切削力监测刀具磨损的一种方法

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金属切削刀具的磨损与磨损状态直接影响着机械加工的精度、效率及经济效益，因此刀具磨损状态的监控越来越引起人们的重视。刀具磨损的在线监测是柔性制造系统研究工程的一个重要课题。近年来国内外在这方面的研究进展很快，发布的就有数10种方法，然而能适用于生产的还很少。有的方法虽可用于实际生产，但却因其对工况提出的非常苛刻的要求和限制，难以推广应用。由于切削力能直接反映加工过程中的动态行为，因而用切削力信号能间接监测刀具工作状态和磨损量，引起人们的关注。但是已有的用切削力信号监测刀具磨损的诸多方法(如均值监测法、方差监测法、AR模具监测法等)又因未弄清切削力信号与刀具磨损的内在联系及其变化规律，均有一定的片面性和不可靠性。鉴于此，本文从理论分析和实验提出一种刀具磨损监测方法—频段均方值法。

2切削力与刀具磨损的相关分析

1）切削力的波动特性

金属切削过程中，工艺系统始终存在着或大或小振动。刀具相对于工件的振动，直接导致切削力随之发生波动。由于振动的存在，非但切削面积要发生周期变化，而且刀具实际工作角度也要产生周期波动。一旦切削力发生了波动，将反作用于工艺系统，使系统振动得以抑制或加强。可以说明，切削力的波动周期与系统振动周期是相同的。

2)刀具磨损对切削力的影响

a.刀具磨损对静态切削力的影响

刀具后刀面发生磨损以后改变了刀具与工件之间的接触方式，由理论上的线接触变为面接触。这样就使得刀具后刀面与工件的摩擦力加大，吃刀抗力增大，反映在三向切削力方向上便是三向切削力均增大。并且随着刀具磨损量的不断增大，摩擦将继续加剧，因而三向切削力亦将不断增大。这就是说，静态切削力具有正比于刀具后刀面磨损量的特性。

b.附加动态切削力的产生机理

前面的讨论说明：实际的金属切削过程总是一个动态的过程，切削力总是要发生一定范围的波动。在不考虑刀具磨损的情况下，这个波动范围是很大的，但是如果刀具后刀面存在磨损(实际刀具总是存在磨损的)，这个波动范围将产生明显的变化。因为此刀具理论工作后角变成0°，那么，角度周期变化的性质必然导致刀具周期进入负后角工作状态，因而便产生一个交变力。由于这个交变力是刀具发生了磨损产生的，这里称这个交变力为附加动态切削力，下称附动力。

附动力的变化与刀具工作角度的变化范围有关，也与刀具后刀面磨损量有关。刀具处于负后角工作状态时，刀具后刀面要部分地挤入工件，与工件产生干涉，使工件产生弹、塑性变形，很显然，挤入工件的刀具部分体积越大，则所需的挤入力越大，附动力的幅值就越大；反之干涉面积越小，则产生的附动力的幅值越小。

附动力的产生增加了动态切削力的构成，并且由上述分析可知，附动力有着与刀具磨损相同的变化趋势，因而随着刀具后刀面磨损的增大，动态切削力将呈现增大趋势。

综上所述，随着刀具磨损量的增大，静态切削力与动态切削力将同时不同程度地增大。

3)刀具磨损对切削状态的影响性

附动力是一个周期变化的交变力，这个交变力反作用于工艺系统，对系统的振动产生一定的影响，从而对切削状态也产生一定的作用。

一般地讲，附动力的变化曲线是一条复杂的连续变化曲线，定量描述是很困难的。为了进一步讨论附动力的作用和影响，这里假设附动力变化在一个周期内是分段线性的。并假定附动力的幅值Pk=kVB(1)

式中k——比例常数；

VB——刀具后刀面磨量。

可推得附动力的变化规律为

式中ls——工艺系统振动在工件上的振纹波长；

x——切削长度。

在这种情况下，附动力P在一个周期内对系统所做的功

式中Δx——系统振动振幅。由式(3)可以看出：AP是VB的连续函数，故在区间(0，ls)内至少存在一点VBm，使得

这就是说AP在区间(0，ls)内必存在至少一个极小值，事实上只存在一个极小值，这个极小值点为VB=VBm，在(0，VBm)内AP单减，而在区间(VBm，ls)AP单增。用优化方法在区间(0，ls)可求出VBm≈0.569ls(5)

由式(3)可以看出，附动力在一般情况下总是对系统做负功，对系统振动起阻尼作用。但是在刀具磨损量VB变化的不同区间，这种阻尼作用有着不同的变化趋势。