金屬切削刀具的磨損與磨損狀態(tài)直接影響著機(jī)械加工的精度、效率及經(jīng)濟(jì)效益，因此刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)控越來越引起人們的重視。刀具磨損的在線監(jiān)測是柔性制造系統(tǒng)研究工程的一個重要課題。近年來國內(nèi)外在這方面的研究進(jìn)展很快，發(fā)布的就有數(shù)10種方法，然而能適用于生產(chǎn)的還很少。有的方法雖可用于實(shí)際生產(chǎn)，但卻因其對工況提出的非常苛刻的要求和限制，難以推廣應(yīng)用。由于切削力能直接反映加工過程中的動態(tài)行為，因而用切削力信號能間接監(jiān)測刀具工作狀態(tài)和磨損量，引起人們的關(guān)注。但是已有的用切削力信號監(jiān)測刀具磨損的諸多方法(如均值監(jiān)測法、方差監(jiān)測法、AR模具監(jiān)測法等)又因未弄清切削力信號與刀具磨損的內(nèi)在聯(lián)系及其變化規(guī)律，均有一定的片面性和不可靠性。鑒于此，本文從理論分析和實(shí)驗(yàn)提出一種刀具磨損監(jiān)測方法—頻段均方值法。

2切削力與刀具磨損的相關(guān)分析

1）切削力的波動特性

金屬切削過程中，工藝系統(tǒng)始終存在著或大或小振動。刀具相對于工件的振動，直接導(dǎo)致切削力隨之發(fā)生波動。由于振動的存在，非但切削面積要發(fā)生周期變化，而且刀具實(shí)際工作角度也要產(chǎn)生周期波動。一旦切削力發(fā)生了波動，將反作用于工藝系統(tǒng)，使系統(tǒng)振動得以抑制或加強(qiáng)。可以說明，切削力的波動周期與系統(tǒng)振動周期是相同的。

2)刀具磨損對切削力的影響

a.刀具磨損對靜態(tài)切削力的影響

刀具后刀面發(fā)生磨損以后改變了刀具與工件之間的接觸方式，由理論上的線接觸變?yōu)槊娼佑|。這樣就使得刀具后刀面與工件的摩擦力加大，吃刀抗力增大，反映在三向切削力方向上便是三向切削力均增大。并且隨著刀具磨損量的不斷增大，摩擦將繼續(xù)加劇，因而三向切削力亦將不斷增大。這就是說，靜態(tài)切削力具有正比于刀具后刀面磨損量的特性。

b.附加動態(tài)切削力的產(chǎn)生機(jī)理

前面的討論說明：實(shí)際的金屬切削過程總是一個動態(tài)的過程，切削力總是要發(fā)生一定范圍的波動。在不考慮刀具磨損的情況下，這個波動范圍是很大的，但是如果刀具后刀面存在磨損(實(shí)際刀具總是存在磨損的)，這個波動范圍將產(chǎn)生明顯的變化。因?yàn)榇说毒呃碚摴ぷ骱蠼亲兂?°，那么，角度周期變化的性質(zhì)必然導(dǎo)致刀具周期進(jìn)入負(fù)后角工作狀態(tài)，因而便產(chǎn)生一個交變力。由于這個交變力是刀具發(fā)生了磨損產(chǎn)生的，這里稱這個交變力為附加動態(tài)切削力，下稱附動力。

附動力的變化與刀具工作角度的變化范圍有關(guān)，也與刀具后刀面磨損量有關(guān)。刀具處于負(fù)后角工作狀態(tài)時，刀具后刀面要部分地?cái)D入工件，與工件產(chǎn)生干涉，使工件產(chǎn)生彈、塑性變形，很顯然，擠入工件的刀具部分體積越大，則所需的擠入力越大，附動力的幅值就越大；反之干涉面積越小，則產(chǎn)生的附動力的幅值越小。

附動力的產(chǎn)生增加了動態(tài)切削力的構(gòu)成，并且由上述分析可知，附動力有著與刀具磨損相同的變化趨勢，因而隨著刀具后刀面磨損的增大，動態(tài)切削力將呈現(xiàn)增大趨勢。

綜上所述，隨著刀具磨損量的增大，靜態(tài)切削力與動態(tài)切削力將同時不同程度地增大。

3)刀具磨損對切削狀態(tài)的影響性

附動力是一個周期變化的交變力，這個交變力反作用于工藝系統(tǒng)，對系統(tǒng)的振動產(chǎn)生一定的影響，從而對切削狀態(tài)也產(chǎn)生一定的作用。

一般地講，附動力的變化曲線是一條復(fù)雜的連續(xù)變化曲線，定量描述是很困難的。為了進(jìn)一步討論附動力的作用和影響，這里假設(shè)附動力變化在一個周期內(nèi)是分段線性的。并假定附動力的幅值Pk=kVB(1)

式中k——比例常數(shù)；

VB——刀具后刀面磨量。

可推得附動力的變化規(guī)律為

式中l(wèi)s——工藝系統(tǒng)振動在工件上的振紋波長；

x——切削長度。

在這種情況下，附動力P在一個周期內(nèi)對系統(tǒng)所做的功

式中Δx——系統(tǒng)振動振幅。由式(3)可以看出：AP是VB的連續(xù)函數(shù)，故在區(qū)間(0，ls)內(nèi)至少存在一點(diǎn)VBm，使得

這就是說AP在區(qū)間(0，ls)內(nèi)必存在至少一個極小值，事實(shí)上只存在一個極小值，這個極小值點(diǎn)為VB=VBm，在(0，VBm)內(nèi)AP單減，而在區(qū)間(VBm，ls)AP單增。用優(yōu)化方法在區(qū)間(0，ls)可求出VBm≈0.569ls(5)

由式(3)可以看出，附動力在一般情況下總是對系統(tǒng)做負(fù)功，對系統(tǒng)振動起阻尼作用。但是在刀具磨損量VB變化的不同區(qū)間，這種阻尼作用有著不同的變化趨勢。