[发明专利]用于监测切削加工及切屑形成中刀具状态的装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于监测切削加工及切屑形成中刀具状态的装置及方法，包括安装在刀架上的刀具和AE信号采集器、工件、试验平台、数据采集系统,所述刀架包括主夹持器、副夹持器和隔热减振垫，刀具和隔热减振垫并排布置在主、副夹持器之间，副夹持器通过连接螺栓穿过隔热减振垫正向锁紧在主夹持器上，副夹持器通过调节螺栓反向顶紧在主夹持器上，AE信号采集器安装在副夹持器上，在刀具的后刀面上布置有压电式力传感器一，在刀具的前刀面上布置有压电式力传感器二，在主夹持器上安装有表面应变计，在刀具上方安装有高速CCD相机。本发明AE信号采集精度高、独立性好、关联性强。

技术领域

本发明涉及机加工技术领域，具体涉及一种用于监测切削加工及切屑形成中刀具状态的装置及方法。

背景技术

高速切削加工是一种比常规切削速度高得多的先进制造工艺，它不但可以大幅度提高零件的加工效率、降低加工成，而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平，高速加工已在航空、航天、汽车以及超精密微细加工等领域获得了广泛的应用。

在高速切削加工过程中，往往会出现刀具磨损、崩刃、破损、失效，切屑形成、断裂，切削加工中断等一系列情况。这些情况都对加工工艺及刀具状态有着特定的影响。在加工过程中，这些意外的出现都会影响刀具切削状态和加工稳定性。在传统的加工中，切屑成形是将工件加工成理想形状的主要方法。而切屑对刀具状态的影响主要取决于切屑形成机理及其几何形状。切屑的形状、切屑的分离和形成速率、切屑的温度及能量密度、切屑与刀具切削面的摩擦挤压运动都对刀具的磨损起了决定作用。

由于切屑形成过程不仅会引起刀具磨损，还会引起刀刃的破损，而刀具磨损增大了功率损耗，刀刃崩刃中断正常的加工并影响工件的质量。因此，在机械加工过程中，为了避免高速切削加工与切屑形成相关问题发生不确定的联合性，刀具状态的监视是至关重要的。

现有的刀具状态监视系统主要包括直接监视系统和间接监视系统两种，其中，直接监视系统，如激光、光学、超声传感器，不仅价格较贵，而且难以实际用于加工中；间接监视系统，主要通过监测切削力、振动、电流、温度等再演算分析实现，运用的构件主要包括加速度传感器、力传感器、AE传感器和电流传感器，成本相对较低，但却普遍存在以下问题：

1、由于切屑形成过程中刀具和加工工件的震动频率都较高，基本超过10KHZ，需要采用AE传感器，而现有监视系统的AE传感器都是直接安装在加工工件或刀具上的，在切屑形成过程中，刀具或加工工件振动引起的噪音信号会与AE传感器需要采集的信号混合，从而影响AE传感器的采集精度，使监视系统的监视功能失真。

2、无法将AE传感器采集的信号与切屑形貌、刀具与工件状态、切屑与刀具前刀面是否接触摩擦、刀具磨损状态进行关联，有效的监测分析，适用范围窄。

发明内容

本发明的目的在于提供一种AE信号精确且能有效区分不同刀具与切屑状态下的AE信号的用于监测切削加工及切屑形成中刀具状态的装置及方法。

本发明提供的这种用于监测切削加工及切屑形成中刀具状态的装置，包括安装在刀架上的刀具和AE信号采集器、安装在夹具上的工件、用于安装刀架和夹具的试验平台、用于信号采集与存储的数据采集系统,所述刀架包括主夹持器、副夹持器和隔热减振垫，所述刀具和隔热减振垫并排布置在主、副夹持器之间，副夹持器通过若干连接螺栓穿过隔热减振垫正向锁紧在主夹持器上，副夹持器通过若干调节螺栓反向顶紧在主夹持器上；

AE信号采集器安装在副夹持器上，用于采集切屑过程中切屑断裂、切屑与刀具前刀面接触摩擦、切削过程中工件剪切变形或者挤压摩擦变形的声音信号；

在刀具的后刀面上布置有用于检测是否发生切削加工的压电式力传感器一；

在刀具的前刀面上布置有用于检测切屑形成后是否与刀具前刀面接触的压电式力传感器二；

在主夹持器上安装有用于测量高速切削过程中切削冲击的频率及切削力的表面应变计；