本發(fā)明涉及刀具磨損檢測領(lǐng)域，具體說是一種基于分形理論的刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

高速切削加工過程是一個復(fù)雜、非線性的變化過程，而分形理論是非線性科學(xué)研究中十分活躍的一個分支，為解決復(fù)雜的非線性問題提供了一種行之有效的方法，也推動了機械科學(xué)技術(shù)在若干方面的深入發(fā)展。切削中的各種因素都對刀具的磨損產(chǎn)生直接或間接的作用，產(chǎn)生不確定性，致使刀具切削實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果難以具有好的穩(wěn)定性。而分形方法可對具有非線性和隨機性的刀具磨損進行表征。

隨著刀具磨損量的增加，振動信號的波形會發(fā)生變化，而分形參數(shù)能對這種波形的變化進行準確的描述，進而實現(xiàn)對刀具狀態(tài)的監(jiān)測、識別（W Li, P Fu, E Zhang. Application of fractal dimensions and fuzzy clustering to tool wear monitoring [J]. Telkomnika, 2013, 11(1): 187-194）。對切削過程聲發(fā)射信號進行多重分形分析，建立切削過程的聲發(fā)射信號的廣義分形維數(shù)與刀具磨損間的關(guān)系（張鍇鋒, 袁惠群, 聶鵬. 基于廣義分形維數(shù)的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測 [J]. 振動與沖擊, 2014, 33(1): 162-169），也可以實現(xiàn)對刀具磨損狀態(tài)的有效識別。在高速切削過程中，刀—屑接觸界面一般由粘結(jié)和滑動區(qū)域組成，這兩個區(qū)域隨著切削的而動態(tài)變化，分形方法可從微觀尺度分析刀—屑界面摩擦接觸行為（S Raman, A Longstreet, D Guha. A fractal view of tool–chip interfacial friction in machining [J]. Wear, 2002, 253: 1111-1120）；在研究刀具磨損分形維數(shù)評價刀具切削性能時發(fā)現(xiàn)，刀具后刀面磨損分形維數(shù)比后刀面磨損寬度VB在評價刀具切削性能方面有一定的優(yōu)勢，有待進一步探討（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）。

切削力是刀具狀態(tài)最直接的放映，切削力信號直接真實、抗干擾能力較強。而且刀具的磨損狀態(tài)與切削力的變化存在很好的對應(yīng)關(guān)系。為此，本發(fā)明借助分形理論，通過在線測量切削力，獲取切削力離散值，建立切削力向量并進行相關(guān)性分析，并計算切削力分形維數(shù)。在整個刀具壽命范圍內(nèi)，切削力分形維數(shù)呈現(xiàn)高—低—高的變化趨勢，與刀具磨損的三個階段相對應(yīng)，并利用這種對應(yīng)關(guān)系來判斷刀具磨損狀態(tài)。該方法操作簡單，不需要停車檢測刀具磨損，可顯著提高加工效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明結(jié)合分形理論，提出了一種刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測的方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種基于分形理論的刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測方法，包括以下步驟：

1）在不同的切削參數(shù)下，從刀具開始工作到達到磨鈍標準，采集整個切削過程中的切削力信號；

2）按照切削時間節(jié)點，提取切削力離散值，建立具有時間序列特性的切削力向量，并對各切削力向量進行相關(guān)性分析；

3）按切削時間的先后順序，利用最小二乘法，依次計算各時間段內(nèi)的切削力分形維數(shù)；

4）將相鄰兩時間段的分形維數(shù)相比較，并判斷刀具的磨損狀態(tài)。

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

a. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較大，且有減小的趨勢，則刀具處于初期磨損階段；

b. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較小，且相差不大，則刀具正處于穩(wěn)定磨損階段；

c. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值增大，且有繼續(xù)增加的趨勢，則刀具處于急劇磨損階段，需考慮及時停車換刀。

本發(fā)明具有如下的優(yōu)點和有益效果：

切削力是刀具狀態(tài)最直接的反映，切削力信號直接真實、抗干擾能力較強。刀具的磨損狀態(tài)與切削力的變化存在很好的對應(yīng)關(guān)系。該方法不需要停車拆下刀片觀察刀具磨損狀態(tài)，而通過力信號的分形維數(shù)的變化判斷刀具磨損狀態(tài)，操作簡單，可顯著提高加工效率。

附圖說明：

圖1為刀具后刀面磨損量和切削力分形維數(shù)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(shù)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(shù)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

所用的切削刀具為硬質(zhì)合金刀具K313（由Kennametal公司生產(chǎn)），工件材料為α+β雙相鈦合金Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si（以下簡稱TC11），選用PSSNR2020K12型號的車刀桿在CA6140型普通機床上進行試驗，采用USB200型光學(xué)工具顯微鏡（由深圳市深視光谷光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)）測量刀具后刀面磨損量，利用DC CSM19型車削測力儀（由重慶迪加科技公司生產(chǎn)）采集切削過程中的力信號。

可以在線監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

1）在v_c=80 m/min, f=0.2 mm/r, a_p=0.5 mm的切削參數(shù)下，對刀具切削過程中的切削力信號進行采集；

2）按照切削時間節(jié)點，提取切削力得到離散值，建立具有時間序列特性的切削力向量，利用Higuchi方法對各切削力向量進行相關(guān)性分析；

3）按切削時間的先后順序，利用最小二乘法，依次計算各時間段內(nèi)的切削力分形維數(shù)；

4）將相鄰兩時間段的分形維數(shù)相比較，并按下述情形判斷刀具的磨損狀態(tài)：

a. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較大，且有減小的趨勢，則刀具處于初期磨損階段；

b. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較小，且相差不大，則刀具正處于穩(wěn)定磨損階段；

c. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值增大，且有繼續(xù)增加的趨勢，則刀具處于急劇磨損階段。

通過上述過程得到了刀具磨損和切削力分形維數(shù)隨切削時間的變化曲線，如圖1所示，可以看出在整個刀具壽命范圍內(nèi)，切削力分形維數(shù)呈現(xiàn)高—低—高的變化趨勢，與刀具磨損的三個階段初期磨損階段、穩(wěn)定磨損階段、急劇磨損階段相對應(yīng)。

實施例二

所用的切削刀具為PVD涂層硬質(zhì)合金刀具KC5510（TiAlN涂層，Kennametal），工件材料為α+β雙相鈦合金TC11，在CA6140型普通機床上進行試驗，采用USB200型光學(xué)工具顯微鏡（由深圳市深視光谷光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)）測量刀具后刀面磨損量，利用DC CSM19型車削測力儀（重慶迪加科技公司生產(chǎn)）采集切削過程中的力信號。

可以在線監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

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的切削參數(shù)下，對刀具切削過程中的切削力信號進行采集；

2）按照切削時間節(jié)點，提取切削力得到離散值，建立具有時間序列特性的切削力向量，利用Higuchi方法對各切削力向量進行相關(guān)性分析；

3）按切削時間的先后順序，利用最小二乘法，依次計算各時間段內(nèi)的切削力分形維數(shù)；

4）將相鄰兩時間段的分形維數(shù)相比較，并按下述情形判斷刀具的磨損狀態(tài)：

a. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較大，且有減小的趨勢，則刀具處于初期磨損階段；

b. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值較小，且相差不大，則刀具正處于穩(wěn)定磨損階段；

c. 相鄰兩切削階段的分形維數(shù)值增大，且有繼續(xù)增加的趨勢，則刀具處于急劇磨損階段。

通過上述過程得到了刀具磨損和切削力分形維數(shù)隨切削時間的變化曲線，如圖2和圖3所示，可以看出在整個刀具壽命范圍內(nèi)，切削力分形維數(shù)呈現(xiàn)高—低—高的變化趨勢，與刀具磨損的三個階段初期磨損階段、穩(wěn)定磨損階段、急劇磨損階段相對應(yīng)。