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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。刀具磨损监控系统能够实时记录刀具或者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，刀具监控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。

刀具破损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。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。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。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。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。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。有些刀具虽然并没有明显的交变载荷与交变应力，但因表层、里层温度不一致，也将产生热应力，加上刀具材料内部不可避免地存在缺陷，，故刀片也可能产生裂纹。裂纹形成后刀具有时还能继续工作一段时间，有时裂纹迅速扩展导致刀片折断或刀面严重剥落。刀具磨损按磨损原因可分为1）磨料磨损被加工材料中常有一些硬度极高的微小颗粒，能在刀具表面划出沟纹，这就是磨料磨砂损。磨料磨损在各个面都存在，前刀面＊明显。而且各种切削速度下都能发生麻料磨损，但对于低速切削时，由于切削温度较低，其它原因产生的磨损都不明显，因而磨料磨损是其主要原因。另处刀具硬度越低磨料麻损越严重。2）冷焊磨损切削时，工件、切削与前后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，因而会发生冷焊。由于摩擦副之间有相对运动，冷焊将产生破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。冷焊磨损一般在中等切削速度下比较严重。根据实验表明，脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；多相金属比单向金属小；金属化合物比单质冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。高速钢与硬质合金低速切削时冷焊比较严重。3）扩散磨损在高温下切削、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变刀具的成分结构，使刀具表层变得脆弱，加剧了刀具的磨损。扩散现象总是保持着深度梯度高的物体向深度梯度低物体持续扩散。例如硬质合金在800℃时其中的钴便迅速地扩散到切屑、工件中去，WC分解为钨和碳扩散到钢中去；PCD刀具在切削钢、铁材料时当切削温度高于800℃时，PCD中的碳原子将以很大的扩散强度转移到工件表面形成新的合金，刀具表面石墨化。钴、钨扩散比较严重，钛、钽、铌的抗扩散能力较强。故YT类硬质合金耐磨性较好。陶瓷和PCBN切削时，当温度高达1000℃-1300℃时，扩散磨损尚不显著。 工件、切屑与刀具由于材料的同，切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具的磨损。这种在热电势的作用下的扩散磨损，称为“热电磨损”。4）氧化磨损当温度升高时刀具表面氧化产生较软的氧化物被切屑摩擦而形成的磨损称为氧化磨损。如：在700℃~800℃时空气中的氧与硬质合金中的钴及碳化物、碳化钛等发生氧化反应，形成较软的氧化物;在1000℃时PCBN与水蒸气发生化学反应。

机加工如何延长刀具寿命？延长刀具使用寿命的方法有哪些？刀具的磨损与几何角度、切削力和切削热、切削用量等因素有关，刀具的耐用度及使用寿命是可以通过人的主观努力去延长的。机加工延长刀具寿命的方法1、改进刀具几何角度刀具角度及刀刃形状影响着切削力的变化。如前角度增大时，切屑变形小，切削轻快、切削力及切削热下降。在保证刀具有足够强度的前提下，应尽量取较大前角，主偏角缩小时，刀刃参加切削的长度增加，使切削热相对分散，且刀尖角增大，可使切削温度下降。2、合理选择切削用量切削用量影响刀具的耐用度，切削深度和进给量过大，切削力增加，刀具的磨损也快，切削速度过高，刀具与工件的磨损，所以选择合理的切削用量也能延长刀具的使用寿命。3、使用冷却润滑液冷却润滑液能吸收并带走切削区大部分热量，改善散热条件，降低刀具和工件的切削温度，使小刀磨损减少，从而延长刀具的使用寿命，并能防止工件因热变形而产生尺寸误差。4、合理选择刀具材料工件材料及加工条件对刀具的切削性能影响很大。加工不同的材料，要懂得选择不同的刀具，才能适应切削加工的要求。5、加强日常保生产现场，尤其是刀具夹持装置、工作台面、刀具存放场所等，进行彻底的清扫。定期进行刀具精度的维护保养。确认刀具与夹持装置的螺钉紧固。安装与拆卸的时候，对泄露脏污及时进行清扫。6、把握与调整＊佳切削条件设定良好的切削条件并给予维持。通过振动分析等了解附件切削状态，并适时进行调整，使刀具有良好的工作环境。一旦刀具更换对尺寸必须进行调整，保证紧固件条件和切削条件的适当。

刀具是车间生产的重要资源，由于刀具种类繁多、数量庞大、参数繁多、借入借出过程频繁，因此导致车间对其缺乏有效管理。随着信息化技术以及智能装备的不断发展，并在制造业中深度应用，多品种小批量正成为制造业的主要生产模式，而传统机械加工车间也逐步向数字化车间转型，传统的人工的刀具管理方式已不再满足数字化车间的运行环境，严重阻碍了数字化车间的运行和发展。对于数字化车间而言，传统的刀具管理模式存在以下问题：(1) 刀具信息管理困难：由于利用人工来管理刀具相关的信息，劳动强度大，出错率高。(2) 确定刀具的需求计划困难：由于刀具需求计划经常与实际生产脱节，使得各机床加工站中工件的调度与刀具的供应不一致，影响了工件加工的连续性。(3) 刀具查询困难：在大量的刀具中仅靠查找明细表、使用资料查询某种型号的刀具，既费时又容易出错。(4) 工艺选刀困难：工艺人员无法方便的知道刀具的库存信息以及刀具的组件信息，另外新的生产线选配刀的时候。(5) 刀具采购困难：由于得不到刀具库存和使用的准确信息，往往造成重复采购。(6) 刀具寿命统计困难：刀具在生产现场闲置散落造成了刀具资源的浪费。只能由各机床控制器对自己已到寿命的刀具提出更换要求。这样使得系统中各机床频繁地更换新刀具，增加了刀具更换时间。(7) 刀具库存管理困难：没有对刀具库存进行合理的管理，机床刀具库的刀具库存量控制不合理，需要的刀具没有，而不需要的刀具却可能多余，占用了企业大量流动资金。刀具管理是信息化建设的重要组成部分，特别是对于机械类生产车间，刀具管理的合理性、科学性，在很大程度上决定了制造系统的可靠性与生产效率的高低。其中，以现代通信技术及网络技术为代表的技术将MES系统刀具管理集成起来，提高制造加工企业对上层设备以及生产资源的信息管理、调配。刀具监控系统是车间MES的重要组成部分。主要由以下几部分构成：刀具管理中心、中央刀具库、机床刀具库、工作地、刀具预调和刃磨间等。(1)刀具管理中心刀具管理中心包括刀具查询模块、刀具借还模块、数据维护模块、刀具寿命管理、刀具报表模块。刀具管理中心是刀具管理系统的一个核心，它主要具有以下作用：可以接受新购刀具的信息、反映操作人员的刀具借还信息、实现对刀具库中的已有信息进行修改和删除、对刀具剩余寿命进行预测、实施在线监测信息处理，实时统计制造执行单元的刀具状况，满足工作地人员、工艺设计人员、计划调度人员、刀具供应人员等对刀具信息的需求，优化刀具的使用，避免重复购置和丢失等现象的发生。(2)中央刀库在车间存放等待机床调用备用刀具，通过对中央刀库的查询车间刀具的储备情况提供详细的信息，在刀具储量不足时提出警告。(3)机床刀具库制造执行单元内具有刀库的数控机床，其各刀位安装的刀具信息存储在机床数据库中，通过机床数据库可以查询到各刀位所安装刀具的编号，进而通过刀具管理中心查询到刀具的所有信息。(4)刀具预调和刃磨间刀具预调和刃磨间主要是为生产和加工准备所需的刀具。一方面，刀具磨损或破损后，在这里进行重新刃磨；另一方面，刀具预调整或进行组装，也在这里进行。因此，刀具由于预调或刃磨后，刀具的相应信息必然发生改变，而刀具维修人员可以通过刀具数据修改模块，更改刀具库中的刀具信息。(5)工作地工作地是生产的直接场所，在刀具管理系统中的的作用主要有以下两个方面：操作者可以查询刀具信息和对借用的刀具予以确认。

1、后刀面磨损产生原因：＊常见的磨损形式，是刀具与工件材料中的硬粒子摩擦形成的。失效分析：① 刀具材质耐磨性不足；② 切削速度高/进给量低。加工影响：已加工面的表面粗糙度和尺寸精度变差。改善方法：① 选择硬度高，更耐磨性的材质；② 降低切削速度/增加进给量。2、月牙洼磨损产生原因：发生在刀片的前刀面，是由工件材料和切削刀具之间的化学反应造成的。失效分析：① 刀具材质耐月牙洼磨损性不足；② 切削速度过高/进给量和切深过大。加工影响：切屑处理恶化，已加工表面质量恶化 (起毛刺) ；过大的月牙洼磨损会削弱切削刃并可能导致断裂改善方法：① 采用耐磨性封号的材质；② 降低切削速度/减小进给量和切深3、积屑瘤产生原因：切屑冷焊到刀片上引起的。在加工粘性材料如低碳钢、不锈钢和铝时，经常发生这种磨损。刀具破损失效分析：①刀具材质不合适，被加工材料易与刀具材料发生反应；②切削刃锋利性不足；③ 切削速度/进给量过低加工影响：已加工表面质量恶化；切削阻力增大改善方法：①选择韧性更好，与被加工材料亲和性低的材质；② 提高刀尖锋利度（增大前角，减小倒圆）；③ 提高切削速度/进给量4、沟槽磨损产生原因;在刀片前刀面和后刀面的切削深度处有大量局部损坏。这种磨损由粘结磨损（切屑冷焊）和硬化表面引起。经常出现在不锈钢和耐热优质合金的加工中。失效分析:①刀具材质耐磨性不足；②切削刃强度不足，前角过小；③切削速度高；④被加工工件表面硬化加工影响：已加工表面粗糙度恶化；切削阻力增大改善方法：①变更为耐磨性更好的材质；②增大切削前角；③降低切削速度5、塑性变形产生原因：切削加工过程中，如果切削温度太高，在刀具材料软化时会发生塑性变形。失效分析：①刀具材料的耐热性不足，材质匹配错误；②切削温度过高；③切削速度过高/切深进给过大；④切削液供给不足加工影响：加工精度降低，工件尺寸变化；前端崩刀改善方法：①采用耐热性和强度硬度更高的材质；②降低切削速度/进给量；③充分供给切削液6、热裂产生原因：切削刃上的温度从热到冷快速变化时，可能会出现垂直于切削刃的多重裂纹。热裂与间断切削有关，在铣削工序中经常出现，而且使用冷却液不当会加重这种情况。失效分析：①切削温度引起的热胀冷缩；②刀片材质不合适；③切削速度和进给量过高加工影响：热循环易引起崩刀改善方法：①采用干式切削或充分使用冷却液；②选择韧性更好的材质；③降低进给量和切削速度7、切削刃崩刃/破损产生原因：崩刃是机械应力过大所导致的。失效分析① 材质韧性不足② 切屑黏附或冲击导致切削刃脱落③ 切削刃强度不足④ 进给过高⑤ 刀杆强度不足，振动加工影响：突发性崩刀；切削阻力增大；已加工表面粗糙度恶化改善方法：①采用韧性更高的材质；②减小进给量；③减小前角，增大切削刃的倒圆量；④选择刀柄尺寸大的刀杆