董嵩松，梁宏斌

(遼寧科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化學(xué)院，遼寧鞍山 114051)

0 引言

在金屬銑削加工中，工件的加工效率和加工成本直接影響企業(yè)在加工行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，而隨著加工零件的日益復(fù)雜，加工要求的不斷提高。越來(lái)越昂貴切削刀具，已經(jīng)成為制約企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率的重要因素。因此刀具磨損和自適應(yīng)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。

目前的針對(duì)于自由曲面的五軸銑削加工較普通的三軸銑削加工過(guò)程更加復(fù)雜。由于加工過(guò)程中刀具的磨損，在五軸銑削加工時(shí)僅僅靠通過(guò)控制機(jī)床工作臺(tái)的水平位移或機(jī)床電動(dòng)機(jī)軸的角位移來(lái)對(duì)零件的加工精度進(jìn)行控制的方法已經(jīng)無(wú)法滿足進(jìn)一步提高加工精度的要求。且五軸銑削加工時(shí)切削力的方向是不斷變化的這又進(jìn)一步增加了對(duì)五軸銑削加工時(shí)刀具磨損監(jiān)測(cè)的難度。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)刀具磨損相關(guān)文獻(xiàn)的查閱，刀具磨損的研究仍然處于實(shí)驗(yàn)研究階段，距實(shí)際生產(chǎn)加工中的應(yīng)用還有一定的距離，其原因除了傳感器不能滿足實(shí)際加工的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求外，在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中，由于各切削參數(shù)隨著切削的進(jìn)行是不斷調(diào)節(jié)的，使刀具磨損的在線識(shí)別受到了很大的限制和制約，因此到目前為止仍未找到一個(gè)適合實(shí)際生產(chǎn)的刀具磨損狀況監(jiān)測(cè)方案。

1 五軸銑削時(shí)刀具磨損在線監(jiān)測(cè)方法分析

為了進(jìn)一步提高工件的加工質(zhì)量，更好的對(duì)五軸銑削加工過(guò)程的刀具狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)于不同的加工切削過(guò)程和不同的刀具加工狀態(tài)，相應(yīng)的出現(xiàn)了許多不同的刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。從總體來(lái)看，刀具的監(jiān)測(cè)方法主要分為直接監(jiān)測(cè)和間接監(jiān)測(cè)。由于直接監(jiān)測(cè)不能實(shí)現(xiàn)在線的監(jiān)測(cè)，并且監(jiān)測(cè)時(shí)需要停車(chē)因此直接監(jiān)測(cè)法較適合三軸加工時(shí)且加工零件較簡(jiǎn)單的狀況，已不適合現(xiàn)代化五軸加工的要求。而間接監(jiān)測(cè)由于克服了直接監(jiān)測(cè)的最大不足實(shí)現(xiàn)了在線刀具狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，具有很好的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)［1-2］。目前主要的刀具加工狀態(tài)間接監(jiān)測(cè)方法有電機(jī)電流與功率法［3］、切削力監(jiān)測(cè)法［4-5］、振動(dòng)監(jiān)測(cè)法［6］、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法［7］等。

1.1 電機(jī)電流與功率法

在銑削加工過(guò)程中，隨著刀具磨損的加劇所受的切削力變大，主軸電機(jī)的電流和功率也將發(fā)生變化。由于電機(jī)電流與功率的監(jiān)測(cè)信號(hào)與刀具的加工狀態(tài)有很好的相關(guān)性，因此，在銑削過(guò)程中電機(jī)電流與功率信號(hào)是監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)最有用的監(jiān)測(cè)信號(hào)之一。電機(jī)電流與功率監(jiān)測(cè)法的主要優(yōu)點(diǎn)是：監(jiān)測(cè)信號(hào)簡(jiǎn)單便于安裝，同時(shí)對(duì)銑削過(guò)程中的切屑、冷卻液、機(jī)床的振動(dòng)等具有很好的抗干擾能力。但是，對(duì)于五軸銑削加工時(shí)，當(dāng)?shù)毒叱叽绾颓邢饔昧枯^小時(shí)，電機(jī)電流和功率比較小，此時(shí)電機(jī)電流與功率的監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)刀具的磨損狀態(tài)的變化反應(yīng)不靈敏，具有嚴(yán)重的延遲性。并且易受加工材料和機(jī)械系統(tǒng)本身特性的影響。而加工高精度的自由曲面時(shí)五軸機(jī)床加工對(duì)系統(tǒng)的靈敏度要求較高。因此，該方法只適用于粗加工和切削用量較大的場(chǎng)合，不適合復(fù)雜的五軸銑削加工，具有一定的局限性。

1.2 切削力監(jiān)測(cè)法

切削力不僅影響銑削過(guò)程消耗的功率和工藝系統(tǒng)的變形而且影響刀具的破損、磨損和刀具的耐用度。因此，切削力監(jiān)測(cè)法是刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法中是最有價(jià)值的方法。切削力監(jiān)測(cè)法主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)切削力信號(hào)的靜態(tài)分量、動(dòng)態(tài)分量和切削分力的比值的變化來(lái)反應(yīng)刀具磨損狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)是：一、切削力信號(hào)較其它信號(hào)的幅值大，抗干擾能力強(qiáng);二、切削力信號(hào)便于監(jiān)測(cè)且監(jiān)測(cè)元件有較高的靈敏度;三、切削力信號(hào)能反應(yīng)銑削加工過(guò)程中的多種信息。因此能夠適用于切削用量較小，加工精度較高的場(chǎng)合。對(duì)于五軸數(shù)控加工由于切削力的方向是不斷變化的，在用切削力監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)時(shí)首先要進(jìn)行切削力的轉(zhuǎn)換。該方法的主要的限制是切削力傳感器在線監(jiān)測(cè)時(shí)的安裝問(wèn)題，但是隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展相信此問(wèn)題將最終獲得很好的解決。所以，切削力監(jiān)測(cè)方法是可以在實(shí)際生產(chǎn)中大力推廣的方法。

1.3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)法

刀具的破損和劇烈的磨損都將引起工藝系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)的變化，因此，振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)能夠反映刀具的磨損狀態(tài)信息。但是由于在五軸銑削加工時(shí)，受刀具的自激振動(dòng)，噪聲等其它因素的影響較大，因此，對(duì)于高精度的五軸銑削加工過(guò)程該在線的刀具磨損監(jiān)測(cè)方法的局限性比較明顯。

1.4 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

聲發(fā)射(AE)監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)監(jiān)測(cè)金屬材料發(fā)生變形或斷裂時(shí)釋放的能量在時(shí)域或頻域內(nèi)的變化來(lái)間接的監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài)的一種監(jiān)測(cè)方法。雖然聲發(fā)射監(jiān)測(cè)對(duì)刀具的破損監(jiān)測(cè)有很高的實(shí)用性，但是聲波監(jiān)測(cè)對(duì)刀具磨損很難實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。并且AE信號(hào)的處理難度大，成本也比較高。因此，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法并沒(méi)有在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛推廣。

另外，在刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，模糊技術(shù)［9］、專(zhuān)家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［8，10］等智能監(jiān)控技術(shù)也越來(lái)越受的人們的關(guān)注，但是由于該方法需要多次訓(xùn)練才能到達(dá)高精度的要求，且軟硬件成本高，并不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

2 五軸立銑刀磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也就是一個(gè)刀具狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，它包括刀具切削加工過(guò)程，傳感器檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集處理(包括特征提取)，刀具狀態(tài)診斷，信號(hào)的反饋?zhàn)R別。刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的好壞首先取決于選擇的刀具狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)能不能真實(shí)有效的反應(yīng)刀具的加工狀態(tài)。監(jiān)測(cè)信號(hào)的選取要本著以下原則：首先，便于相應(yīng)傳感器設(shè)備的安裝盡量不要改變加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);其次，選擇的監(jiān)測(cè)信號(hào)能夠更多的反應(yīng)刀具的狀態(tài)信息并具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

利用傳感器獲得刀具的狀態(tài)信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，放大，濾波，消除噪聲等預(yù)處理后，提取刀具各種工況狀態(tài)下的特征量。然后通過(guò)與設(shè)定的刀具狀態(tài)的檢測(cè)值進(jìn)行比較判斷刀具的加工狀態(tài)，當(dāng)?shù)毒吣p的監(jiān)測(cè)值超過(guò)允許的設(shè)定值時(shí)將通過(guò)反饋系統(tǒng)把監(jiān)測(cè)信號(hào)反饋給加工系統(tǒng)，進(jìn)而使系統(tǒng)做出進(jìn)一步調(diào)整。刀具加工狀態(tài)的特征量的提取方法主要有時(shí)域分析法、頻域分析法和時(shí)頻分析法。刀具狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)框圖如下：

圖1 試驗(yàn)用五軸數(shù)控機(jī)床樣機(jī)

圖2 刀具磨損在線監(jiān)測(cè)框圖

本文中我們主要是利用Kistler 9257型測(cè)力儀監(jiān)測(cè)銑削加工過(guò)程中切削力的信號(hào)進(jìn)而監(jiān)測(cè)刀具的磨損狀態(tài)。

圖3 自行設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集軟件

利用時(shí)域分析法提取刀具的狀態(tài)特征量，通過(guò)與正常狀態(tài)下的相對(duì)應(yīng)的特征量的比較判斷刀具此時(shí)的狀態(tài)，一旦反饋信號(hào)達(dá)到某個(gè)預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，控制系統(tǒng)將利用反饋環(huán)節(jié)向執(zhí)行元件發(fā)出信號(hào)使其執(zhí)行相應(yīng)的響應(yīng)，以達(dá)到監(jiān)測(cè)刀具加工狀態(tài)的目的。

圖4 利用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行

3 理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在金屬切削過(guò)程中，由于刀具的后刀面上一般都會(huì)磨損，而且它對(duì)工件的加工精度和切削力的影響比前刀面磨損更顯著，更直觀，測(cè)量也更方便。因此，在刀具管理和科研中大多采用后刀面的磨損值作為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。

刀具磨損曲線是：

圖5 刀具磨損曲線

從提高刀具的使用壽命，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)。對(duì)于粗加工的刀具以正常磨損階段終點(diǎn)的磨損量Δ作為合理的磨損限度。而對(duì)于精加工刀具往往在磨損尚未達(dá)到磨損限度Δ時(shí)工件的加工尺寸精度或表面光潔度已達(dá)不到工藝要求。故規(guī)定的磨損限度應(yīng)小于Δ并且工件的精度及表面光潔度要求越高磨損限度應(yīng)規(guī)定的越小。

通過(guò)對(duì)銑削過(guò)程進(jìn)行分析得，刀具的徑向力和切向力的代數(shù)方程為：

其中 Kte、Kre、Ktc、Krc—與工件材料、刀具材料、刀具角度等因素相關(guān)，其值通常是由實(shí)驗(yàn)獲得;其中Kte和Kre兩個(gè)系數(shù)用來(lái)描述剪切作用和前刀面的摩擦對(duì)切向和徑向切削力的作用;Ktc和Krc描述工件材料在刃口處的分離作用;hj(θ，z)—表示高度為z處刀具旋轉(zhuǎn)角為θ時(shí)的瞬時(shí)切削厚度。

又因?yàn)閷?shí)際測(cè)得的刀具所受的X、Y方向的切削力為：

有關(guān)系式可知，在利用五軸數(shù)控機(jī)床對(duì)自由曲面進(jìn)行精加工的過(guò)程中，由于此時(shí)刀具和工件已經(jīng)選定且工件的加工輪廓也已經(jīng)基本確定，因此在其他加工條件恒定的狀況下，刀具的徑向力和切向力的值只與刀具切削刃的轉(zhuǎn)角有關(guān)。而在實(shí)際加工過(guò)程中，Y方向上的切削力的最大值產(chǎn)生時(shí)的角度可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助分析或得。從而可以利用測(cè)得的切削力通過(guò)計(jì)算得到刀具的徑向力和切向力的值。

同時(shí)，隨著刀具的磨損的加劇刀具與工件間的切削條件將會(huì)變的越來(lái)越惡劣使同一切削轉(zhuǎn)角處刀具的切向力和徑向力的值將會(huì)不斷增大。刀具的切向力和徑向力的值與刀具的加工狀況息息相關(guān)。為了保證較高的加工質(zhì)量本文將通過(guò)對(duì)刀具所受切削力狀況的監(jiān)測(cè)識(shí)別刀具的磨損狀況，從而避免刀具的過(guò)渡磨損影響零件的加工質(zhì)量。

為了進(jìn)一步獲得切削力與刀具實(shí)際加工狀況之間的關(guān)系，本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床精銑加工過(guò)程進(jìn)行分析。分別對(duì)銑削寬度為8mm和銑槽時(shí)，每10min測(cè)量一組數(shù)據(jù)，通過(guò)多次測(cè)量分別獲取不同時(shí)刻Y方向上的切削力的最大值和此時(shí)X方向上的切削力的值并分別求取平均值，利用實(shí)測(cè)的瞬時(shí)切削力平均值，通過(guò)公式預(yù)測(cè)出刀具磨損時(shí)的切向力Ft的值和徑向力Fr的值。并利用MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。銑削寬度為8mm和銑槽時(shí)切削力的變化趨勢(shì)如圖6和圖7所示。

圖6 切削寬度為8mm時(shí)切削力控制前后徑向力與切向力的變化趨勢(shì)

在銑削過(guò)程中對(duì)刀具磨損的研究一般以刀具后刀面的磨損量為依據(jù)。而后刀面主要受徑向力和切向力的作用。隨著刀具后刀面不斷磨損，后刀面與工件間的的接觸面積不斷增大，導(dǎo)致刀具和工件材料間的擠壓作用不斷加強(qiáng)，從而使刀具后刀面所受的壓力(即，徑向力)增大。有圖3和圖4可以看出，在金屬銑削過(guò)程中刀具的切向力與徑向力隨著刀具磨損的加劇切向力和徑向力的值是不斷增大的，但是同一切削時(shí)刻徑向力變化比切向力的變化要大的多。這是因?yàn)樵S多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，刀具和工件之間的銑削過(guò)程主要表現(xiàn)是晶體的滑移過(guò)程，所以后刀面的磨損量對(duì)摩擦力(即，切向力)的影響較后刀面的壓力要小，所以當(dāng)進(jìn)給速度變化時(shí)徑向力的變化要比切向力的變化大。

圖7 銑槽時(shí)切削力控制前后徑向力與切向力的變化趨勢(shì)

分別對(duì)切削力控制前后測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得：

圖8 切削寬度為8mm時(shí)切削力控制前后徑向力與切向力的比值的變化趨勢(shì)

圖9 銑槽時(shí)切削力控制前后徑向力與切向力的比值的變化趨勢(shì)

從圖8(a)和圖9(a)中可以看出，在未對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行控制時(shí)隨著切削的繼續(xù)刀具不斷磨損，切削力的比值是不斷增大的，并且當(dāng)徑向力與切向力的比值大于4.15時(shí)其變化較劇烈。從圖8(b)和圖9(b)中可以看出，當(dāng)對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)雖然切削力的值隨切削厚度的變化影響較大，但是切削分力的比值與控制前的值相比變化不大，且切削力的比值在整個(gè)加工過(guò)程中變化趨勢(shì)平緩。通過(guò)圖5、圖8和圖9中可以看出，切削力的比值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)和刀具的磨損與時(shí)間的變化趨勢(shì)一樣都是隨時(shí)間不斷增大的存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，本文通過(guò)五軸數(shù)控銑削控制前后切削力比值的變化趨勢(shì)的分析，在對(duì)刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)可以利用切削力的比值作為判斷刀具狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。在精銑加工時(shí)由于切削用量的值已經(jīng)基本確定。因此切削力分量比值的方法理論上可以用于精銑加工時(shí)刀具加工狀況的在線監(jiān)測(cè)。其中監(jiān)測(cè)值與刀具－工件材料、刀具螺旋角、偏轉(zhuǎn)角以及切削用量有關(guān)，所以往往需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)提前獲得。

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)不同加工狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較可知，在利用五軸數(shù)控機(jī)床對(duì)自由曲面進(jìn)行精銑加工時(shí)，以銑削時(shí)刀具所受的徑向力與切向力的比值作為刀具磨損狀態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)能夠有效的識(shí)別刀具的磨損狀態(tài)。在一定程度上減少了停車(chē)次數(shù)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了加工效率，有助于數(shù)控加工進(jìn)一步滿足市場(chǎng)的需求。

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