本發明涉及刀(dao)具磨(mo)(mo)損檢測領域(yu)，具體說是(shi)一種基于分形(xing)理論(lun)的(de)刀(dao)具磨(mo)(mo)損狀態在(zai)線監測方(fang)法。

背景技術：

高速切(qie)削加工過程(cheng)是一(yi)個(ge)復(fu)雜、非線(xian)性(xing)的(de)變化過程(cheng)，而分形理論是非線(xian)性(xing)科(ke)學研究中十分活躍的(de)一(yi)個(ge)分支，為解決復(fu)雜的(de)非線(xian)性(xing)問題提供了(le)一(yi)種(zhong)行(xing)之(zhi)有效的(de)方(fang)法，也推動了(le)機械科(ke)學技術在若干(gan)方(fang)面的(de)深入發展。切(qie)削中的(de)各種(zhong)因素都對刀具(ju)(ju)的(de)磨損產生直接或間接的(de)作用，產生不確定(ding)性(xing)，致使(shi)刀具(ju)(ju)切(qie)削實驗數據和結果難以具(ju)(ju)有好(hao)的(de)穩定(ding)性(xing)。而分形方(fang)法可對具(ju)(ju)有非線(xian)性(xing)和隨機性(xing)的(de)刀具(ju)(ju)磨損進(jin)行(xing)表征(zheng)。

隨著刀(dao)具(ju)(ju)磨損量(liang)的增加(jia)，振(zhen)動信號(hao)的波形(xing)會(hui)發生變化(hua)，而(er)分(fen)形(xing)參數(shu)(shu)能對(dui)這種(zhong)波形(xing)的變化(hua)進行準確的描述(shu)，進而(er)實現(xian)對(dui)刀(dao)具(ju)(ju)狀態的監測、識(shi)別(bie)（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(dui)切(qie)削(xue)過(guo)程(cheng)聲發射信號(hao)進行多(duo)重分(fen)形(xing)分(fen)析(xi)，建立切(qie)削(xue)過(guo)程(cheng)的聲發射信號(hao)的廣義(yi)分(fen)形(xing)維(wei)(wei)數(shu)(shu)與刀(dao)具(ju)(ju)磨損間的關(guan)系（張鍇(kai)鋒, 袁惠群, 聶鵬. 基于廣義(yi)分(fen)形(xing)維(wei)(wei)數(shu)(shu)的刀(dao)具(ju)(ju)磨損狀態監測 [J]. 振(zhen)動與沖擊, 2014, 33(1): 162-169），也(ye)可(ke)以實現(xian)對(dui)刀(dao)具(ju)(ju)磨損狀態的有(you)效識(shi)別(bie)。在高速(su)切(qie)削(xue)過(guo)程(cheng)中，刀(dao)—屑接觸(chu)界面一般由粘結(jie)和滑動區(qu)域組成，這兩個區(qu)域隨著切(qie)削(xue)的而(er)動態變化(hua)，分(fen)形(xing)方(fang)法可(ke)從(cong)微觀(guan)尺度分(fen)析(xi)刀(dao)—屑界面摩擦接觸(chu)行為(wei)（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(dao)具(ju)(ju)磨損分(fen)形(xing)維(wei)(wei)數(shu)(shu)評價(jia)刀(dao)具(ju)(ju)切(qie)削(xue)性能時發現(xian)，刀(dao)具(ju)(ju)后(hou)刀(dao)面磨損分(fen)形(xing)維(wei)(wei)數(shu)(shu)比后(hou)刀(dao)面磨損寬(kuan)度VB在評價(jia)刀(dao)具(ju)(ju)切(qie)削(xue)性能方(fang)面有(you)一定的優勢，有(you)待進一步探(tan)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(qie)(qie)削(xue)力(li)(li)是刀具狀態最直接(jie)(jie)的(de)放映，切(qie)(qie)削(xue)力(li)(li)信號直接(jie)(jie)真實、抗干擾(rao)能(neng)力(li)(li)較強(qiang)。而且刀具的(de)磨(mo)損狀態與切(qie)(qie)削(xue)力(li)(li)的(de)變(bian)化存在很好的(de)對應(ying)關(guan)系。為此，本發明借助分形理論，通(tong)過(guo)在線(xian)測量切(qie)(qie)削(xue)力(li)(li)，獲取切(qie)(qie)削(xue)力(li)(li)離散(san)值，建立切(qie)(qie)削(xue)力(li)(li)向量并(bing)進行(xing)相關(guan)性分析，并(bing)計算切(qie)(qie)削(xue)力(li)(li)分形維數。在整個(ge)(ge)刀具壽(shou)命范圍(wei)內，切(qie)(qie)削(xue)力(li)(li)分形維數呈(cheng)現高—低—高的(de)變(bian)化趨勢(shi)，與刀具磨(mo)損的(de)三個(ge)(ge)階段相對應(ying)，并(bing)利(li)用這種對應(ying)關(guan)系來判斷刀具磨(mo)損狀態。該方法操作簡單，不需要停車檢(jian)測刀具磨(mo)損，可顯著提(ti)高加工效率。

技術實現要素：

為解決上述技(ji)術(shu)問(wen)題，本發(fa)明結合分形理論，提出了(le)一種刀具磨損狀態在線監(jian)測的方法。

本發明為解決上述技(ji)術問題所采用(yong)的技(ji)術方案為：一種(zhong)基于分(fen)形理論的刀(dao)具磨損狀態(tai)在線監測方法，包括以下步驟(zou)：

1）在不同(tong)的切(qie)削參數下，從刀(dao)具開始工作到(dao)達到(dao)磨鈍標(biao)準，采集整個切(qie)削過(guo)程中的切(qie)削力信號；

2）按照(zhao)切(qie)削(xue)(xue)(xue)時(shi)間節點，提取切(qie)削(xue)(xue)(xue)力離(li)散(san)值，建立(li)具(ju)有(you)時(shi)間序列特性的切(qie)削(xue)(xue)(xue)力向(xiang)(xiang)量，并(bing)對(dui)各切(qie)削(xue)(xue)(xue)力向(xiang)(xiang)量進(jin)行相(xiang)關性分析；

3）按切削時間的先(xian)后順序，利用最(zui)小二乘法(fa)，依次計算各(ge)時間段內的切削力分(fen)形維數；

4）將(jiang)相(xiang)鄰兩時(shi)間段的分形維(wei)數相(xiang)比(bi)較，并判斷刀具(ju)的磨損狀態。

進一步地，步驟4）所述判斷(duan)刀具磨損狀態，主要按(an)照下述情形進行判斷(duan)：

a. 相鄰兩(liang)切(qie)削階段(duan)的分形維數值較大(da)，且有減小的趨(qu)勢(shi)，則刀具處于初期(qi)磨損階段(duan)；

b. 相鄰兩切削階段的分形維數值較小，且相差不大(da)，則(ze)刀具正處于穩定磨損階段；

c. 相鄰兩切(qie)削階(jie)段的分形維數值增(zeng)大，且(qie)有繼續增(zeng)加的趨勢，則刀具處于(yu)急劇(ju)磨損階(jie)段，需(xu)考慮及時停車(che)換刀。

本發明(ming)具有如下(xia)的(de)優(you)點和有益效果：

切削(xue)(xue)力是刀(dao)具(ju)狀(zhuang)態最(zui)直(zhi)接(jie)的(de)(de)反映，切削(xue)(xue)力信號直(zhi)接(jie)真實(shi)、抗干擾能力較強。刀(dao)具(ju)的(de)(de)磨損狀(zhuang)態與切削(xue)(xue)力的(de)(de)變(bian)化存在很好的(de)(de)對應關系。該方法(fa)不(bu)需(xu)要停車拆下刀(dao)片觀察刀(dao)具(ju)磨損狀(zhuang)態，而通過力信號的(de)(de)分形維數的(de)(de)變(bian)化判斷刀(dao)具(ju)磨損狀(zhuang)態，操作簡單，可顯(xian)著提高加工效率。

附圖說明：

圖1為刀具后刀面磨損量和切削力分形維數隨切削時間的變化曲線（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隨切削時間的變化曲線（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隨切削時間的變化曲線（KC5510, v_c=100 m/min, f=0.14 mm/r, a_p=0.35 mm）。

具體實施方式：

實施例一

所(suo)用(yong)(yong)的切(qie)削(xue)(xue)(xue)刀(dao)(dao)具(ju)為硬質合(he)金(jin)刀(dao)(dao)具(ju)K313（由(you)Kennametal公(gong)(gong)司(si)生產(chan)），工(gong)件(jian)材料(liao)為α+β雙相鈦合(he)金(jin)Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si（以(yi)下簡稱TC11），選用(yong)(yong)PSSNR2020K12型號的車刀(dao)(dao)桿在CA6140型普通機床上進行試(shi)驗，采(cai)用(yong)(yong)USB200型光(guang)學(xue)工(gong)具(ju)顯微(wei)鏡（由(you)深(shen)圳市深(shen)視光(guang)谷光(guang)學(xue)儀器有(you)限(xian)公(gong)(gong)司(si)生產(chan)）測量刀(dao)(dao)具(ju)后刀(dao)(dao)面磨損量，利用(yong)(yong)DC CSM19型車削(xue)(xue)(xue)測力(li)儀（由(you)重慶(qing)迪加科技公(gong)(gong)司(si)生產(chan)）采(cai)集切(qie)削(xue)(xue)(xue)過程中的力(li)信(xin)號。

可(ke)以在線監測(ce)刀(dao)具(ju)磨損(sun)狀(zhuang)態的方法，包括(kuo)以下(xia)步驟：

1）在v_c=80 m/min, f=0.2 mm/r, a_p=0.5 mm的切(qie)削(xue)參數下，對(dui)刀具切(qie)削(xue)過程(cheng)中(zhong)的切(qie)削(xue)力(li)信號進行采集(ji)；

2）按照切(qie)削時間節點，提取切(qie)削力得到離散值，建立具有時間序(xu)列(lie)特(te)性的(de)切(qie)削力向(xiang)量，利用Higuchi方法對各(ge)切(qie)削力向(xiang)量進行相(xiang)關性分析；

3）按切(qie)削時間的先后順(shun)序(xu)，利用(yong)最小二乘法，依次(ci)計算(suan)各時間段(duan)內的切(qie)削力分(fen)形維數；

4）將(jiang)相鄰兩時間段的(de)(de)分形(xing)維數相比較，并按(an)下述情形(xing)判斷刀具的(de)(de)磨(mo)損狀態(tai)：

a. 相鄰兩切(qie)削(xue)階段(duan)(duan)的分形維(wei)數(shu)值較大(da)，且(qie)有(you)減小的趨(qu)勢(shi)，則刀具(ju)處于初(chu)期磨(mo)損(sun)階段(duan)(duan)；

b. 相(xiang)鄰兩切削階段的分形(xing)維數值較小，且相(xiang)差不大，則刀具正(zheng)處于穩(wen)定磨損階段；

c. 相鄰兩切削階段的(de)分(fen)形維數(shu)值增(zeng)大，且(qie)有繼(ji)續增(zeng)加(jia)的(de)趨勢，則刀具處于急劇(ju)磨(mo)損階段。

通過(guo)上(shang)述過(guo)程(cheng)得到了刀(dao)具磨(mo)損(sun)和切削力(li)分(fen)形(xing)維(wei)數隨(sui)切削時間的(de)變(bian)化曲線，如圖(tu)1所(suo)示，可(ke)以看出在整(zheng)個刀(dao)具壽命范圍內，切削力(li)分(fen)形(xing)維(wei)數呈現高—低—高的(de)變(bian)化趨勢，與刀(dao)具磨(mo)損(sun)的(de)三(san)個階(jie)(jie)段初期磨(mo)損(sun)階(jie)(jie)段、穩定磨(mo)損(sun)階(jie)(jie)段、急劇磨(mo)損(sun)階(jie)(jie)段相對應。

實施例二

所用(yong)的切削(xue)刀(dao)具(ju)(ju)為(wei)PVD涂(tu)層(ceng)硬(ying)質合金刀(dao)具(ju)(ju)KC5510（TiAlN涂(tu)層(ceng)，Kennametal），工件材料為(wei)α+β雙相鈦合金TC11，在CA6140型普通機(ji)床上進行試驗，采(cai)用(yong)USB200型光(guang)(guang)(guang)學(xue)工具(ju)(ju)顯微鏡(jing)（由深圳市深視光(guang)(guang)(guang)谷光(guang)(guang)(guang)學(xue)儀器有限公(gong)司生產）測量刀(dao)具(ju)(ju)后刀(dao)面磨損量，利用(yong)DC CSM19型車削(xue)測力(li)儀（重慶迪加科技公(gong)司生產）采(cai)集切削(xue)過程中的力(li)信號。

可(ke)以(yi)在(zai)線監(jian)測刀具磨損狀態的方法，包括以(yi)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(de)切削參數(shu)下，對刀具(ju)切削過程中的(de)切削力信號(hao)進行采集；

2）按照(zhao)切削時間節(jie)點，提取切削力(li)(li)得到離散值(zhi)，建立具有時間序(xu)列特性(xing)的切削力(li)(li)向量(liang)，利用Higuchi方法對(dui)各切削力(li)(li)向量(liang)進(jin)行相關性(xing)分析；

3）按切削時(shi)間(jian)的先后(hou)順(shun)序，利用最小二乘法，依次計算各時(shi)間(jian)段內的切削力分形維數；

4）將相鄰兩(liang)時(shi)間(jian)段的(de)分形(xing)(xing)維數相比較(jiao)，并按下述情形(xing)(xing)判斷刀具的(de)磨(mo)損狀態：

a. 相鄰兩切(qie)削階(jie)段的分形維數值(zhi)較(jiao)大，且有(you)減小的趨(qu)勢，則(ze)刀具處(chu)于初期磨損階(jie)段；

b. 相鄰兩切削(xue)階段的分形維(wei)數(shu)值較小，且(qie)相差不大，則刀(dao)具正(zheng)處于(yu)穩定磨損階段；

c. 相(xiang)鄰兩切(qie)削階段(duan)的(de)分(fen)形維數值增大，且有繼續增加的(de)趨勢，則(ze)刀具(ju)處(chu)于急劇磨損階段(duan)。

通過上述過程得到了刀具(ju)磨(mo)損(sun)和切(qie)(qie)削力分形(xing)維(wei)(wei)數隨切(qie)(qie)削時間的(de)(de)變(bian)(bian)化曲線(xian)，如圖(tu)(tu)2和圖(tu)(tu)3所示(shi)，可以看出在整(zheng)個刀具(ju)壽命范圍(wei)內，切(qie)(qie)削力分形(xing)維(wei)(wei)數呈現高—低—高的(de)(de)變(bian)(bian)化趨勢，與刀具(ju)磨(mo)損(sun)的(de)(de)三(san)個階(jie)段(duan)初期(qi)磨(mo)損(sun)階(jie)段(duan)、穩定(ding)磨(mo)損(sun)階(jie)段(duan)、急劇磨(mo)損(sun)階(jie)段(duan)相對應。