基于切削力的刀具狀態(tài)在線監(jiān)控參考模板

1、基于刀具狀態(tài)的切削力模型研究（常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校、常州昌成鐵路機(jī)械廠 江蘇 常州 213011）張寶金 摘 要：建立適用于變工況加工的切削力模型，將切削力信號(hào)用于切削過(guò)程監(jiān)控。建立基于切削參數(shù)（切削速度、進(jìn)給量、切削深度）與刀具狀態(tài)（主要考慮后刀面磨損量）的切削力模型，通過(guò)試驗(yàn)值與模型的預(yù)測(cè)值之間的比較，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：切削力；刀具狀態(tài)監(jiān)控；金屬切削；模型1 引言目前，加工中心（MC）、柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）逐漸成為現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的主流，為實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的高度自動(dòng)化提供了先決條件。自動(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，依賴于加工過(guò)程中切削

2、刀具狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)控，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在切削力模型方面進(jìn)行了大量的研究工作。其中，切削力法被認(rèn)為是一種具有實(shí)際應(yīng)用前景的監(jiān)控方法1。但以往基于切削力信號(hào)的研究大多是通過(guò)單因素試驗(yàn)2確定特定情況下切削力的閾值，從而對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。這類方法存在監(jiān)控閾值難以確定以及監(jiān)控參數(shù)特征信息不能適應(yīng)切削參數(shù)的變化即監(jiān)控的柔性差等問(wèn)題，僅適用于不改變或較少改變切削參數(shù)的剛性加工生產(chǎn)線。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，建立可適應(yīng)變工況加工的刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。影響切削力的因素有很多，其中切削用量三要素：切削速度、進(jìn)給量、切削深度對(duì)切削力的影響最為顯著3。本文以外圓車削為例，建立了基于切削參數(shù)（切削速度、進(jìn)給量、切削深度）

3、與刀具狀態(tài)（主要考慮后刀面磨損量）的切削力簡(jiǎn)化模型，并通過(guò)試驗(yàn)值與模型的預(yù)測(cè)值之間的比較，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。2 切削試驗(yàn)系統(tǒng)及方案 （1）試驗(yàn)裝置本試驗(yàn)在一臺(tái)型號(hào)為CA6140的普通車床上進(jìn)行，切削力信號(hào)由Kistler測(cè)力儀（傳感器）檢測(cè)，測(cè)出的力信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大、經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡后可直接將信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)。再用Kistler測(cè)力儀的配套軟件Dynoware對(duì)測(cè)得的力信號(hào)進(jìn)行分析和處理。試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1-1 所示。試驗(yàn)中刀面磨損狀況及磨損值隨時(shí)刻進(jìn)行測(cè)量，使用Keyence的VH-8000系列數(shù)碼顯微鏡對(duì)車刀后刀面的磨損狀況拍照，通過(guò)測(cè)量軟件測(cè)量車刀后刀面的磨損量以及刀具的破損情況

4、。（2） 試驗(yàn)方案切削力試驗(yàn)分為三部分進(jìn)行：使用新刀片（磨損量為零）進(jìn)行切削試驗(yàn)；使用不同狀態(tài)的刀片（變化的磨損量）進(jìn)行切削試驗(yàn)；使用不同狀態(tài)的刀片（變化的磨損量）驗(yàn)證已建立的刀具磨損狀態(tài)下的切削力模型。采用正交試驗(yàn)法安排試驗(yàn)，使用L9()正交表，為三因素、三水平試驗(yàn)。具體試驗(yàn)正交表如表1：表1試驗(yàn)計(jì)劃1 / 6試驗(yàn)號(hào)試驗(yàn)因素（切削三要素）試驗(yàn)結(jié)果記錄切削速度Fx（N）Fy（N）Fz（N）主軸轉(zhuǎn)速r/min線速度m/ min進(jìn)給量mm/ r切削深度mm1320600.10.12500950.20.137101350.30.14320600.20.25500950.30.267101350.10

5、.27320600.30.38500950.10.397101350.20.3刀具后刀面磨損量VB（）3 基于刀具狀態(tài)的切削力模型（1）切削力模型的簡(jiǎn)化由于切削力經(jīng)典理論模型過(guò)于繁瑣的局限，難以在實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行有效應(yīng)用。因此，研究人員常常通過(guò)大量試驗(yàn)，由測(cè)力儀得到切削力后，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)方法處理，即可得到切削力的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｈ绮捎弥笖?shù)模型計(jì)算切削力，在金屬切削加工中得到廣泛的應(yīng)用。常用的指數(shù)模型形式如下 :（1） R.Uehara和F.Kiyosawa4的研究表明主切削力能更準(zhǔn)確的反映刀具磨損的程度，并建立了切削參數(shù)、后刀面磨損量與主切削力的模型。式（1）切削力簡(jiǎn)化模型如下： （2）式中：F為

6、切削力（N）；為車削深度（mm）；f為進(jìn)給量（mm/r）；v為車削速度（m/min）；k、x、y、z分別為待定系數(shù)和指數(shù)，需要通過(guò)試驗(yàn)建立回歸方程確定。（2）基于刀具狀態(tài)的切削力模型在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，切削用量為已知量，刀具的磨損量未知。參考已建立的切削力模型，考慮到刀具磨損量的與切削用量之間的相互影響，建立一個(gè)以刀具的磨損量和切削三要素為自變量、切削力為因變量的函數(shù)方程（即切削力模型）。在原有切削力模型的基礎(chǔ)上引入VB因素，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)VB0.3mm, 切削力上升較平緩；當(dāng)VB在0.3mm附近, 切削力上升較陡峭；當(dāng)VB0.3mm, 切削力上升有趨于平緩。因此，VB=0.3mm是一個(gè)突變

7、點(diǎn)，對(duì)切削力模型有重大影響。切削力模型如下： （3）式中：F為切削力（N）；為車削深度（mm）；f為進(jìn)給量（mm/r）；v為車削速度（m/min）；k、x、y、z分別為待定系數(shù)和指數(shù)，需要通過(guò)試驗(yàn)建立回歸方程確定。4 試驗(yàn)結(jié)果與討論（1）正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理切削試驗(yàn)獲得刀具處于不同狀態(tài)的切削力信號(hào)，選擇具有代表性的VB=0、VB=0.07、VB=0.38等三組試驗(yàn)處理結(jié)果（見(jiàn)表2表4）。表2 試驗(yàn)結(jié)果一順序號(hào)組別第一組磨損量VB（mm）0切削用量切削力主軸轉(zhuǎn)速r/min切削速度r/min進(jìn)給量mm/r切削深度mmFx（N）Fy（N）Fz（N）1-1320600.10.112.330019.016

8、417.98911-2500950.20.114.170926.984527.65001-37101350.30.115.670937.798234.19821-4320600.20.218.811837.567341.50911-5500950.30.216.600938.289148.17361-67101350.10.220.190941.849134.19361-7320600.30.328.946457.345571.12451-8500950.10.321.875534.230033.45551-97101350.20.324.299143.391862.0082表3 試驗(yàn)結(jié)果二順

9、序號(hào)組別第二組磨損量VB（mm）0.07切削用量切削力主軸轉(zhuǎn)速r/min切削速度m/min進(jìn)給量mm/r切削深度mmFx（N）Fy（N）Fz（N）2-1320600.10.112.382719.090918.01732-2500950.20.114.510028.368228.32272-37101350.30.114.799136.307339.15902-4320600.20.222.993645.780941.58452-5500950.30.221.147345.970950.08822-67101350.10.218.469136.092736.26092-7320600.30.32

10、9.060956.366472.38272-8500950.10.325.115539.247335.77912-97101350.20.326.716458.306464.5118表4 試驗(yàn)結(jié)果三順序號(hào)組別第三組磨損量VB（mm）0.38切削用量切削力主軸轉(zhuǎn)速速/min切削速度m/min進(jìn)給量mm/r切削深度Fx（N）Fy（N）Fz（N）3-1320600.10.113.143621.617324.87183-2500950.20.116.200938.184537.31453-37101350.30.116.388262.777349.76913-4320600.20.225.56050.

11、283653.59003-5500950.30.223.379158.609167.30553-67101350.10.217.896464.573648.64363-7320600.30.331.530964.178278.40093-8500950.10.322.286438.782746.32553-97101350.20.326.509176.900973.3764在相同的切削用量，不同的切削刀具后刀面磨損量下，切削力隨磨損量變化而變化。變化有增大的趨勢(shì)，但并不完全對(duì)應(yīng)，在初始階段上升較快，隨后又緩緩上升, 至VB=0.38mm時(shí)上升較突然，然后又開(kāi)始緩升。（2） 基于刀具狀態(tài)的切削力

12、模型擬合對(duì)式（3）兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，可得： （4）則切削力的對(duì)數(shù)同切削用量及磨損量的對(duì)數(shù)關(guān)系就變成為線性關(guān)系，成為多元線性回歸方程。利用表2中的數(shù)據(jù)，擬合出基于切削用量和刀具狀態(tài)的切削力模型如下： （5）式中已含有后刀面磨損量。刀具磨損量作為切削力模型的參數(shù)，更能反映出切削用量和刀具后刀面磨損量與切削力的的內(nèi)在關(guān)系，為切削刀具狀態(tài)的檢測(cè)打下了堅(jiān)定基礎(chǔ)。（3） 基于刀具狀態(tài)的切削力模型檢驗(yàn)表5中試驗(yàn)值Fzs用于模型擬合，預(yù)測(cè)值Fzc用式（5）計(jì)算出的切削力Fz值。顯然，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差很小，多數(shù)在-5%5%之間，最大不超過(guò)10%，相對(duì)誤差平均為0.03861，顯示出該回歸模型具有較好的擬合

13、度。切削力Fz、預(yù)測(cè)值Fzc與試驗(yàn)值Fzs符合程度較高，能比較準(zhǔn)確地反映切削力Fz與切削用量和刀具后刀面磨損量的內(nèi)在聯(lián)系，各切削用量指數(shù)客觀地體現(xiàn)各因素在切削力模型中的作用或影響，特別是后刀面磨損量作為切削力模型的重要參數(shù)，建立起刀具后刀面磨損量VB與主切削力Fz的模型，確立了后刀面磨損量與切削力Fz的內(nèi)在關(guān)系，探索出磨損量影響切削力的內(nèi)在規(guī)律；為建立基于切削力模型的刀具狀態(tài)檢測(cè)做好準(zhǔn)備。表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)值序號(hào)切削用量刀具磨損量VB試驗(yàn)值Fzs預(yù)測(cè)值FzcFzs/Fzc相對(duì)誤差切削速度進(jìn)給量背吃刀量1600.10.1017.98917.3921.034310.034312600.20.20

14、.0741.58540.9641.015150.015153600.30.30.1373.20368.5111.068490.068494600.10.10.1719.57719.9690.98037-0.01965600.20.20.2347.87546.3081.033820.033826600.30.30.3878.40181.6850.9598-0.04027600.20.20.4455.46353.1991.042550.042558950.20.1027.6527.5821.002470.002479950.20.10.0728.32329.2740.9675-0.03251095

15、0.20.10.1328.62230.7140.93189-0.068111950.30.20.1755.95760.2690.92846-0.071512950.20.10.2332.03633.0930.96803-0.03213950.20.10.3837.31536.621.018970.0189714950.20.10.4440.58538.0171.067520.06752151350.10.2034.19431.2991.092490.09249161350.20.30.0764.51261.7461.04480.0448171350.20.30.1365.01264.7821.

16、003540.00354181350.20.30.1767.03266.7961.003530.00353191350.20.30.2368.08669.8010.97542-0.0246201350.30.10.3849.76948.7491.020920.02092211350.20.30.4474.2680.1880.92608-0.0739Fz平均值及平均誤差47.97347.951.000480.038615結(jié)論建立了基于切削參數(shù)和刀具狀態(tài)的車削力簡(jiǎn)化模型, 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)值與模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。基于多因素試驗(yàn)建立的模型可適應(yīng)變工況的加工，模型的試驗(yàn)驗(yàn)證成功為建立可適應(yīng)變工況加工的刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)提供了一種較準(zhǔn)確的監(jiān)控方法，同時(shí)為多傳感器信號(hào)耦合(切削力、切削功率、聲發(fā)射等)提供了基礎(chǔ)。以外圓車削試驗(yàn)建立的力模型為基礎(chǔ)，可以嘗試為其他常見(jiàn)的加工過(guò)程如銑削加工、鉆削加工等建立類似的力模型，以解決變工況加工的刀具狀態(tài)監(jiān)控問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1 Dimla E. Dimla Snr. Sensor signals for tool-wear monitoring in metal cutting operationsa review of methods J.I