刀具监控应用背景随着生产自动化和智能化程度的提高，对刀具破损在线监控提出了更高的要求。在切削加工过程中，刀具的切削刃不仅承受着很高的切削力和切削温度，同时由于加工材料中含有的硬质点也会给高速运行中的刀具造成冲击，这些复杂的工况都容易造成刀具在加工过程中的破损。加工过程中破损的刀具如果未及时更换而继续加工将会导致切削力和切削温度急剧升高，加工出来的工件表面粗糙度和尺寸超差，严重时甚至会导致机床的损坏以及危及到操作人员。因此对于生产线批量生产刀具破损在线监控是非常有必要的。近年来随着生产人工成本的增加，制造企业对机械加工过程的效率要求越来越高，这种市场的要求使得越来越多的机械制造企业将更大的资金投入到自动化程度更高、智能化程度更高的数控生产线的应用领域。虽然这些先进的生产模式大大的节约了人工成本，提高了加工效率，但是对工艺系统的实时监控提出了很高的要求。工艺系统中对刀具的监控是＊关键的，刀具的状态不仅影响产线节拍、还关系到产线的加工效率以及机床等工艺系统的安全。传统的机械加工方式中刀具的状态一般都是凭借机床操作人员的观察与经验判断刀具是否破损，这种判断方法带有很强的主观性。随着生产车间自动化和智能程度的大大提高，车间的生产线大多数都是由很少的人来管理或者智能化更高的产线甚至出现无人值守，显然传统的依靠机床操作人员个人经验来判断切削过程中刀具的是否需要更换已经不能满足当前这些先进的制造模式。当前很多的生产线都是统计刀具当前的加工时间或加工件数作为换刀的依据，而这种方法作为换刀的依据往往在设置加工件数或加工时间的时候较为保守，很可能会导致刀具寿命的浪费，同时如果在刀具寿命内出现刀具突然的破损也是无法预测的。刀具失效主要形式有刀具磨损和刀具破损。在加工过程中刀具的磨损是一个逐渐变化的过程，只要是运动中的刀具与工件接触就会发生刀具磨损。一般刀具都有一个磨钝标准，刀具在切削过程中没有达到该磨钝标准就失去了切削加工的能力，这种现象就是刀具破损。以刀具在切削加工中破损现象出现的时间来划分，刀具破损有前期破损和后期破损之分。在刚开始切削加工时切削刃和刀面并没有出现明显的磨损但是刀具失去了切削能力，刀具出现的这种现象称为前期破损。刀具后期破损则是刀具在切削一段时间后导致的刀具失去切削能力。刀具破损的另一种划分是根据破损形式分为塑性破损与脆性破损。

 1．刀具磨损的形态（1）前刀面磨损 切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼，这种磨损形式称作前刀面磨损。出现月牙洼的部位就是切削温度＊高的部位。月牙洼和切削刃之间有一条小棱边，月牙洼随着刀具磨损不断变大，当月牙洼扩展到使棱边变得很窄时，切削刃强度降低，极易导致崩刃。月牙洼磨损量以其深度KT表示。（2）后刀面磨损 由于后刀面和加工表面间的强烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位会逐渐地被磨成后角为零的小棱面，这种磨损形式称作后刀面磨损。切削铸铁和以较小的切削厚度、较低的切削速度切削塑性材料时，后刀面磨损是主要形态。后刀面上的磨损棱带往往不均匀，刀尖附近因强度较差，散热条件不好，磨损较大；中间区域磨损较均匀，其平均磨损宽度以VB 表示。（3）边界磨损 切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处和副切削刃靠近刀尖处的后刀面上磨出较深的沟纹，这种磨损称作边界磨损。沟纹的位置在主切削刃与工件待加工表面、副切削刃与已加工表面接触的部位。2．刀具磨损机制（1）硬质点划痕 由工件材料中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等在刀具表面上划出一条条沟纹，造成机械磨损。硬质点划痕在各种切削速度下都存在，它是低速切削刀具产生磨损的主要原因。（2）冷焊粘结 切削时，切屑与前刀面之间由于高正压力和高温度的作用，切屑底面材料与前刀面发生冷焊粘结形成冷焊粘结点，在切屑相对于刀具前刀面的运动中冷焊粘结点处刀具材料表面微粒会被切屑粘走，造成粘结磨损。上述冷焊粘结磨损机制在工件与刀具后刀面之间也同样存在。在中等偏低的切削速度条件下，冷焊粘结是产生磨损的主要原因。（3）扩散磨损 切削过程中，刀具后刀面与已加工表面、刀具前刀面与切屑底面相接触， 由于高温和高压的作用，刀具材料和工件材料中的化学元素相互扩散，使刀具材料化学成分发生变化，耐磨性能下降，造成扩散磨损。例如，用硬质合金刀具切削钢质工件时，切削温度超过800℃，硬质合金刀具中的Co、C、W等元素就会扩散到切屑和工件中去，由于Co元素减少，硬质相的粘结强度下降，导致刀具磨损加快。扩散磨损在高温下产生，且随温度升高而加剧。（4）化学磨损 在一定温度作用下，刀具材料与周围介质起化学作用，在刀具表面形成硬度较低的化合物，易被切屑和工件擦掉造成刀具材料损失，由此产生的刀具磨损称为化学磨损。化学磨损主要发生在较高的切削速度条件下。

一、概述  随着时代的发展，科技的进步，企业对生产的优化，自动加工设备的广泛运用使得自动批量加工模式越来越普及。但在切削加工过程中由于刀具磨损状态的不可控性，便容易引起不良或是批量废品的异常现象。因此客户往往采用固定加工次数换刀来避免此类状况，却任需在加工过程中定时多次检查刀具状态以及工件各尺寸的要求。  刀具监控系统能够实时记录刀具/砂轮加工过程中的信号变化，据此确定优化的换刀时间，提醒操作人员进行换刀，同时也可用于评价刀具性能。二，工作原理通过加工过程中的功率，振动和声音三种模式来进行实时检测磨损情况：1，功率：通过安装功率传感器在加工过程中实时测量功率信号，利用功率信号处理算法对功率进行分析和识别，判断刀具磨损情况。2，振动：通过安装震动传感器在加工过程中实时检测振动信号，利用振动信号处理算法对振动进行分析和识别，判断刀具磨损情况。3，声音：利用高灵敏度声学传感器实时检测刀具磨损时产生的声音信号，利用声学信号处理算法对声学进行分析和识别，判断刀具磨损情况。特点：1，提供三种特征进行刀具磨损监控。2，学习一把新刀和磨损刀具的功率曲线，即可生成监控边界。3，可长期记录刀具磨损的特征曲线，可用于刀具性能的评估，为客户提供成本决策。三，产品效果和价值1，生产过程中为保证加工工件质量，通常选择保守使用刀具，无法＊大化的利用刀具。刀具磨损监控系统通过刀具加工工件所产生的信号变化，来判断当前刀具状态，提高刀具寿命、节省成本。2，通过设置刀具的磨损极限，实时监测刀具的磨损状态，当刀具的磨损到达极限时，及时给出换刀信号，避免因为刀具提前失效而导致的零件批量性缺陷。3，通过刀具磨损监控系统采集到的实时加工数据进行对比分析，可以评价刀具的性能。通过实时检测判断刀具磨损的情况，及时更换磨损的刀具，避免加工材料的损耗，时间的流失以及设备的损坏等，因刀具磨损产生的加工质量下降的问题。四，产品适用范围  刀具磨损监控系统适用于各种（磨削、车削、铣削、钻孔、铰孔、镗孔、攻丝等）形式的加工场景，更适用于如汽车制造，航天航空等领域的批量加工生产。五、总结刀具磨损监控系统是一项重要的技术，可以帮助企业提高生产效率和产品质量。通过各项检测技术的广泛应用和不断进步，刀具磨损监控系统也在日益创新发展，为工业生产带来更大的便利和效益。

（1）加工硬化严重：在不锈钢中，以奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢的加工硬化现象＊为突出。（2） 切削力大：不锈钢在切削过程中塑性变形大。（3）切削温度高：切削时塑性变形及与刀具间的摩擦都很大，产生的切削热多。（4）切屑不易折断、易粘结：不锈钢的塑性、韧性都很大，车加工时切屑连绵不断，不仅影响操作的顺利进行，切屑还会挤伤已加工表面。  (5)刀具易磨损：切削不锈钢过程中的亲和作用，使刀—屑间产生粘结、扩散，从而使刀具产生粘结磨损、扩散磨损，致使刀具前刀面产生月牙洼，切削刃还会形成微小的剥落和缺口。  (6) 线膨胀系数大：不锈钢的线膨胀系数约为碳素钢的1.5倍，在切削温度作用下，工件容易产生热变形，尺寸精度较难控制。耐腐蚀性：耐腐蚀性指的是抗腐蚀能力，比如对抗外部因素中的湿气、湿度的能力。延展性：延展性与韧性没有任何关系，其特性的特点是钢材的柔韧性能，在负载下不会断裂。硬度：硬度是我们常说的一点，指钢材中存在的碳含量。它的特点是使钢材具有抵抗长期变形的能力。一般情况下，硬度和韧性具有相反的关系。不过也不尽然，这也取决于制造商对于钢材的处理。可制造性：该特性是指钢材从简单到复杂的各种程序中制刀能力。稳定性：选择刀片钢材时，稳定性通常是＊重要的考虑因素，它是衡量刀刃锋利性的能力。韧性：出色的钢材在极端应力下能吸收冲击力。耐磨性：指钢的耐磨损能力。

刀具破损的表现1） 切削刃微崩当工件材料组织、硬度、余量不均匀，前角偏大导致切削刃强度偏低，工艺系统刚性不足产生振动，或进行断续切削，刃磨质量欠佳时，切削刃容易发生微崩，即刃区出现微小的崩落、缺口或剥落。出现这种情况后，刀具将失去一部分切削能力，但还能继续工作。继续切削中，刃区损坏部分可能迅速扩大，导致更大的破损。2） 切削刃或刀尖崩碎这种破损方式常在比造成切削刃微崩更为恶劣的切削条件下产生，或者是微崩的进一步的发展。崩碎的尺寸和范围都比微崩大，使刀具完全丧失切削能力，而不得不终止工作。刀尖崩碎的情况常称为掉尖。3） 刀片或刀具折断当切削条件极为恶劣，切削用量过大，有冲击载荷，刀片或刀具材料中有微裂，由于焊接、刃磨在刀片中存在残余应力时，加上操作不慎等因素，可能造成刀片或刀具产生折断。发生这种破损形式后，刀具不能继续使用，以致报废。4） 刀片表层剥落对于脆性很大的材料，如TiC含量很高的硬质合金、陶瓷、PCBN等，由于表层组织中有缺陷或潜在裂纹，或由于焊接、刃磨而使表层存在着残余应力，在切削过程中不够稳定或刀具表面承受交变接触应力时极易产生表层剥落。剥落可能发生在前刀面，刀可能发生在后刀面，剥落物呈片状，剥落面积较大。涂层刀具剥落可能性较大。刀片轻微剥落后，尚能继续工作，严重剥落后将丧失切削能力。5） 切削部位塑性变型具钢和高速钢由于强度小硬度低，在其切削部位可能发生塑性变型。硬质合金在高温和三向压应力状态直工作时，也会产生表层塑性流动，甚至使切削刃或刀尖发生塑性变形面造成塌陷。塌陷一般发生在切削用量较大和加工硬材料的情况下。TiC基硬质合金的弹性模量小于WC基硬质合金，故前者抗塑性变形能力加快，或迅速失效。PCD、PCBN基本不会发生塑性变形现象。6） 刀片的热裂当刀具承受交变的机械载荷和热负荷时，切削部分表面因反复热胀冷缩，不可避免的产生交变的热应力，从而使刀片发生疲劳而开裂。例如，硬质合金铣刀进行高速铣削时，刀齿不断受到周期性地冲击和交变热应力，而在前刀面产生梳状裂纹。可以采取以下措施避免1、提高切削速度2、使用刃口更锋利的钻头3、使用外冷却系统4、仔细检测运行情况，防止刀尖崩刃5、检查夹具和刀柄，确保两者的稳定及牢固程度。6、检查径向跳动量和切削液的供应量7、降低给进率。怎么避免刀面出现较大磨损和切削崩刃情况1、降低线速度，或者提高进给速度2、更换更高硬度材质的刀具3、增加切削液的供应量，降低刀具磨损程度4、检查刀具装夹稳定性是否满足加工操作。5、在允许磨损范围内技术更换钻头。