本發(fā)明涉及刀具磨損檢測(cè)領(lǐng)域，具體說(shuō)是一種基于分形理論的刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

高速切削加工過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜、非線性的變化過(guò)程，而分形理論是非線性科學(xué)研究中十分活躍的一個(gè)分支，為解決復(fù)雜的非線性問(wèn)題提供了一種行之有效的方法，也推動(dòng)了機(jī)械科學(xué)技術(shù)在若干方面的深入發(fā)展。切削中的各種因素都對(duì)刀具的磨損產(chǎn)生直接或間接的作用，產(chǎn)生不確定性，致使刀具切削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果難以具有好的穩(wěn)定性。而分形方法可對(duì)具有非線性和隨機(jī)性的刀具磨損進(jìn)行表征。

隨著刀具磨損量的增加，振動(dòng)信號(hào)的波形會(huì)發(fā)生變化，而分形參數(shù)能對(duì)這種波形的變化進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、識(shí)別（W Li, P Fu, E Zhang. Application of fractal dimensions and fuzzy clustering to tool wear monitoring [J]. Telkomnika, 2013, 11(1): 187-194）。對(duì)切削過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行多重分形分析，建立切削過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)的廣義分形維數(shù)與刀具磨損間的關(guān)系（張鍇鋒, 袁惠群, 聶鵬. 基于廣義分形維數(shù)的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè) [J]. 振動(dòng)與沖擊, 2014, 33(1): 162-169），也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損狀態(tài)的有效識(shí)別。在高速切削過(guò)程中，刀—屑接觸界面一般由粘結(jié)和滑動(dòng)區(qū)域組成，這兩個(gè)區(qū)域隨著切削的而動(dòng)態(tài)變化，分形方法可從微觀尺度分析刀—屑界面摩擦接觸行為（S Raman, A Longstreet, D Guha. A fractal view of tool–chip interfacial friction in machining [J]. Wear, 2002, 253: 1111-1120）；在研究刀具磨損分形維數(shù)評(píng)價(jià)刀具切削性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，刀具后刀面磨損分形維數(shù)比后刀面磨損寬度VB在評(píng)價(jià)刀具切削性能方面有一定的優(yōu)勢(shì)，有待進(jìn)一步探討（B Li. On the use of fractal methods for the tool flank wear characterization [J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2014, 42: 221-227）。

切削力是刀具狀態(tài)最直接的放映，切削力信號(hào)直接真實(shí)、抗干擾能力較強(qiáng)。而且刀具的磨損狀態(tài)與切削力的變化存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為此，本發(fā)明借助分形理論，通過(guò)在線測(cè)量切削力，獲取切削力離散值，建立切削力向量并進(jìn)行相關(guān)性分析，并計(jì)算切削力分形維數(shù)。在整個(gè)刀具壽命范圍內(nèi)，切削力分形維數(shù)呈現(xiàn)高—低—高的變化趨勢(shì)，與刀具磨損的三個(gè)階段相對(duì)應(yīng)，并利用這種對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)判斷刀具磨損狀態(tài)。該方法操作簡(jiǎn)單，不需要停車(chē)檢測(cè)刀具磨損，可顯著提高加工效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明結(jié)合分形理論，提出了一種刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)的方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種基于分形理論的刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

1）在不同的切削參數(shù)下，從刀具開(kāi)始工作到達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，采集整個(gè)切削過(guò)程中的切削力信號(hào)；

2）按照切削時(shí)間節(jié)點(diǎn)，提取切削力離散值，建立具有時(shí)間序列特性的切削力向量，并對(duì)各切削力向量進(jìn)行相關(guān)性分析；

3）按切削時(shí)間的先后順序，利用最小二乘法，依次計(jì)算各時(shí)間段內(nèi)的切削力分形維數(shù)；

4）將相鄰兩時(shí)間段的分形維數(shù)相比較，并判斷刀具的磨損狀態(tài)。

進(jìn)一步地，步驟4）所述判斷刀具磨損狀態(tài)，主要按照下述情形進(jìn)行判斷：

a. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較大，且有減小的趨勢(shì)，則刀具處于初期磨損階段；

b. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較小，且相差不大，則刀具正處于穩(wěn)定磨損階段；

c. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值增大，且有繼續(xù)增加的趨勢(shì)，則刀具處于急劇磨損階段，需考慮及時(shí)停車(chē)換刀。

本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

切削力是刀具狀態(tài)最直接的反映，切削力信號(hào)直接真實(shí)、抗干擾能力較強(qiáng)。刀具的磨損狀態(tài)與切削力的變化存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該方法不需要停車(chē)拆下刀片觀察刀具磨損狀態(tài)，而通過(guò)力信號(hào)的分形維數(shù)的變化判斷刀具磨損狀態(tài)，操作簡(jiǎn)單，可顯著提高加工效率。

附圖說(shuō)明：

圖1為刀具后刀面磨損量和切削力分形維數(shù)隨切削時(shí)間的變化曲線（K313, v_c=80 m/min, f=0.2 mm/r, a_p=0.5 mm）；

圖2為刀具后刀面磨損量和切削力分形維數(shù)隨切削時(shí)間的變化曲線（KC5510, v_c=80 m/min, f=0.1 mm/r, a_p=0.25 mm）；

圖3為刀具后刀面磨損量和切削力分形維數(shù)隨切削時(shí)間的變化曲線（KC5510, v_c=100 m/min, f=0.14 mm/r, a_p=0.35 mm）。

具體實(shí)施方式：

實(shí)施例一

所用的切削刀具為硬質(zhì)合金刀具K313（由Kennametal公司生產(chǎn)），工件材料為α+β雙相鈦合金Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TC11），選用PSSNR2020K12型號(hào)的車(chē)刀桿在CA6140型普通機(jī)床上進(jìn)行試驗(yàn)，采用USB200型光學(xué)工具顯微鏡（由深圳市深視光谷光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)）測(cè)量刀具后刀面磨損量，利用DC CSM19型車(chē)削測(cè)力儀（由重慶迪加科技公司生產(chǎn)）采集切削過(guò)程中的力信號(hào)。

可以在線監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

1）在v_c=80 m/min, f=0.2 mm/r, a_p=0.5 mm的切削參數(shù)下，對(duì)刀具切削過(guò)程中的切削力信號(hào)進(jìn)行采集；

2）按照切削時(shí)間節(jié)點(diǎn)，提取切削力得到離散值，建立具有時(shí)間序列特性的切削力向量，利用Higuchi方法對(duì)各切削力向量進(jìn)行相關(guān)性分析；

3）按切削時(shí)間的先后順序，利用最小二乘法，依次計(jì)算各時(shí)間段內(nèi)的切削力分形維數(shù)；

4）將相鄰兩時(shí)間段的分形維數(shù)相比較，并按下述情形判斷刀具的磨損狀態(tài)：

a. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較大，且有減小的趨勢(shì)，則刀具處于初期磨損階段；

b. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較小，且相差不大，則刀具正處于穩(wěn)定磨損階段；

c. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值增大，且有繼續(xù)增加的趨勢(shì)，則刀具處于急劇磨損階段。

通過(guò)上述過(guò)程得到了刀具磨損和切削力分形維數(shù)隨切削時(shí)間的變化曲線，如圖1所示，可以看出在整個(gè)刀具壽命范圍內(nèi)，切削力分形維數(shù)呈現(xiàn)高—低—高的變化趨勢(shì)，與刀具磨損的三個(gè)階段初期磨損階段、穩(wěn)定磨損階段、急劇磨損階段相對(duì)應(yīng)。

實(shí)施例二

所用的切削刀具為PVD涂層硬質(zhì)合金刀具KC5510（TiAlN涂層，Kennametal），工件材料為α+β雙相鈦合金TC11，在CA6140型普通機(jī)床上進(jìn)行試驗(yàn)，采用USB200型光學(xué)工具顯微鏡（由深圳市深視光谷光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)）測(cè)量刀具后刀面磨損量，利用DC CSM19型車(chē)削測(cè)力儀（重慶迪加科技公司生產(chǎn)）采集切削過(guò)程中的力信號(hào)。

可以在線監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

1）在v_c=80 m/min, f=0.1 mm/r, a_p=0.25 mm和v_c=100 m/min, f=0.14 mm/r, a_p=0.35 mm的切削參數(shù)下，對(duì)刀具切削過(guò)程中的切削力信號(hào)進(jìn)行采集；

2）按照切削時(shí)間節(jié)點(diǎn)，提取切削力得到離散值，建立具有時(shí)間序列特性的切削力向量，利用Higuchi方法對(duì)各切削力向量進(jìn)行相關(guān)性分析；

3）按切削時(shí)間的先后順序，利用最小二乘法，依次計(jì)算各時(shí)間段內(nèi)的切削力分形維數(shù)；

4）將相鄰兩時(shí)間段的分形維數(shù)相比較，并按下述情形判斷刀具的磨損狀態(tài)：

a. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較大，且有減小的趨勢(shì)，則刀具處于初期磨損階段；

b. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較小，且相差不大，則刀具正處于穩(wěn)定磨損階段；

c. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值增大，且有繼續(xù)增加的趨勢(shì)，則刀具處于急劇磨損階段。

通過(guò)上述過(guò)程得到了刀具磨損和切削力分形維數(shù)隨切削時(shí)間的變化曲線，如圖2和圖3所示，可以看出在整個(gè)刀具壽命范圍內(nèi)，切削力分形維數(shù)呈現(xiàn)高—低—高的變化趨勢(shì)，與刀具磨損的三個(gè)階段初期磨損階段、穩(wěn)定磨損階段、急劇磨損階段相對(duì)應(yīng)。