刀具的磨損程度對切削過程和零件加工質量有著直接影響，所以刀具磨損的研究一直受到國內外學者的重視。傳統的離線靜態檢測刀具磨損方法可以精確地測量出刀具的磨損程度。但是，隨著CNC，FMS等現代加工方法大量應用，這種靜態測量方法已無實際應用價值。現代加工方法要求必須能在線檢測刀具磨損，尤其針對難加工材料切削。例如鈦合金攻絲，絲錐的耐用度很低，其磨損程度直接決定絲錐的扭斷和加工零件的報廢，因此，絲錐后刀面磨損達到磨鈍標準前必須能夠被檢出。在線檢測刀具磨損的方法很多，如聲發射法、振動法等，但是利用切削力檢測比較靈敏和容易實現，因此得到廣泛應用。過去切削力檢測時通常采用靜態切削力檢測法，實際應用中其靈敏性指標不夠理想。動態信號反應靈敏，包含著諸如刀具磨損、加工系統動態特性等信息，在現代檢測技術中占據重要位置。本項研究結果表明，將其應用到檢測振動攻絲絲錐磨損是可行的。

1 動態切削力信號分析原理

圖1 振動攻絲扭矩

任何切削力信號都是靜態切削力與動態切削力的疊加，如圖1所示。Fm為靜態切削力，是切削力信號的均值；ΔFm為動態切削力，是切削力的波動部分。由于在力傳感器輸出中，靜態力是一個變化緩慢的直流電壓分量，動態力是一個交變電壓分量，直流電壓分量可以通過高通濾波器濾掉，只得到交變電壓分量，即動態切削力信號。對于動態切削力信號可以用傅立葉積分表示為

式中：

X(jw)稱為動態切削力信號x(t)的傅立葉積分變換。

根據維納-辛欽關系式，動態切削力自功率譜Sx(jw)為

式中：

Rx(τ)稱為動態切削力信號x(t)的自相關函數。

根據巴什瓦定理，時域內的總功率與頻域內的總功率滿足下列關系式，即

若在有限長度T內考慮動態切削力信號，則有

式(6)反映了功率譜與幅值譜之間的關系，實際應用中采用單邊功率譜，即功率譜的頻率范圍為(0，+ ∞)。考慮到能量等效，單邊功率譜Gx(jw)應為 Gx(jw)=2Sx(jw)

綜上所述，得到動態切削力信號功率譜可以通過兩種途徑：一種是求信號的幅值譜；另一種是求信號的自相關函數，然后求其功率譜。實際應用中采用計算機分析，通過采樣將切削力信號離散化，用時序方法得到其功率譜。

2 試驗裝置

試驗裝置組成原理圖如圖2所示。切削力(攻絲扭矩和軸向力)通過四向精密測力儀測量，切削力信號經過動態應變儀放大后，一路通過X-Y記錄儀記錄，另一路經過抗頻混濾波后送計算機數據采集與分析系統，得到動態切削力的時域信息，將時域樣本記錄進行FFT處理，得到相應的頻域特性，即動態切削力信號的功率譜，并通過打印機記錄。

圖2 試驗裝置組成原理圖

3 試驗分析

試驗的目的是研究在頻域內動態切削力隨絲錐磨損的變化規律。試驗條件如下：機床：作者研制的數控振動攻絲機床；絲錐：M3mm×0.5 mm，高速鋼材料，經過修磨，2級精度；工件材料：鈦合金TC4，供應狀態，棒材；工件底孔：φ2.6 mm×15 mm，通孔；切削液：自配；潤滑方式：浸泡；振動攻絲轉速：39r/min；振幅：0.275 mm；頻率：8.2 Hz；振型：22-3-8-5。

試驗中其中一只絲錐共攻出16個孔，絲錐經歷了初期磨損、正常磨損和劇烈磨損階段，最后出現攻絲過程不平穩，產生明顯振動。攻第16個孔時，攻絲過程中出現抱錐，間歇切削，即絲錐時轉時停，后刀面磨損值達0.27mm，出現刀齒局部微小崩刃，有兩個校正齒完全崩掉，失去切削能力。圖3為攻第2個孔時，動態攻絲扭矩的時域圖(a)和頻域圖(b)。

圖3 動態攻絲扭矩時域圖(a)和頻域圖(b)

從FFT分析儀CF-920得到的攻絲全過程動態攻絲扭矩時域圖和頻域圖可以看出，盡管動態攻絲扭矩時域圖形差別很大，但是其功率譜圖有極其相似的形狀，只是在主要頻率處譜峰變化不同。進一步分析知：動態攻絲扭矩的功率譜有兩個主要峰值，一個在低頻段5Hz左右，另一個在較高頻率段350 Hz左右，譜峰的能量隨著絲錐的磨損逐漸增加。表1為主要譜峰頻率功率值(采用線性譜表示，為功率譜值的平方根)隨絲錐磨損的變化情況。攻絲初期，主要峰值的功率值較小，而且整個動態信號的全功率值也較小。隨著攻絲個數的增加，絲錐逐漸磨損，主要峰值的功率值明顯上升，整個動態信號的全功率值也增加，說明刀具磨損后，刀具與工件的摩擦面積增加，影響到各種頻率信號的能量增加。刀具產生崩刃時，高頻段主要峰值能量迅速增加，而且整個信號的全功率值上升。

表1 主要峰值頻率功率值

攻絲個數	頻率5 Hz 左右功率值/V	頻率350 Hz 左右功率值/V
1	0.229 9	0.102 9
3	0.293 8	0.098 2
7	0.308 3	0.110 4
10	0.332 9	0.135 2
14	0.434 0	0.158 5
16	0.277 8	0.408 3

在其他條件不變，只將振幅變為0.49 mm，頻率變為5.8Hz，所做絲錐磨損試驗與上述試驗有相同的變化規律，說明振動攻絲刀具磨損與攻絲扭矩功率譜存在著特定關系。在絲錐嚴重磨損至崩刃，較高頻率段的主要譜峰值明顯增加，而且在整個頻域的全功率值增加。由于對于任何攻絲條件下，主要譜峰的頻率數少，因此，計算量大大減少，為實際監控提供了方便，工程應用完全是可行的。

4 結束語

刀具磨損的在線檢測在現代加工方法中日益重要。振動攻絲中，攻絲扭矩動態信號主要峰值頻率功率值與絲錐磨損存在著明顯的變化規律，且功率譜圖中主要峰值頻率少，可以在工程中利用主要峰值頻率的功率值實時檢測刀具磨損。(end)