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    刀具监控应用背景
    刀具监控应用背景随着生产自动化和智能化程度的提高,对刀具破损在线监控提出了更高的要求。在切削加工过程中,刀具的切削刃不仅承受着很高的切削力和切削温度,同时由于加工材料中含有的硬质点也会给高速运行中的刀具造成冲击,这些复杂的工况都容易造成刀具在加工过程中的破损。加工过程中破损的刀具如果未及时更换而继续加工将会导致切削力和切削温度急剧升高,加工出来的工件表面粗糙度和尺寸超差,严重时甚至会导致机床的损坏以及危及到操作人员。因此对于生产线批量生产刀具破损在线监控是非常有必要的。近年来随着生产人工成本的增加,制造企业对机械加工过程的效率要求越来越高,这种市场的要求使得越来越多的机械制造企业将更大的资金投入到自动化程度更高、智能化程度更高的数控生产线的应用领域。虽然这些先进的生产模式大大的节约了人工成本,提高了加工效率,但是对工艺系统的实时监控提出了很高的要求。工艺系统中对刀具的监控是*关键的,刀具的状态不仅影响产线节拍、还关系到产线的加工效率以及机床等工艺系统的安全。传统的机械加工方式中刀具的状态一般都是凭借机床操作人员的观察与经验判断刀具是否破损,这种判断方法带有很强的主观性。随着生产车间自动化和智能程度的大大提高,车间的生产线大多数都是由很少的人来管理或者智能化更高的产线甚至出现无人值守,显然传统的依靠机床操作人员个人经验来判断切削过程中刀具的是否需要更换已经不能满足当前这些先进的制造模式。当前很多的生产线都是统计刀具当前的加工时间或加工件数作为换刀的依据,而这种方法作为换刀的依据往往在设置加工件数或加工时间的时候较为保守,很可能会导致刀具寿命的浪费,同时如果在刀具寿命内出现刀具突然的破损也是无法预测的。刀具失效主要形式有刀具磨损和刀具破损。在加工过程中刀具的磨损是一个逐渐变化的过程,只要是运动中的刀具与工件接触就会发生刀具磨损。一般刀具都有一个磨钝标准,刀具在切削过程中没有达到该磨钝标准就失去了切削加工的能力,这种现象就是刀具破损。以刀具在切削加工中破损现象出现的时间来划分,刀具破损有前期破损和后期破损之分。在刚开始切削加工时切削刃和刀面并没有出现明显的磨损但是刀具失去了切削能力,刀具出现的这种现象称为前期破损。刀具后期破损则是刀具在切削一段时间后导致的刀具失去切削能力。刀具破损的另一种划分是根据破损形式分为塑性破损与脆性破损。
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    刀具监控关键技术与算法
    威尼人斯网址一般由信号检测、特征提取和状态识别三部分组成,其关键技术有智能传感、信息融合、信号处理和智能学习决策。1.智能传感1.1智能传感技术多传感器信息融合与单一传感器信号处理有着本质区别。多传感器的信息更复杂,能够在不同层次上融合集成。经融合后的信息具有冗余、互补、实时与低成本性,且多传感器融合的信息更全面、更准确。1.2智能传感技术的发展趋势信息采集由单传感器向多传感器发展,特征提取由单特征值向多特征值发展;多传感器信息采集成为趋势。多传感器获取多种信号,进行多参数的智能决策;开发灵敏度高、结构紧凑、安装方便、抗干扰的传感器;向多传感器信息融合的方向发展,尤其是基于神经网络的多传感器信息融合。2.基于神经网络的多传感器信息融合信息融合需要有效算法和较强的数据处理,神经网络和计算机分别满足此要求,因此信息融合在刀具监测中广泛应用。多传感器信息融合与神经网络相结合,构成多参数、多模型系统,应用于刀具监测中,前景广阔。基于神经网络的多传感器信息融合具有如下优点:(1)信息存储在网络的联接权值和联接结构上,形式统一,便于建常识库及管理。(2)神经网络增加容错性。当传感器出现故障或检测失效时,神经网络的容错功能允许检测系统正常工作,并输出可靠信息。(3)神经网络具有自学习和自组织功能,能自适应检测环境的变化及检测信息的不确定。(4)神经网络具有并行机制,处理信息速度快,满足实时处理需要。3.信号处理3.1信号处理技术信号处理是分析处理采集的信号,获取特征值,对特征值决策分析,达到监测目的。刀具监控的信号处理方法极为丰富,有时域分析、频域分析、时频分析、统计分析、智能分析、神经网络等。传统的信号处理多集中时域或频域分析。近年来,信号处理方法则逐渐向时频分析和智能方向发展。(1)傅立叶变换将瞬时多变的时域信号转换到频域上,更有利于分析其特征和性质,而傅立叶变换是频域分析的重要方法。离散傅立叶变换(DFT)的时域和频域均离散化,可用计算机作傅立叶分析。快速傅立叶变换(FFT)使DFT 的运算效率提高1至2 个数量级。傅立叶变换用频谱特性分析表现时域信号,但也有其局限性。(2)小波分析小波分析是多分辨率分析的时频分析方法,在时域、频域都能够表征信号局部特征,其窗口大小固定不变但形状可变。小波、小波包能分析微弱故障,适应于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象,应用前景广宽。连续小波变换是一种特征提取方法,通过将信号在时间—频率尺度上的特征提取,反映原信息的特征,但不能准确反映信号的能量大小。基于多分辨率的小波分析具有变化的时间或频率分辨率,能准确反映信号的能量大小。基于信号的小波包分析将信号分解在带宽相同、首尾相接的频带上,对高频和低频都具有较高的时频分辨率。(3)广义自适应小波广义自适应小波分析是指在小波分析中,根据信号特点,依照某种算法对一个或几个参量进行适应性选择,以取得*好的分析效果。这些参量包括小波基、小波分解尺度、平移系数和加权系数等。
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    刀具涂层机理及作用
    一、涂层刀具分类涂层刀具有四种:高速钢涂层刀具,硬质合金涂层刀具,以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。二、刀具磨损机理及涂层作用涂层是指在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上,利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物,使刀具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性。刀具磨损机理研究表明,在高速切削时,刀刃温度*高可达900℃,此时刀具磨损不仅是机械摩擦磨损,还有粘结磨损、扩散磨损、摩擦氧化磨损和疲劳破损,这5种磨损直接影响刀具的使用寿命。而刀具涂层所起的作用表现为:1. 涂层作为一个化学屏障和热屏障,在刀具与被切削材料之间形成隔离层。2. 通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低热冲击。涂层刀具的构成减少了刀具与工件间的扩散和化学反应,从而减少了物理磨损。3. 有效减少摩擦力及摩擦热。刀具通过涂层处理,实现固体润滑,减少摩擦和粘结,使刀具吸取热量减少,从而可承受较高的切削温度。4. 在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料,目的是为了提高刀片表面的断裂韧度,可减少刀片的崩刃及破损,扩大应用范围。三、刀具表面硬质层对涂层材料的一般性要求:1.硬度高,耐磨性能好。2.化学性能稳定,不与工件材料发生化学反应。3.耐热耐氧化,摩擦系数低,与基体附着牢固等。
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    刀具崩刃的原因及对策
    1)刀片牌号、规格选择不当,如刀片的厚度太薄或粗加工时选用了太硬太脆的牌号。对策:增大刀片厚度或将刀片立装,选用抗弯强度及韧性较高的牌号。2) 刀具几何参数选择不当(如前后角过大等)。对策:可从以下几方面着手重新设计刀具。① 适当减小前、后角。② 采用较大的负刃倾角。③ 减小主偏角。④ 采用较大的负倒棱或刃口圆弧。⑤ 修磨过渡切削刃,增强刀尖。3)刀片的焊接工艺不正确,造成焊接应力过大或焊接裂缝。对策:①避免采用三面封闭的刀片槽结构。②正确选用焊料。③避免采用氧炔焰加热焊接,并且在焊接后应保温,以消除内应力。④尽可能改用机械夹固的结构4)威尼人斯网址刃磨方法不当,造成磨削应力及磨削裂纹;对PCBN铣刀刃磨后刀齿的振摆过大,使个别刀齿负荷过重,也会造成打刀。对策:①采用间断磨削或金刚石砂轮磨削。②选用较软的砂轮,并经常修整保持砂轮锋利。③注意刃磨质量,严格控制铣刀刀齿的振摆量。5) 切削用量选择不合理,如用量过大,便机床闷车;断续切削时,切削速度过高,进给量过大,毛坯余量不均匀时,切削深度过小;切削高锰钢等加工硬化倾向大的材料时,进给量过小等。对策:重新选择切削用量。6) 机械夹固式刀具的刀槽底面不平整或刀片伸出过长等结构上的原因。对策:①修整刀槽底面。②合理切削液喷嘴的位置。③淬硬刀杆在刀片下面增加硬质合金垫片。
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    防止刀具钝化的措施主要有以下几个方面
    1、大刚度机床及卡具尤其是每刀齿进给量较小时,要保证刀刀入肉,机床、卡具、刀具、装卡方式所形成的系统刚度是关键。会影响到刀具刃口到达被切削表面时刀刃是否能够顺利切入工件。当刚度不够时由于受力作用使得刀刃从被切削表面划过,造成后刀面与工件挤压摩擦,刀具发热,极易产生积屑瘤,在铣削工况时,如果系统刚度不够,往往是划过了几个刀刃才有一个刀刃切入工件。2、注意顺铣,不能逆铣和盲铣(满槽铣)威尼人斯网址顺铣顺铣时切屑的形状是由厚到薄,刀刃容易切入工件表面,逆铣逆铣时切屑形状由薄到厚,刀具刃口接触工件后,开始的切屑厚度是无穷小,刀具必须要经过摩擦、挤压,才能够切入工件,这个过程刀具很容易钝化,对刀具寿命有很大影响。3、适合的切削参数切速:每一种刀具材料和特定的刀具形状都决定了刀具切削速度,过低和过高的切削速度都会缩短刀具寿命每齿(每转)进给量也是重要的切削参数;太大造成机床震动,刀具破损,太小不能保证刀刀入肉,会产生挤压摩擦,刀具寿命会缩短。切深:合适的切深是保证刀具寿命的主要参数,使刀具在合理的变形区域内和受力状态下。4、冷却液适合的冷却液可以有效降低刀具温度5、排屑拥塞的切削空间会造成切屑缠绕在刀具上,或重新绞入被切削表面,干扰刀具的工作,影响散热,不但破坏了工件的表面质量,对刀具寿命也构成较大影响。
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