挤压切削过程及监测系统研究

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挤压切削过程及监测系统研究
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第一章 绪 论
§1.1 引言
近几十年来，自动化和计算机技术的发展给机械制造工业带来了技术上的革
命。劳动力缩减、成本降低，以及生产率不断的提高。金属切削加工是机械制造
过程中十分重要的环节，在线监测技术是实现技工自动化的关键。
随着传感器技术、微电子技术、计算机技术的发展，世界范围内的制造业已
经迈进了一个崭新的时代，先进的制造技术是一个国家民族振兴的最基础的技术
之一，涉及到国防、汽车、航空航天等国家支柱工业。先进的制造技术最终目标
是低成本、高速度、高质量地完成生产任务，其核心就是自动化加工技术[1]。为
了保障投资自动化加工设备的安全和加工质量，迫切需要解决加工过程的监测问
题。
据有关资料统计，对加工过程采用监测技术后，可以避免 75%的人和技术因
素引起的故障停机时间，使无人化的第二、第三班生产和节假日生产成为可能。
此外，为实现高效低成本加工，现代化的自动化加工设备采用了更高的切削速度，
并在充分喷注切削液的条件下工作，其切削过程的风险比传统加工大的多。如采
用陶瓷刀具以 900m/min 高速加工铸铁，一旦陶瓷片破损将毁坏整个工装系统甚
至损坏机床，并造成工件报废。近年来，新兴刀具材料的应用，难加工材料的广
泛使用，更加大了切削过程的难度[2]。面对这些困难，为保证现代机械制造系统
中的自动加工设备与工件的安全，避免重大事故，提高生产率和机床利用率，必
须采用有效的监测技术。
在推进切削加工自动化与无人化的过程中，状态监测系统起着十分重要的作
用[1-3]。由此可见，机械加工状态监测系统直接关系到自动化加工系统的效率、安
全和产品的质量，是现代机械制造技术中一个凾待解决的重要课题。
多年来，对于机械加工状态的自动监测技术，国内外工业生产和研究部门均
给予极大的关注并已经展开大量工作[4]。然而，至今为止，由于切削过程的多样
性、复杂性和随机性，成熟的能够付诸于实用状态监测系统并不多。机械加工状
态监测仍是一项尚未得到妥善解决且是迫切需要进一步研究探索的科研课题。
§1.2 课题的来源和意义
随着科学技术的蓬勃发展，各项技术日新月异。机械加工正朝着无人
（Unmaned）制造系统方向发展。这类自动化工厂为了节省成本，同时为了提高
产品品质，一方面大量的减少现场人员需求，另一方面增加许多自动监测设备来
第一章 绪论
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减少人力。人用听觉、嗅觉、视觉、触觉来监测工厂制程、产品等等的变化；自
动监测设备同样用各式各样的传感器来感知各个制程中的故障，以及产品的缺陷。
监测系统能对生产线进行检测、筛选不良产品，即时告知各类机件故障，还可以
将整个加工过程加以记录，为研发新的制程提供大量实际记录的数据作为参考，
因此，现代化的工厂安装各式监测系统已经是普遍的趋势。
在加工过程中，所监测的非电参数信息通过各种不同的传感器被监测，然后
经过信号的转换和放大后送入数据采集系统。可见监测系统最重要的一环就是传
感器，这个关系到监测系统能否有效正常的运作，选择正确的传感器能使监测系
统发挥更大的作用。
进入 20 世纪 80 年代后，机械制造业面临市场需求动态多变、产品更新周期
缩短、品种规格增多、批量减少和可持续发展等新特点。为适应这一新形势，高
效率、高质量、高柔性、绿色化和信息化已成为机械制造业发展的必然趋势。切
削加工技术是机械制造业中应用最广泛的基础技术之一。各国从事切削加工的人
数众多，耗资十分惊人。因此，加工工况的及时、准确、可靠的监测问题也变得
越来越重要。
进行加工工况监测技术地研究使十分必要的，而且条件日益成熟：先进制造
技术为其提供了概念模型和动力，智能检测处理技术地发展为其奠定了技术基础
和保证。
基于对工况监测研究的重要性及其发展的趋势，开展“挤压切削过程监测技
术”的试验研究。
金属切削刀具的刀刃总是呈圆弧状，刃口圆弧上有一分流点，当切削层厚度
处于该点以下时，材料被迫由刀刃压向工件已加工表面，切削加工将向无屑加工
转化，刀具的切割作用消失，这样的刀具也就转化为挤压工具，称此类切削加工
为挤压切削。对于挤压切削加工工艺中的切削力和影响切削力的参数的监测都是
非常必要的。
因此，对挤压切削加工过程的监测，对提高挤压切削加工工件的表面质量、
降低加工成本、提高加工生产效率以及确保机器设备和加工工件的安全都有非常
重要的意义。
§1.3 国内外在该领域的发展现状
§1.3.1 国内外研究现状及成果
国内外学者在切削加工监测方面做了大量的工作，而且在检测方法、监测参
数的选择、信号处理及识别领域取得了一定的成果，有些监测系统已经用于生产。
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美国、德国、日本以及瑞典等国家处于领先地位，并拥有一批成果及专利。国内
的多所高校及科研单位也对监测系统进行了一定的研究，取得了一定的成果，也
有相应的产品问世。
上世纪 80 年代以前，机械加工过程实时监测系统的研究以基于单传感器的监
测为主，典型的信号是声发射、切削力、主轴功率和红外图像等，典型的监测系
统有：美国的 ATMA 和KTA，日本的 EMT-1000，CHIP-55AZ 的功率监视系统，
丹麦 HZK 系统，以及国内的 DJ-01 和TM-8000 等。80 年代后期，美国率先研究
多传感器参数融合的刀具磨损监测系统，利用人工神经网络（ANN）进行多传感
器参数特征信号并行输入的融合识别。在国内，清华大学在深入研究 ANN，
GMDH
等融合识别法基础上开展了声发射（AE）和切削振动两种传感信号多特征参数并
行输入的主从融合识别车刀与立铣刀磨损及车刀、立铣刀、钻头、丝锥磨损综合
监测仪的研究开发和实用化研究，开发了 TM-9000 型刀具磨损监测仪[5]。哈尔滨
工业大学选用主电机、进给电机功率及声发射信号作为监测信号，采用只能滤波
技术和神经网络技术进行多参数数据融合，以 STD 工业控制计算机为核心，研制
了适用于锉铣加工中心的 HIT-TMS-100 刀具监测系统，并已经产品化[6]。
进入九十年代，在声发射监测系统领域，美国 PAC 公司、美国 DW 公司、
德国 Vallen Systeme 公司和中国广州声华公司先后分别开发生产了计算机化程度
更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除
能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、
显示、记录和频谱分析。一些单位研制成功车刀破损监测系统和钻头折断报警系
统，前者的检测准确率高达 99%。根据刀具与工件接触时挤压和摩擦产生声发射
的原理，我国还成功研制出了高精度声发射对刀装置，用以保证配合件的加工精
度。有些部门已开始用人工神经网络进行刀具状态监控、切削形态识别与控制以
及磨削接触与砂轮磨损监测等。
§1.3.2 机械加工在线监测技术的发展趋势
现阶段，虽然对加工过程中的各项状态参数监测技术的研究已经取得了不少
进展，但它还远未成熟。由于监测技术是一项综合性的多学科交叉的技术，它包
括了金属加工学、信号处理、传感技术、计算机和自动控制等各种不同领域的知
识。它既是一项应用技术，也需要进行大量的基础理论研究。因此促进刀具状态
监测技术的发展就要：
1） 加强基础理论研究。进一步了解各种加工过程中变形区应力应变的动态
第一章 绪论
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过程以及相应信号所表现出来的特征。
2） 开发多信息融合技术。由于各种监测方法都有各自的局限性，在现在复
杂的加工环节中，单一的监测技术难以满足要求，需要采用多参数、多信息融合
及综合技术，由单一向复式监测发展；
3） 信号处理技术的深入研究。信号处理技术的最终目的在于提取各个状态
参数相关的信号特征。
4） 开发决策系统与学习系统。主要是利用模糊控制、神经网络、遗传算法
以及专家系统来进行加工过程的智能监测。
5） 提高监测系统的可靠性和实用性。有些监测系统只能在实验室中使用，
离开了实验室环境进入生产现场则系统判辨率下降，影响监测效果。
总之，对切削过程监测的研究，一方面要加强理论基础研究，发展使用可靠
的新型决策模型；另一方面，加强理论和实践相结合，才能使监测技术进一步得
到完善。
§1.4 本文研究的主要内容
本文针对挤压切削加工的切削参数的监测设计了一套在线切削参数监测系
统。本文根据被监测对象和系统所要求实现的功能进行总体设计，包括硬件设计
和软件设计。主要研究主要内容如下：
1） 挤压切削加工理论分析
应用金属切削理论、弹塑性理论、摩擦学、金属表面学等知识，分析挤压切
削加工在切削力学、切削热与切削温度、刀具磨损等方面的特征。
2） 制定适用于挤压切削加工的监测方案。
制定挤压切削加工过程中重要参数的监测方案。建立挤压切削加工监测系统，
实现各个功能模块的整合。
3） 设计数据采集处理方案。
切削加工过程中的各项数据是监测加工质量，保障设备安全运行的重要依据。
对采集到的数据妥善的保存，进而对这些数据进行分析，利用分析后的结果对设
备进行微调，使加工过程维持在加工的要求范围之内，也是对设备进行智能化监
测的依据。
§1.5 小结
本章主要说明了课题的来由及现状，介绍了建立切削监测系统的意义和在该
领域国内外的发展概况以及未来的发展趋势，以及本文的研究内容。
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第二章 挤压切削理论与切削力本构方程
金属切削刀具的刀刃总是呈圆弧状，刃口圆弧上有一分流点，当切削层厚度
处于该点以下时，材料被迫由刀刃压向工件已加工表面，切削加工将向无屑加工
转化，刀具的切割作用消失，这样的刀具也就转化为挤压工具，称此类切削加工
为挤压切削。
挤压切削加工利用挤压力使金属表面产生微量的塑性变形的无切屑加工方法
[7]。与传统切削加工相比在切削力学、切削热和切削温度、刀具磨损与破损等均
有不同的特征。因此有必要对挤压切削的特征和规律进行阐述和分析。
§2.1 金属塑性变形理论
1） 塑性变形的滑移理论 金属是由许多形状不同的晶粒组成的多晶体，金
属的性质就是由金属的晶体结构所决定的。金属在外力作用下所产生的变形，就
是金属内部晶格的排列发生改变的结果。这种改变是在外力作用下，金属内部存
在切应力所造成的。当切应力较小时，晶格将在切应力作用下产生弹性变形；当
切应力增加到一定值时，将超过晶格的抗力而使晶格上下两部分沿某一晶面产生
相对滑动，这种滑动称为滑移。经过一定距离的滑动之后，原子将在新的位置上
重新稳定下来。晶体沿着某一晶面滑移的终止是由于在该面上滑移抗力不断增大
的结果。如果切应力继续加大，则在晶体另外一些相似的晶面上又将产生滑移而
使变形继续下去[8]。
2） 被切金属在刀具作用下的变形 如图 2-1所示，根据材料力学的分析，
金属试件在受挤压时，其内部在产生主应力的同时，还将产生切应力，而且在于
作用力大致成 450方向上切应力数值最大。当切应力数值达到材料的屈服极限时，
将在此方向上首先产生滑移。刀具对工件的作用与金属受挤压时的情况有些相似。
如图 2-2所示，工件在刀具作用下，在与前刀面成 450方向上将产生最大的切应
力。由于 BC 方向上受到切削层以下金属的限制，所以通常只有在 AD 方向产生
滑移。被切金属在刀具作用下发生塑性变形，塑性变形的本质是金属内部晶格在
切应力作用下所产生的滑移[9]。切削区的应力状态和滑移线分布是十分复杂的。
在挤压切削中，前刀面的作用将消失，钝刃圆弧的作用区域内有两组相互正交的
滑移线。后刀面与被加工表面也有一定的接触，在其接触范围内的金属也将有两
组互相正交、呈直线的滑移线。
第二章 挤压切削理论与切削力本构方程
6
P
AC
BD
45°
图 2–1 金属试件受挤压
V
A
C
B
D
45°
图 2–2 金属试件受刀具切削
§2.2 挤压切削力模型
在切削过程中，切削力直接决定着切削热的产生，并影响刀具磨损、破损、
使用寿命、加工精度和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率、
制定切削用量，监控切削状态，设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据[10]。因
此，研究切削力的规律和计算方法，将有助于分析切削机理，并对生产实际有着
重要意义。
§2.2.1 切削力的理论研究状况
近百余年来，国内外学者对计算切削力的理论分析公式做了大量工作，但由
于切削过程非常复杂，影响因素很多，迄今为止还不能说已得出了与实验结果足
够吻合的理论公式[11]。因而，在生产实践中常采用由实验得出的经验公式。但是，
理论公式能充分地反映切削过程，可以解决切削过程的很多现象，因而有必要对
他进行研究。
目前在切削力的理论分析中提出了很多假说，按历史发展过程可大致归纳为
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如下：
1） 从假设切削层通过单一的剪切平面转变为切屑，发展到通过剪切变形区
变为切屑。
2） 从假设切削时被加工材料是理想塑性体（在切削过程中只有塑性流动而
没有加工硬化），进而考虑了金属材料在切削过程中的加工硬化问题。
3） 用塑性理论中的滑移线场解析金属切削过程中材料的塑性变形问题，等
等。
近二十年来，一些研究者用“位错”理论来研究切削力的问题，但关于这一
方面，还有待于做进一步的探索。
由于切削力 FZ为剪切角Ф的函数，因此，很多研究工作者都致力于求角Ф的
研究。1941 年在厄恩斯特和麦钱特（Ernst and Merchant）提出“最小能量”说，
即金属切削时，剪切平面位于要求剪切能量最小的位置，从而求出角Ф。1951 年
李和谢佛（Lee-Shaffer）提出了另一种求剪切角的理论。其基础仍然是切削层通
过单一剪切面变为切屑。1953 年罗逊别尔格把塑性金属的切削过程与压缩实验相
比较，提出：金属切削时和压缩实验时的当量变形相等，压缩试验时的单位变形
功与切削时的单位剪切变形功相等的假说推导出计算切削力的方程。1956 年佐列
夫提出切削时和材料作压缩或拉伸时，在相对滑移相等的条件下剪应力相等的假
说，从而提出切削力的理论计算方程。1967 年奥克斯勒（Oxley）等以加工硬化
为滑移线场理论为基础，且认为切削层是通过有一定宽度的带状剪切区转变为切
屑，从而提出了他认为可广泛用于低速和高速切削求剪切角Ф的理论。我国科学
工作者也曾在佐列夫的研究工作基础上引伸出了较简单的计算切削力的理论方程
[12]。综观上述科学工作者的理论，可以发现其存在较大的缺点。如没有反映切削
过程中的弹性变形和破坏现象；没有考虑刀具切削刃上的钝圆半径的影响，把被
加工材料看得理想化，没有考虑其还存在着缺陷等等。
§2.2.2 挤压切削力模型的建立
金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切削所需要的力称
为切削力。它来源于三个方面[13]：
1） 克服被加工材料对弹性变形的抗力。
2） 克服被加工材料对塑性变形的抗力。
3） 克服切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面和已加工表面
之间的摩擦力。
摘要：

挤压切削过程及监测系统研究1第一章绪论§1.1引言近几十年来，自动化和计算机技术的发展给机械制造工业带来了技术上的革命。劳动力缩减、成本降低，以及生产率不断的提高。金属切削加工是机械制造过程中十分重要的环节，在线监测技术是实现技工自动化的关键。随着传感器技术、微电子技术、计算机技术的发展，世界范围内的制造业已经迈进了一个崭新的时代，先进的制造技术是一个国家民族振兴的最基础的技术之一，涉及到国防、汽车、航空航天等国家支柱工业。先进的制造技术最终目标是低成本、高速度、高质量地完成生产任务，其核心就是自动化加工技术[1]。为了保障投资自动化加工设备的安全和加工质量，迫切需要解决加工过程的监测问题。据...

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