智能刀具研究综述

智能刀具根据加工中具体用途的不同,可实现对切削状态在线监测、数据处理、切削过程优化控制等功能,通过智能刀具的使用可改善加工过程,提高加工质量与效率,到目前为止学者们对于智能刀具的研究已取得大量研究成果。对智能刀具切削状态监测和切削过程控制两个方面的研究进展进行论述,梳理了学者们应用智能刀具对切削力、切削温度、刀具振动进行监测与控制的研究成果,对刀具结构、监测方式、控制原理、缺点不足、发展方向进行了总结与讨论。对智能刀具涉及的关键技术进行探讨,由于智能刀具涉及多学科交叉,实现的功能及采用的原理各不相同,关键技术多样,需进行多学科交叉融合,并通过产学研协同合作,推进智能刀具关键技术的深入研究及实际应用。     

基于声表面波原理的切削力测量智能刀具研究

切削力的测量对于监测加工过程以及获得高精度的零部件具有重要作用,为实现自适应加工提供切削状态参数。研究了一种基于声表面波原理的切削力测量智能刀具。能在切削加工中实现主切削力的实时测量,并具有无线、无源的测量优势,能够适应复杂的加工环境。建立了切削力与声表面波谐振器石英基片应变的关系模型,分析了声表面波谐振器谐振频率,得到了切削力与声表面波谐振频率偏移量的关系。实验结果表明,基于声表面波原理的切削力测量智能刀具能够实现切削力的实时测量。     

瞬态切削用智能测温刀具的研究

针对传统切削温度测量手段无法实时测量刀尖切削区域瞬态温度的技术难题,研制一种基于NiCr-NiSi薄膜热电偶的瞬态切削用智能测温刀具,采用直流脉冲磁控溅射技术制备了致密性和绝缘效果良好的SiO₂绝缘薄膜及热电偶电极薄膜;利用自行研制的薄膜热电偶自动标定系统对研制的测温刀片的静、动态技术特性进行测试和分析,结果表明所研制的测温刀片在30～300℃范围内具有良好的线性,其塞贝克系数为40.5 μV/K,最大线性误差不超过0.92%,且响应速度快,时间常数为0.083 ms;可嵌入刀杆的温度测试单元实现了在切削加工过程中对瞬态切削温度数据的实时采集、数据存储与无线传输功能;现场试验结果显示,所研制的智能测温刀具可以快速准确监测0.1 s内刀具刀尖处瞬态切削温度的变化,为瞬态切削温度测试提供了新的方法,为智能测温刀具的研究与开发提供了新的技术途径。     

基于刀具磨损和切屑形成对切削Ti6Al4V的切削力特性研究

为了研究钛合金Ti6Al4V切削过程中的切削力特性,采用硬质合金涂层和无涂层刀具进行了外圆干车削试验,提取切削力信号,通过研究切削力的静动态特性,揭示了切削力与切削速度、刀具材料、刀具磨损以及切屑形成的关系.结果表明:钛合金切削过程中,切削力的静态分量中径向力Fp最大,直接导致刀具后刀面磨损;随着切削速度的变化,切削力的变化是由刀具磨损、材料本身的特性等多方面因素综合作用的结果,切削力动态分量分形维数可用于刀具状态监控;锯齿形切屑的产生与切削力的高频变化有直接的关系,锯齿生成频率可以作为切削力动态分量频率的一个表征,选取适当的切削参数可以降低由于锯齿屑产生引起的切削力振动.     

超硬刀具高速切削钛合金时的切削力研究

基于锯齿切屑相关理论,以单位切削力、切削力静态分量和动态分量为指标,对PCD/PCBN两种超硬刀具高速切削TC4钛合金的切削力进行对比研究。研究发现：两种超硬刀具高速切削TC4钛合金时,单位切削力大小基本相同,且均随切削速度增大而整体呈略微增加趋势,均随进给量、背吃刀量的增大而减小;单位切削力大小取决于锯齿形切屑基块内材料应变及应变率强化作用和温度弱化作用。两种超硬刀具切削力静态分量大小基本相同,且均随切削速度的增大整体呈略微增大趋势,均随进给量和背吃刀量的增大而增大。两种超硬刀具的切削力动态分量均随切削速度的增大而减小,均随进给量和背吃刀量的增大而增大。PCD刀具的切削力动态分量大于PCBN刀具;切削力动态分量大小与靠近刀尖处发生热塑剪切失稳切削层材料的体积和温度有关。     

基于分形理论和神经网络的刀具磨损监测

提出了一种基于分形理论和神经网络的刀具磨损监测方法,从切削力动态分量中提取分形维数D、从切削力静态分量中提取切削力比R这两个特征量作为监测刀具磨损状态指标,并将这两个特征量及切削速度作为神经网络的输入.试验结果表明,该方法能有效识别刀具的磨损状态.     

高速切削AISI-4340合金钢的有限元数值模拟研究

为解决AISI-4340合金钢在切削过程中切削温度高、加工性差等问题,基于DEFORM-3D仿真软件,设计单因素仿真实验和四因素三水平正交仿真实验,运用极差分析法分析仿真结果,获得最优参数组合。仿真结果表明：增大切削速度v_c、切削深度d和进给量f,切削力和切削温度随之增大;不同切削参数和刀具结构参数对切削力的影响程度顺序为钝圆半径r>刀具前角γ>切削速度v_c>刀具后角α;对切削温度的影响程度顺序为切削速度v_c>钝圆半径r>刀具后角α>刀具前角γ;利用遗传算法对切削参数和刀具结构参数进行优化,以最小切削力和刀具切削温度为评估标准时,得出最优组合为切削速度v_c=300m/min,刀具前角γ=11°,刀具后角α=7°,钝圆半径r=0.15mm。     

基于切削电流系数的铣刀磨损状态监测

基于切削力系数的铣刀磨损状态监测方法提出了与切削参数独立的刀具磨损指标。由于存在干扰机床正常加工、实时性不佳、传感器安装不便和成本过高等问题,限制了其在实际工业环境中的应用。针对上述问题,结合切削力与主轴电流的关系,提出一种基于主轴切削电流系数的铣刀磨损状态监测方法。首先,融合切削力系数和主轴电流的优点,建立铣削电流模型;其次,根据切削电流模型进行切削电流系数辨识,记录新刀状态下切削系数;然后,使用切削系数实时估计相同加工工况下新刀切削电流,监测实际切削电流偏离估计值的程度,判断铣刀磨损状态;最后,通过实验与力信号对比验证该方法的正确性。实验结果表明,该方法可以替代基于切削力系数的磨损状态监测方法,能有效、实时、无干扰、便利和低成本地识别新刀、正常和严重3种磨损状态。     

基于LabVIEW的切削温度与切削力综合测量系统

切削力与切削温度是金属切削过程中两个重要的状态参量。测量切削力与切削温度,可以研究切削机理、计算功率消耗、优化切削用量和刀具几何参数。通过监控切削力与切削温度的变化可以预报在切削过程中刀具磨损或破损,反映切削用量合理性、机床的切削状态,以便及时修正切削条件,提高切削效率,降低零件的废品率。     

钻削过程监控技术及其应用的研究

切削刀具和切削过程的状态监控是FMS、CIMS等自动化技术中的关键性技术难题。本文系统地研究了切削过程中主要的异常状态对进给切削力、主电机功率的影响规律,提出了用进给切削力、主电机功率的瞬时值、导数值、静态平均值和动态均方值等多个特征参数综合监控钻削过程异常状态并识别其原因的新方法,研制成功了实用的监控系统。     

一种新型切削温度感知智能刀具研究

面向切削状态监测和加工工艺智能优化对切削温度在线精确感知的需求,利用负温度系数热敏陶瓷的阻温特性和结构陶瓷的高耐磨性,设计了一种基于异种陶瓷复合的新型温度感知刀具,并通过微波烧结技术制造了该智能刀具,最后基于刀具上3个测温点的温度值对刀具切削区温度场进行了重构。该温度感知智能刀具最高感知温度>700℃,响应迅速。在v_c=150 m/min、a_p=1.0 mm、f=0.075 mm/r干式车削镍基高温合金GH4169时,刀具在25 s达到热平衡,刀具上3个测温点的温度值分别为425℃、204℃和188℃,刀具最高温度出现在前刀面靠近主切削刃位置,最高温度达1579℃,整个刀尖区域的温度不低于1 000℃。     

超声振动铣削加工参数对切削力的影响

为了改善传统铣削钛合金的加工条件,研究了进给方向超声振动辅助铣削对切削力的影响。定值计算了不同振动频率、振幅、铣削速度时的净切削时间比,建立了对工件施加超声振动的铣削加工三维有限元模型,根据仿真结果讨论了加工参数对进给方向切削力瞬时值的影响,并结合净切削时间比分析了加工参数对三个方向切削力平均值的影响。研究表明:施加超声振动后切削力明显减小;振动频率小于40kHz和振幅小于30μm时切削力平均值同净切削时间比变化趋势一致,当频率或振幅超过上述值时,刀具、工件间的摩擦力对切削力平均值的影响显著。     

固定式三向铣削测力仪的研究

由于铣刀在铣削过程中切削位置不同,固定型铣削测力仪将产生输出误差。为降低铣削位置变化对传感器输出的影响,研制了一种四竖直敏感梁结构的应变型固定式三维铣削测力仪。研究表明,当铣削位置范围限定时,该测力仪可以将输出信号误差维持在可用范围,并分别进行了静态力测量和动态铣削实验。在静态力测量实验中,在70mm×70mm×15mm工件上,传感器解耦偏差不大于5.58%;在动态切削实验中,使用相同加工参数在不同位置处铣削,传感器测得的铣削力峰峰值最大相差3.73%。对该铣削测力仪的研究为解决竖直方向高刚度的应变型固定式铣削力传感器的解耦问题提供了新的思路和参考。     

自回转刀具发展概况综述

在机械加工领域中,回转刀具由于其刀片受到自身的摩擦或者外加动力驱动而回转,产生连续的切削力,从而提高了刀具的加工性能,引起了学者的研究兴趣。文中对自回转刀具的切削力和切削功率、切削温度、刀具磨损及耐用度、加工表面粗糙度等几个方面的研究现状加以综述,在此基础上探讨了今后自回转刀具的研究发展方向。     

基于DEFORM的钻削力预报研究

应用Deform软件的单元去除技术和网格自适应重划技术,考虑工件材料的机械物理性能随温度的变化和流动应力受应变、应变速率和温度影响的特性来模拟材料的非线性,建立了适于钻削过程的三维有限元模型,分析了钻削加工中切削用量对切削力的影响规律;并采用YD-21/4动态电阻应变仪进行了钻削实验,验证了仿真结果的正确性和可靠性。     

超声振动和切削液联合作用下的刀刃非物理锐化

超声辅助切削和切削液的联合使用能减小切削力和降低表面粗糙度,试图说明其机理,目的是为开发精密和超精加工技术打下基础。超声辅助切削和切削液的联合使用,从性质上改变了刀刃施加给工件表面的作用力,包括摩擦力和压力：在无切削液情况下,刀刃切入时,前刀面和后刀面施加给被切削面的摩擦力方向是指向刀刃;在有切削液情况下,刀刃切入时,前刀面和后刀面施加给被切削面的摩擦力方向是背向刀刃。背向刀刃的摩擦力,相对于指向刀刃的摩擦力而言,会导致剪切角增大,等效于更锋利的刀刃所产生的剪切角;切削液的存在使得刀刃施加给工件的力更加集中,等效于圆角半径更小的刀刃所能达到的效果;切削液在刀尖部位的压力分布不利于工件表面产生微裂纹。也就是说,超声辅助切削和切削液的联合使用起到了更锋利即更小圆角半径刀刃所起的效果,称之为非物理锐化。     

微切削加工技术

在探讨切削技术发展动力的基础上给出了机械加工的尺度划分方法。通过综述微制造技术,介绍了微切削加工装备和微切削刀具,提出了利用应变梯度塑性理论进行微切削机理研究的设想,从分子动力学模拟仿真、最小切削厚度、切屑形态、微切削力、切削温度、工件材料的微量加工性、刀具变形、表面粗糙度与切削稳定性、毛刺、积屑瘤、刀具磨损等不同方面分析了微切削机理的研究现状和存在问题。最后介绍了微铣削CAD/CAM技术,并指出了微切削加工技术的发展趋势。