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    刀具寿命及刀具状态监控
    一 刀具磨损的形态及其原因切削金属时,刀具一方面切下切屑,另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损;后者包括脆性破损(如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等)和塑性破损两种。刀具磨损后,使工件加工精度降低,表面粗糙度增大,并导致切削力加大、切削温度升高,甚至产生振动,不能继续正常切削。从对温度的依赖程度来看,刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的,热、化学磨损则是由粘结(刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象)、扩散(刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方、腐蚀等)引起的。 二 刀具磨损过程、磨钝标准及刀具寿命随着切削时间的延长,刀具磨损增加。刀具磨损到一定限度就不能继续使用。这个磨损限度称为磨钝标准。 一把新刀(或重新刃磨过的刀具)从开始使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间,称为刀具寿命。 三 刀具的破损刀具破损和刀具磨损一样,也是刀具失效的一种形式。刀具在一定的切削条件下使用时,如果它经受不住强大的应力(切削力或热应力),就可能发生突然损坏,使刀具提前失去切削能力,这种情况就称为刀具破损。破损是相对于磨损而言的。从某种意义上讲,破损可认为是一种非正常的磨损。四 刀具的状态监控刀具损坏的形式主要是磨损和破损。在现代化的生产系统(如FMS、CIMS等)中,当刀具发生非正常的磨损或破损时,如不能及时发现并采取措施,将导致工件报废,甚至机床损坏,造成很大的损失。因此,对刀具状态进行监控非常重要。 刀具破损监测可分为直接监测和间接监测两种。所谓直接监测,即直接观察刀具状态,确认刀具是否破损。
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    刀具破损的表现
    1) 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。2) 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。3) 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。4) 刀片表层剥落刀具监控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。5) 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。6) 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。
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    切削过程进行监控的注意事项
    1.加工过程监控 粗加工主要考虑的是工件表面的多余余量的快速切除。在机床自动加工过程中,根据设定的切削用量,刀具按预定的切削轨迹自动切削。此时操编辑应注意通过切削负荷表观察自动加工过程中的切削负荷变化情况,根据刀具的承受力状况,调整切削用量,发挥机床的*大效率。2.切削过程中切削声音的监控 在自动切削过程中,一般开始切削时,刀具切削工件的声音是稳定的、连续的、轻快的,此时机床的运动是平稳的。随着切削过程的进行,当工件上有硬质点或刀具破损或刀具送夹等原因后,切削过程出现不稳定,不稳定的表现是切削声音发生变化,刀具与工件之间会出现相互撞击声,机床会出现震动。此时应及时调整切削用量及切削条件,当调整效果不明显时,应暂停机床,检查刀具及工件状况。精加工过程监精加工,主要是保证工件的加工尺寸和加工表面质量,切削速度较高,进给量较大。此时应着重注意积屑瘤对加工表面的影响,对于型腔加工,还应注意拐角处加工过切与让刀。对于上述问题的解决,一是要注意调整切削液的喷淋位置,让加工表面时刻处于*佳]的冷却条件;二是要注意观察工件的已加工面质量,通过调整切削用量,尽可能避免质量的变化。如调整仍无明显效果,则应停机检察原程序编得是否合理。特别注意的是,在暂停检查或停机检查时,要注意刀具的位置。如刀具在切削过程中停机,突然的主轴停转,会使工件表面产生刀痕。一般应在刀具离开切削状态时,考虑停机。刀具的质量很大程度决定了工件的加工质量。在自动加工切削过程中,要通过声音监控、切削时间控制、切削过程中暂停检查、工件表面分析等方法判断刀具的正常磨损状况及非正常破损状况。要根据加工要求,对刀具及时处理,防止发生由刀具未及时处理而产生的加工质量问题。
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    刀具监视系统的应用分析
    机床的基础性能决定了产线的基本配置,然而实际的加工效果则需要刀具来保证。在主轴与刀柄之间哪怕存在着极微小的异物,也会造成铣镗刀具装卡不准确,导致次品率上升和停机事故频发,传感器辅助的监视系统可以有效阻止此类事故的发生。以传动机构部件为例,此类部件必须实现高精度加工,以达到高效运行并确保*大的安全性能。但是,一旦切屑和废料等异物进入到加工接触面,铣床的精度就会丧失殆尽。异物将会在接触面上沉积下来,并在各接触面之间生成一条缝隙。机床的基础性能决定了产线的基本配置,然而实际的加工效果则需要刀具来保证。在主轴与刀柄之间哪怕存在着极微小的异物,也会造成铣镗刀具装卡不准确,导致次品率上升和停机事故频发,传感器辅助的监视系统可以有效阻止此类事故的发生。以传动机构部件为例,此类部件必须实现高精度加工,以达到高效运行并确保*大的安全性能。但是,一旦切屑和废料等异物进入到加工接触面,铣床的精度就会丧失殆尽。异物将会在接触面上沉积下来,并在各接触面之间生成一条缝隙。▲汽车传动部件刀具监控在以复合加工工艺和联合机床为特征的批量加工汽车产品部件时,单台设备和流程均可对整条生产流水线的加工过程和质量产生影响。因装夹精度不足而造成的机床加工误差往往要到下一道质量控制环节时才能被发现。除了产生残次品部件之外,这样的事件还会导致单台设备或整条生产线的停机。同时,查找和排除故障、识别工件和重新运行所需跟踪时间都会产生额外的费用。▲监视系统被集成到刀具主轴上,由此该电子组件可以在旋转的主轴上自行工作。
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    刀具基体改变
    通过在1~5μm范围内改变碳化钨的粒度,刀具制造商可以改变硬质合金刀具的基体性能。基体材料的粒度对于切削性能和刀具寿命起着重要作用。粒度越小,刀具的耐磨性越好。反之,粒度越大,刀具的强韧性越好。细颗粒基体主要用于加工航空牌号材料(如钛合金、Inconel合金和其他高温合金)的刀片。此外,将硬质合金刀具材料的钴含量提高6%~12%,可以获得更好的韧性。因此,可以通过调整钴含量来满足特定切削加工的要求,无论这种要求是韧性还是耐磨性。刀具破损基体的性能还可以通过在接近外表面处形成富钴层,或者通过在硬质合金材料中有选择性地添加其他合金元素(如钛、钽、钒、铌等)而获得增强。富钴层可以显着提高切削刃强度,从而提高粗加工和断续切削刀具的性能。此外,在选择与工件材料和加工方式相匹配的刀具基体时,还表现考虑另外5种基体特性——断裂韧性、横向断裂强度、抗压强度、硬度和耐热冲击性能。例如,如果硬质合金刀具出现沿切削刃崩刃的现象,就应该选用具有较高断裂韧性的基体材料。而在刀具出现切削刃直接失效或破损的情况下,可能采用的解决方案是选用具有较高横向断裂强度或较高抗压强度的基体材料。对于切削温度较高的加工场合(如干式切削),通常应该**硬度较高的刀具材料。在可以观察到刀具产生热裂纹的加工场合(在铣削加工中*常见),建议选用耐热冲击性能较好的刀具材料。对刀具基体材料的优化改进可以提高刀具的切削性能。
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