监测刀具的切削加工状态

监测刀具的切削加工状态

由于许多加工都建立在刀具寿命的基础之上，因此，反映刀具切削刃及涂层状态的性能数据至关重要，使用刀具监测仪器通常是物有所值的。

刀具的缺失、破损、磨损或选刀错误都可能导致机床停机或造成代价不菲的工件报废。由于许多加工都建立在刀具寿命的基础之上，因此，反映刀具切削刃及涂层状态的性能数据至关重要。此外，医疗、航空和汽车等行业对零部件加工精度的要求不断提高，也对刀具的测量带来了新的挑战。基于这些理由，使用刀具监测仪器通常是物有所值的。

刀具检测仪器使用的测头分为接触式和非接触式两种。接触式测头通过探针与刀具或工件接触而获取数据。非接触式测头则是利用光束(通常是激光束)从刀具或工件表面反射到一个接收器中来获取数据。

为了保护基于激光测头的测量仪器在加工现场环境下不被飞溅的切屑和冷却液所损坏，一些制造商将激光器装在一个密闭容器内。当需要进行测量时，该容器的窗口就会打开。在激光进行扫描测量的同时，一股气流可将切屑和冷却液吹开。扫描测量完成后，容器窗口就会关闭。

接触式测头适用于许多加工场合，但也具有以下局限性：

有些接触式测头在测量时，要求机床主轴停转，因此无法进行动态检测；

接触式测头能够检测的特征参数有限(主要是刀具直径)；

必须考虑夹持问题，因此接触式测头很难避免与工件发生接触；

接触式测头不能检测非常柔软的工件；

用接触式测头检测刀具破损非常有效，但如果需要测量丝锥上的排屑槽之类的误差，接触式测头就有些力不从心。

测头既可以由外部电缆线供电，也可以使用电池。在走线困难或环境恶劣的情况下，使用电池具有一定优越性。在使用无线发射装置时，很重要的一点是背景信号不能与刀具传感器发出的信号发生干涉。

由M&H Inprocess USA公司提供的35.40-TS对刀仪仅用于测量刀具的长度和直径，它可以安装在一个与机床工作台相配合的载物台上。为了测量刀具长度，机床主轴将对刀仪提升到靠近刀具的位置，然后由测头对刀具进行扫描测量，并将尺寸数据发送到接收器中。

帕莱克(Parlec)公司的刀具检测仪可实现对刀具的初始检测。它用一个高分辨率的视频摄像机对刀具进行扫描，照明的强度和方向可以根据被测刀具的需要进行调节。这种仪器还可以在加工过程中监测刀具的磨损和破损。

据帕莱克公司刀具检测系统产品经理Chris Nuccitelli介绍，仪器的放大倍数达50倍，可以检测小到0.0025mm的刀具。摄像机可将扫描图像输入计算机或显示在技术人员的屏幕上，进行误差评定。通过编程，摄像机还可以测量和报告一些特定的关键尺寸(如刀具的长度和直径)。Nuccitelli说，“视觉检测还包括检查刀具的几何形状、磨损状况和裂纹。此外，某些数据(如磨损补偿量或刀具偏置量)可以直接传送到机床控制系统，加工程序即可根据需要进行尺寸补偿。”

雷尼绍(Renishaw)公司开发了几种用于刀具检测和评定的仪器。其中包括外形紧凑、采用非接触式测量的NC4型刀具预调及刀具破损检测仪。该型号采用了分离的发射器和接收器，可测范围达30mm×50mm，刀具直径最小可到0.2mm，还可以检测小至0.1mm的刀具破损。NC1型的发射器和接收器既可以预装在同一个单元中，也可以作为单独的模块供货，其测量光束可长达2m。NC3型的测量范围达到135mm×26mm×77mm，主要用于小型加工中心和高速切削机床。

TRS2型刀具破损检测系统将激光光源和检测电子装置集成在同一个单元中，其测量范围为

83mm×38mm×73mm，主要用于检测整体式旋转刀具，包括钻头、丝锥、铰刀、槽钻、标准和球头立铣刀，以及小至0.2mm的枪钻。激光系统的检测范围可达0.3～2.0m。

利用Toolwise编程，TRS2能够识别完好的刀具和破损的刀具。它可以分析进入测量光束的旋转刀具所产生的反射光图案，以及由冷却液或切屑产生的无规律反射光图案。当刀具旋转时，刀具切削刃产生的反射光图案有一定的规律，而切屑和冷却液产生的图案则是随机混乱的。一种具有重复性的图案代表完好的刀具，而不重复的图案则表明刀具已经破损。

图1 雷尼绍公司的无线双测头系统

无线双测头系统(见图1)将工件安装与测量功能与对刀和刀具破损检测功能集成到一起。这种无线对刀仪特别适用于具有双托盘或双旋转工作台的加工机床。其光学发射系统的设计可以避免发生光干涉。

雷尼绍测头被安放在机床刀库里，并被编入工件加工程序中。自动换刀机械手可将测头从刀库中取出并装到主轴上，用于确定工件的安装位置，在加工过程中进行测量和补偿，以及当加工工艺、轴系和工件的加工面发生变化时，自动重设机床的坐标系。测头的360°红外光学反射系统使其可在主轴处于任意方位时都能正常工作。

马坡斯公司(Marposs Corp.)的Mida分部为铣削机床分别开发了接触式(触碰)和非接触式(激光)刀具测量仪器。Mida产品经理Sharad Mundra表示，“接触式对刀仪仅限于测量刀具长度和检查刀具破损，以及对刀具直径进行粗略估计，因为它是在最大400r/min的转速下对刀具进行测量。测量过程比较慢，因为控制器必须将读数值与标准值进行比较。不过，与非接触式激光测量系统相比，这种接触式对刀仪价格更低廉，其测量刀具长度的重复性精度可达1μm，而且流动的冷却液和飞溅的切屑都不会对测量造成影响。”

Mida光学双测头系统是一种无线系统，它有一个简洁的接收器界面(ORI)，对刀测头和检测工件用测头均可共用这一无线界面。这种设计可以简化测量过程，尤其是在连接电缆线和视线观察存在困难的情况下(如安装在带旋转工作台、双托盘的机床以及多轴机床上使用时)。该测头系统可以测量刀具的长度和直径，检查刀具的破损，在切削前检测工件安装情况，然后在切削后检测工件尺寸，以校验切削操作。

图2 马坡斯公司用于检测车刀的Mida测量系统

图3 通过编程，Blum公司的激光刀具扫描仪可以确定刀具位置，同时会自动忽略由飞溅的冷却液造成的反射光

图4 M&H刀具长度测头可存放在一个机外工具袋中，需要测量时安装到机床工作台上

图5 大型刀具也需要加以关注。马尔联邦公司(A\Mahr Federal)的Accura测量系统采用了机械测头与光学测头像结合的方式。光学测头用于测量刀具的外形轮廓，确定其相对于公称轮廓和刀柄的位置误差。其他测量项目包括径向跳动、刀具的前角和后角等

图6 L.S.Starrett公司的HE400光学比较仪可以对刀具的切削刃进行放大检测，其分辨率可达0.0013mm。该仪器可在刀具使用前或加工过程中换刀时确定刀具的尺寸

Mundra解释说，“非接触激光测头系统(如Mida Laser 75P)测量速度更快，可以进行动态测量以及检测径跳误差和刀具磨损。由于该系统的测量点可小至20μm，因此能够评定刀具的切削刃磨损。通过软件编程，先进的激光测量系统可以对扫描读数值进行评定，准确分辨出由切削环境中的冷却液产生的折射光与由实际刀具产生的反射光，并过滤掉错误的触发信号以及由冷却液的飞溅、雾化和残留液滴产生的读数值。”

加工循环时间越来越长已经成为一种趋势，对于模具制造商来说尤其如此。Mida的一种刀具检测仪可在加工过程中实时监测刀具的磨损情况，并在必要时通过改变偏置量，对刀具磨损进行补偿。如果发现刀具已经磨钝，则可换用备用刀具，以保证加工可在无人值守情况下连续进行。

对于车削加工，则需要采用分离型的刀具检测仪(见图2)，这主要是因为车刀切削时不旋转。此类测头采用接触测量方式，有手动测量和自动测量两种型号。为了实现“首件合格”的目标，采用“先试切再调整”的方法已很不方便。替代方法是在加工循环开始之前，用检测仪或对刀仪对加工所用刀具进行测量，对照编程理想位置检查刀具的实际位置，并据此预调刀具位置。在加工过程中，测量系统可对刀具位置进行修改，以补偿刀具磨损和热漂移，以及监测刀具偏移量。

马坡斯公司的Mida三维形状检测仪(Mida 3-D Shape Inspector)软件是一种基于CAD的测量程序，它可以将加工机床转化为一台虚拟坐标测量机。它可以使用测头传感器检测工件和刀具。用户可在离线状态下为所有需要触测的点位生成G码，并将生成的G码输入机床控制系统，并运行测量程序。然后，将测头获得的触测数据传回三维形状检测仪软件中，生成检测报告，或对刀具和工件进行所需要的偏置调整。

Blum激光测量技术公司(Blum Laser Measurement Technology Inc.)可提供多种接触式和非接触式刀具测量仪，但其主打产品是用于动态检测的非接触式激光测量装置(见图3)。Blum公司总经理Paul D. Meinhardt解释说，这种激光测量装置非常适合用于生产现场，它可以测量刀具的长度和直径，确定刀具是否破损或缺失，还能检查刀具切削刃的质量和磨损状态，这种功能对于模具铣削和无人值守加工尤其重要。在这些加工中，由于刀具需要在无人值守情况下长时间工作，因此掌握其磨损状态至关重要。

这种激光测量装置通常是作为随机设备安装在加工机床上，因此必须能够承受冷却液和切屑

的干扰影响。Meinhardt说，“在切削加工开始之前检查刀具的径跳十分重要。例如，如果在换刀时有切屑混入了刀柄之中，铰刀就会变得像镗刀一样。”

每种激光测量系统都有自己的校准刀具(装在热装刀柄中)。校准在需要时进行，只需15秒钟即可完成。测量系统的精度取决于激光的聚焦能力。绝对精度(刀具到刀具)取决于激光束焦点光斑的大小，光斑直径越小，绝对精度就越高。Blum激光测量装置能够测量小到0.005mm的刀具。有些机床上需要安装一种分束激光测量系统，其测量距离可达203cm，采用一种特定的聚焦光束，可以测量直径小至1mm的刀具。

有些Blum激光测量仪可与生产设备上配备的Caron Engineering公司的测量装置一起使用。它们安装在机床上，能够监测主轴或驱动电机驱动功率的变化，任何功率变化都可能预示着出现了问题。当驱动功率高于正常水平时，可能意味着刀具正在磨损；如果驱动功率下降，则可能表示刀具已破损失效。然后监测装置及时向机床发出信号，在刀具或工件损坏之前采取相应的动作。该装置还可以检测出定位电机的功率失常。

海克斯康测量集团旗下的M&H测量系统公司(M&H Probing Systems)提供了三种类型的在机式对刀测量仪：①手动安装型：可测量刀具的长度或直径；②“拾取”型：存放在机床刀库中，使用时可自动/手动从刀库中取出，用于测量刀具长度和直径，可以安装在机床工作台边缘不挡道的任意位置，不使用时也可以完全取下；③长度型：只能测量刀具长度。

一个电池供电的开关式触发测头对刀具进行测量，并将测量数据从测头传送到接收器中。在三轴加工机床上(或从测头到接收器光路无遮挡的场合)，可使用红外线进行数据传输。如果从测头到接收器光路被遮挡，则可利用无线射频(RF)信号传送数据。

Tool-Probing System刀具测量系统具有以下功能：①刀具测量；②机床精度检定；③安装调整检查；④偏置检查；⑤有些测头可为工件的检测提供数据；⑥加工过程开始前的安装调整检查；⑦在加工过程中检测公差；⑧在加工过程完成后确定工件尺寸。

刀具测量仪器制造商宣称，使用此类仪器可以缩短安装调整时间和提高刀具夹持精度。对工件的夹持状态无需进行太多测量。测头启动后，自动记录与工件的接触。根据该数据点，机床控制系统就能计算出工件相对于刀具刀尖的精确位置，并开始加工流程。

在购买测头时，需要慎重考虑以下问题：①你希望使用接触式还是非接触式测头？②该测头对温度是否敏感？③该测头如何校准，校准成本如何？④该测头的最小可测尺寸是多少？⑤你希望采用无线测量系统吗？⑥该测头是用于在机测量还是机外测量？⑦该测头用于检测哪些刀具参数(直径、长度、刃口磨损、裂纹等)？⑧该测头是在加工前、加工中或(和)加工后使用？⑨该测头适用于常规的机床刀库吗？