 测量信号易于引出, 测试仪器简单等特点。

e) 切削温度测量法

切削热是金属切削过程中的一种重要现象, 刀具的磨损或破损会导致切削温度急剧升高。用热电偶作为传感元件, 把热电偶嵌入刀具中测量切削温度, 可以实现刀具状态的在线监测, 但这种方法的发展前途不大。

f) 电流信号测量法

该方法简称MCSA ( m otor current signal ana lys is), 利用感应电动机的定子电流作为信号分析的切入点, 研究其特征与故障的对应关系。其基本原理是: 随着刀具磨损的增大, 切削力矩增大, 机床所消耗的功率增大或电流上升,故可实现在线地监测刀具磨损。

M CSA具有测试便利、信息集成度高、传动路径直接、信号提取方便、不受加工环境的影响、价格低、易于移植等特点, 在机床这种传动系统封闭、一般传感器比较困难安装的场合, 应该是一种值得探索的方法。

g ) 热电压测量法

热电压测量法利用热电效应原理, 即两种不同导体的接触点在受热时, 将在两导体的另一端之间产生一个电压, 这个电压的大小取决于导体的电特性及接触点与自由端之间的温度差。当刀具和加工工件是由不同的材料构成时, 在刀具与工件之间就可以产生一个与切削温度相关的热电压。这个电压就可以作为刀具磨损量的一个度量,因为随着刀具磨损量的增大, 热电压也随之增大。该方法的优点是价格便宜, 精度较高, 使用简便, 特别适用于高速加工区, 缺点是对传感器材料及精度要求高,只能进行间隔式检测。

h) 工件表面粗糙度测量法

随着刀具磨损或破损的不断发生, 工件的表面粗糙度呈增大趋势, 据此可间接评价刀具的磨损或破损状态。其测量方法有两类: 一类是采用划针式静态接触测量, 可直接得出表面粗糙度的评价参数Ra 或Rz, 该方法仅适用于静态测量; 另一类是采用非接触式光学反射测量, 得出的是工件表面粗糙度的相对值。这种方法测试效率高, 不会损伤工件表面品质, 但受加工过程中切削液、切屑、材质、振动等因素的影响, 因此尚未达到实用水平。