刀具磨损原理及刀具磨损检测方法

王丹 杨林

摘要：在机械加工中，刀具的质量对所加工产品的质量影响尤为明显，因此人们极其重视对刀具破损或磨损状态的监控。刀具磨损机理及刀具耐用度是研究刀具检测方法的理论基础，目前就刀具磨损的检测研究比较热门，检测方法也比较多。现对刀具磨损和刀具耐用度的基本知识及常用刀具磨损检测方法进行整理综述。

关键词：刀具磨损；刀具耐用度；刀具检测

中图分类号：TG71文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.014

切削加工是最常用的机械加工方法，因此切削刀具在加工中的作用显得尤为重要，它的使用寿命将对机械产品的生产质量产生直接影响，从而影响生产制造技术水准和经济效益。刀具严重磨损可引起刀具的破坏，刀具的破坏会导致工件报废同时会损伤昂贵的设备， 更严重的后果是会影响机床的正常使用。因此，对刀具磨损及破损状态的监控越来越引起人们的重视。

1刀具磨损与刀具耐用度

刀具在切削过程中与切屑工件之间产生剧烈的挤压、摩擦，从而产生磨损。刀具磨损后，会缩短刀具的使用时间，降低表面质量，增加刀具材料的损耗，因此，刀具磨损是影响生产效率、加工质量和生产成本的一个重要因素。

1.1刀具磨损

刀具磨损可分为正常磨损和非正常磨损。正常磨损是指刀具在设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，在切削过程中逐渐产生的磨损。刀具正常磨损主要包括：前面磨损，后面磨损，前、后面同时磨损三种形式。非正常磨损亦称刀具破损，一般属于非正常失效，刀具破损大多与使用不当有关。

1.2刀具耐用度

刀具在使用过程中，刀具磨损到一定程度就无法继续使用，我们把这样的一个磨损限度称为刀具的磨钝标准。刀具耐用度指刀具从开始切削使用直到达到磨钝标准时耗费的总切削时间。磨损速度越慢则表示刀具的耐用程度越高，因此刀具的耐用度是衡量刀具切削性能的一项重要指标。

1.3刀具耐用度合理数值的确定

当刀具耐用度一定时，为了提高生产率，应首先考虑增大背吃刀量，其次是增大进给量，然后根据耐用度、已定的背吃刀量和进给量确定切削速度。这样既能保持刀具耐用度，发挥刀具切削性能，又能提高生產率。由于刀具耐用度确定的太低和太高都会使生产率降低，因此，刀具耐用度存在一个合理数值。

确定刀具耐用度合理数值的方法一般有两种：一是根据加工一个零件花费时间最少的观点来制定刀具耐用度，称为最大生产率耐用度。二是根据加工一个零件的成本最低的观点来制定刀具耐用度，称为最低成本耐用度。生产中常采用最低成本耐用度，只有当生产任务紧急或生产中出现不平衡环节时，才选用最低生产率耐用度。

2刀具检测方法综述

目前生产实践及研究中常用到的测量刀具磨损状态的方法大致分为两类，即直接测量和间接测量。

2.1刀具直接测量法

采用直接测量法是指，随着刀具切削加工的使用，刀刃表面粗糙度，刀刃表面状态，以及刀具几何尺寸都会产生一定程度的变化，通过检测刀具的这些变化进而监测到刀具磨损状态。表1归纳了几种针对刀具直接检测方法的测量原理、特点及适用场合。

2.2刀具间接测量法

在实际生产中，为了既不影响加工过程又能保证加工质量，对刀具磨损状态的监测往往采用测量与刀具磨损状态相关的中间参量。表2归纳了几种针对刀具间接检测方法的测量原理、特点及适用场合。

检测方法检测原理特点适用场合

机械式测量法用量具对刀具的各个角度的变化，刀具表面粗糙度的变化，以及刀刃几何尺寸变化等进行测量优点：设备简单、易于操作、成本低缺点：误差较大只适用于加工精度要求较低的场合

刀具工件间距测量法在加工过程中随着刀具的磨损，用超声波测量仪、电感位移传感器等进行测量刀具与工件之间不断减小的距离优点：测量精度高缺点：灵敏度易受工件尺寸、工件表面质量、冷却液等因素的影响适用于加工条件稳定，加工精度要求较高的场合

电阻测量法利用待测切削刃与传感器接触产生的电信号脉冲，来监测刀具的实际磨损状态优点：传感器价格低，测量快捷缺点：传感器要求高，工作稳定性差适用于加工精度要求较高的场合

光学投影法将刀具图像经过光学放大后投影到屏上进行测量，得到其尺寸优点：操作简单，结果直观缺点：误差较大，且测量效率低适用于刀具直径较大的场合

射线测量法刀具材料内添加放射性物质，放射性物质随刀具磨损脱落。射线测量器通过测得的放射性物质含量反应刀具磨损的情况优点：可以测量刀具磨损量缺点：不能准确测定切削刃状态，放射性物质对环境污染大适用于某些特殊场合，不宜广泛采用

切削力检测法根据刀具磨损速率与切削力增长速度的关系判断刀具处于正常磨损还是剧烈磨损阶段优点：抗干扰，精度高，可以在线检测 缺点：安装传感器需要对机床进行改动适用于特殊需要的精密加工

电流信号测量法机床消耗的功率或电流的变化与刀具磨损有关，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关系，实现在线监测优点：测试方便，信息集成度高，价格低，不受环境影响 缺点：对刀具磨损进行定性分析不能进行定量分析适用于一般传感器比较困难安装的场合

声发射检测法材料在切削过程中，伴随切屑的形成会发出一种断裂波。利用声发射检测传感器对这种断裂波振动的变换进行分析，从而监测刀具的磨损状态优点：灵敏度高，响应快，安装方便，不干涉切削加工过程缺点：对刀具磨损只能定性分析不能定量分析适用于高端机床

热电压测量法刀具和工件是由不同的材料构成，刀具与工件之间可以产生一个与切削温度相关的热电压，随着刀具磨损量的增大，热电压也随之增大优点：价格便宜， 精度较高，使用简便缺点：对传感器材料及精度要求高，只能进行间隔式检测

适用于加工精度要求较高，加工速度较高的场合

3结语

刀具监控技术正在向着智能化、实用化、网络化的方向快速发展。综上所述，刀具检测方法各有其优缺点和不同的适用范围，在实际应用中应根据具体情况选用最适当的刀具状态测量方法。为了在生产现场对刀具状态进行更精确、更方便、更及时的测量，研究并开发适合多工艺加工过程的刀具状态监测系统，是未来刀具磨损检测技术研究的方向。

参考文献：

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