1前言

金属切削刀具的磨损与磨损状态直接影响着机械加工的精度、效率及经济效益，因此刀具磨损状态的监控越来越引起人们的重视。刀具磨损的在线监测是柔性制造系统研究工程的一个重要课题。近年来国内外在这方面的研究进展很快，发布的就有数10种方法，然而能适用于生产的还很少。有的方法虽可用于实际生产，但却因其对工况提出的非常苛刻的要求和限制，难以推广应用。由于切削力能直接反映加工过程中的动态行为，因而用切削力信号能间接监测刀具工作状态和磨损量，引起人们的关注。但是已有的用切削力信号监测刀具磨损的诸多方法(如均值监测法、方差监测法、AR模具监测法等)又因未弄清切削力信号与刀具磨损的内在联系及其变化规律，均有一定的片面性和不可靠性。鉴于此，本文从理论分析和实验提出一种刀具磨损监测方法—频段均方值法。

2切削力与刀具磨损的相关分析

1）切削力的波动特性 金属切削过程中，工艺系统始终存在着或大或小振动。刀具相对于工件的振动，直接导致切削力随之发生波动。由于振动的存在，非但切削面积要发生周期变化，而且刀具实际工作角度也要产生周期波动。一旦切削力发生了波动，将反作用于工艺系统，使系统振动得以抑制或加强。可以说明，切削力的波动周期与系统振动周期是相同的。

2)刀具磨损对切削力的影响

a.刀具磨损对静态切削力的影响 刀具后刀面发生磨损以后改变了刀具与工件之间的接触方式，由理论上的线接触变为面接触。这样就使得刀具后刀面与工件的摩擦力加大，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。并且随着刀具磨损量的不断增大，摩擦将继续加剧，因而三向切削力亦将不断增大。这就是说，静态切削力具有正比于刀具后刀面磨损量的特性。

b.附加动态切削力的产生机理 前面的讨论说明：实际的金属切削过程总是一个动态的过程，切削力总是要发生一定范围的波动。在不考虑刀具磨损的情况下，这个波动范围是很大的，但是如果刀具后刀面存在磨损(实际刀具总是存在磨损的)，这个波动范围将产生明显的变化。因为此刀具理论工作后角变成0°，那么，角度周期变化的性质必然导致刀具周期进入负后角工作状态，因而便产生一个交变力。由于这个交变力是刀具发生了磨损产生的，这里称这个交变力为附加动态切削力，下称附动力。 附动力的变化与刀具工作角度的变化范围有关，也与刀具后刀面磨损量有关。刀具处于负后角工作状态时，刀具后刀面要部分地挤入工件，与工件产生干涉，使工件产生弹、塑性变形，很显然，挤入工件的刀具部分体积越大，则所需的挤入力越大，附动力的幅值就越大；反之干涉面积越小，则产生的附动力的幅值越小。 附动力的产生增加了动态切削力的构成，并且由上述分析可知，附动力有着与刀具磨损相同的变化趋势，因而随着刀具后刀面磨损的增大，动态切削力将呈现增大趋势。 综上所述，随着刀具磨损量的增大，静态切削力与动态切削力将同时不同程度地增大。

3)刀具磨损对切削状态的影响性 附动力是一个周期变化的交变力，这个交变力反作用于工艺系统，对系统的振动产生一定的影响，从而对切削状态也产生一定的作用。 一般地讲，附动力的变化曲线是一条复杂的连续变化曲线，定量描述是很困难的。为了进一步讨论附动力的作用和影响，这里假设附动力变化在一个周期内是分段线性的。并假定附动力的幅值Pk=kVB(1) 式中k——比例常数； VB——刀具后刀面磨量。 可推得附动力的变化规律为 式中ls——工艺系统振动在工件上的振纹波长； x——切削长度。 在这种情况下，附动力P在一个周期内对系统所做的功 式中Δx——系统振动振幅。由式(3)可以看出：AP是VB的连续函数，故在区间(0，ls)内至少存在一点VBm，使得 这就是说AP在区间(0，ls)内必存在至少一个极小值，事实上只存在一个极小值，这个极小值点为VB=VBm，在(0，VBm)内AP单减，而在区间(VBm，ls)AP单增。用优化方法在区间(0，ls)可求出VBm≈0.569ls(5) 由式(3)可以看出，附动力在一般情况下总是对系统做负功，对系统振动起阻尼作用。但是在刀具磨损量VB变化的不同区间，这种阻尼作用有着不同的变化趋势。2100433B

大型全断面掘进装备（简称盾构掘进机）是国家急需的隧道、地铁建设的大型掘进装备，随着我国经济建设与城市建设的快速发展，对大型全断面掘进装备的需求逐年增加。目前，这类设备的关键核心技术方面还主要被德国、日本等少数跨国公司所垄断。其中，刀盘刀具磨损状态实时监测对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行有重要的行业需求，在我国还是空白。.基于这一需求，提出研究刀具磨损检测的方法进而开发刀具刀盘磨损状态监测系统。应用应力波的原理和振动特征的改变开发具有自主知识产权的刀盘刀具磨损状态检测专用传感器；根据大型全断面掘进装备作业环境的多介质、高湿、复杂电磁场和刀盘转动的特点，应用无线传感器网络技术传输测量信号，解决盾体的金属结构和泥土介质或岩石介质对无线信号屏蔽和衰减作用。同时解决传感器的机械设计、电路封装与安装工艺、耐久性、被动屏蔽和发射阻抗匹配等问题，使之满足工程需求。

大型全断面掘进装备（简称盾构掘进机）是国家急需的隧道、地铁建设的大型掘进装备，随着我国经济建设与城市建设的快速发展，对大型全断面掘进装备的需求逐年增加。目前，这类设备的关键核心技术方面还主要被德国、日本等少数跨国公司所垄断。其中，刀盘刀具磨损状态实时监测对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行有重要的行业需求，在我国还是空白。 基于国家需求，第一项研究的工作是丝栅式盾构刀具磨损测量方法的研究。这一方法于2012年首次应用于西安地铁一号线施工中刀具的磨损检测。之后又进行了多方面的改进，于2013年再次在西安地铁三号线施工中应用。此次应用获得成功，测量与实际磨损程度一致。已得到盾构机的生产单位和施工单位的认可，准备在盾构机应用。 第二项研究是在模拟实验装置上测试了不同含水率下粉土和砂土的切削力分布。在模拟刀盘上沿刀盘半径由里到外布置了7个带切削力传感器的模拟刀具，测量掘进过程的切削力变化曲线。这是研究盾构刀具受力特点的基础。 第三项工作是全断面硬岩掘进机（简称TBM）的滚刀受力和弦磨检测。TBM用于岩石隧道掘进，靠滚刀压碎岩石实现整体隧道成形。最容易的发生的问题是滚刀弦磨而导致失去破岩能力。利用滚刀的支撑楔块作为弹性体研究了滚刀受力和弦磨检测方法，该方法还可测量滚刀的振动特征。 2100433B