智能切削刀具发展现状综述

大连交通大学学报

JOURNAL OF DAT,TAN JIAOTONG UNIVERSITY

Vol. 37 No. 6Dec. 2016

文章编号：1673- 9590 (2016) 06- 0010- 05

智能切削刀具发展现状综述

崔云先，张博文，刘义，祁洋

(大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028)*

摘要:针对国内外智能切削刀具的研究现状和应用状况，对智能型刀具技术和智能型刀具系统的研究 成果及在相关领域的应用进行综述，重点介绍以实现超精密加工为目的的智能切削测温刀具技术，展望

了以“中国制造2025”为核心的智能刀具技术向系统化和模块化发展的趋势.关键词：智能制造;智能刀具;精密加工;刀具系统 文献标识码:A

〇引言

随着微电子制造技术、通信技术和计算机技 术的发展及其在先进制造技术中的广泛应用， 2006 年美国 NIST (National Institute of Standards and Technology)启动了“智能装配 ”（Smart As­sembly) 研究项目 ，陆续又启 动了“ 智能制造过程

(Smart Manufacturing Processes and E-

quipment)研究项目和“下一代机器人和自动化”（ Next - Generation Robotics and Automation)研究项目[1]. 2012年我国发布《智能制造装备产业“十 二五”发展规划》和《智能制造科技发展“十二五” 专项规划》，2016年发布《中国制造2025》计划. 智能制造已经成为先进制造技术发展的主流. CIRP(国际生产工程科学院）公布的一项研究报 告指出：“在美国，刀具的正确选择只有50%左 右，刀具只有58%的切削时间是在最佳切削速度 下工作的，仅有38%的刀具完全用到刀具的寿命 值” [2].这实际也更能反映目前我国机械制造业 的现状.

近年来,先进制造技术正朝着精密化、柔性 化、集成化、网络化、全球化、虚拟化、智能化方向 发展，刀具自动化检测以及切削过程智能监控的 新原理、新装置和新系统成为未来切削加工技术 的发展途径之一[3].刀具状态智能监测技术作为 先进制造技术的重要组成成分，是在现代传感器

收稿日期:2016>05-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51575〇74)

技术、信号处理技术、计算机技术和制造技术基础 上发展起来的新兴技术，它在降低产品制造成本， 保证产品质量，减少制造环境危害方面具有极其 重要的作用[4].研究开发智能刀具，提高加工效 率，降低成本是提高切削加工质量和精度的十分 有效的方法之一，智能刀具已经成为现代先进制 造领域的发展趋势.

1智能切削刀具发展概况

1.1国外智能切削刀具发展现状

上世纪8〇年代，第一个“受控型”刀具（Con­trolled tool) 在德国问世，这是智能刀具的雏形[5] • 进入90年代，该技术得到进一步发展，并称为智 能型刀具（Intelligent Tool)或者灵巧型刀具 (Smart Tool) [6] • 1998 年德国 Komet 公司开发了 一种智能刀具，它把驱动、返回、微型计算装置、非 接触式能量和数据传输装置集成在一起,刀具外 径1 60mm，柄部为ISO、SK50或HSK100,可利用 具有8mm升程的简单平面导轨实现多种变型，由 机床控制器M指令控制的可外伸铰刀，其调整精 度可达微米级.2002年美国密西根大学的 Byung-Kwon Min等人发明了一种智能撞刀（ Smart Boring Tool) [7]，将激光位置传感器和压电 执行器集成到镗刀刀杆内，利用位置控制，自我监

*作者简介:崔云先(1963 -),女，教授，博士，主要从事传感器与测试技术、先进制造技术的研究

E-mail：dlcyx007@ 126. com.

第6期

崔云先，等：智能切削刀具发展现状综述

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测算法和扰动观测器快速完成刀具伺服反馈控

制，可完成小于lfim位置误差的伺服控制，有效 提髙了镗削过程的生产效率和可靠性.2007年加 拿大Hamidreza等人将光纤传感器用软钎焊的方 法埋入中碳钢中[8]，通过激光涂敷的方法在中碳 钢表面涂敷一层WC - CO镀层，将其制成基于

FBG的智能切削刀具，用以实时监测切削过程中

刀具的受力状况.2009年美国新罕布什尔大学

Robert B. Jerard等研发了一种无线智能刀柄 (Smart Tool Holder)传感器系统，他们将无线传感

器集成到智能加工系统（Smart Machining Systems 简称SMS)中[9]，用于实时监测刀具的磨损状态 及机床的颤振，据参与开发该传感器系统的

ChristopherA. Suprock介绍，这种传感器系统不会 影响刀具的切削刚性，同时其制造成本仅为500 美元左右.与之形成强烈对比的是目前市面上普 遍使用的旋转式测力计，其市售价格髙达3万美 元以上，但前者可完全替代这种旋转式测力计. 2012年德国布伦瑞克大学的Alexander L. Bold-

ering等设计了一种智能磨床夹具[1°]，他们利用

压电动态力传感器和执行器可以自动调节的活动 夹具，其根据轴向力的变化自动调节砂轮的微位 移，可降低磨削过程中因为刀具振动对磨削表面 质量的影响.2013年爱尔兰都柏林大学的Kevin

Kerrigan等[11]将热电偶集成于铣刀上，研发了一

种新型的智能刀具（wireless integrated thermocou­

ple sensor 简称 WIT) 成功用于碳纤维增强聚合物

(CFRP)材料铣削加工时刀具温度的测量.

近年来，英国布鲁内尔大学教授领导的 课题组一直致力于智能刀具的研究[12]，提出一种 新型的智能切削工具;他们将一个的单层压 电薄膜作为传感单元嵌入切削刀片的下方，与

Kistler测力仪在相同工况下测试结果比较显示，

在一定测力范围内，该智能测力刀具误差很小且 重复性好，精度高；2013年报道了利用可以内部 冷却的智能刀具与封闭内部冷却回路测量切削温 度的一种新方法[13]，在冷却水出口位置安装热电 偶，用于测量刀具的切削温度，由于冷却水需要较 长时间才能达到稳态，在较短切削时间内，无法实 时测量切削温度，作者利用获得的出口温度，通过 最小二乘法拟合得到瞬态响应函数模型的分析， 可以在15 S内得到稳态的平均切削温度，并且将

该方法用于减少和控制加工难切削材料（如钛和

镍基合金）的临界切削温度；2014年提出了一种 智能刀具的创新设计方法[14]，研究了一种基于 SAW(声表面波）应变传感器的智能刀具，基于

SAW(声表面波）应变传感器的智能刀具如图1

所示.可利用安装在刀具顶部和侧面的两声表面 波（SAW)应变传感器在线实时测量切削力和进 给力.

应变传感器

引线

无结发射端

图1

基于SAW(声表面波）应变传感器的智能刀具

1.2国内智能切削刀具发展现状

国内目前开展智能刀具研究的可见报道很 少，大多是针对信号测量型的刀具技术展开的一 些研究.同济大学刘晓东研制出一种新型的四维 铣削力测量刀柄[15]，这种测力刀柄以薄壁圆筒为 弹性元件，同样利用无线电遥测的方法进行数据 交互，配备感应式电源解决刀柄的供电问题.青 岛大学机电工程学院苟琪对数控铣床遥感测力刀 柄进行相关基础研究[16]，通过分析单元变形体简 易受力模型，研究刚度和灵敏度与变形体结构尺 寸的相互关系，提出双层测力传感器结构中单元 变形体弯矩变形的应用方式，讲述了遥感力信号

的传输原理.2010年，南京航空航天大学何宁教 授领导的课题组，在对刀具磨损规律分析的基础 上，提出一种针对高速加工智能化实时刀具状态 监测系统[17]，该系统可以自动进行不同刀具状态 识别和磨损程度估计，通过高速铣削试验证明了 所提出的智能刀具状态监测系统的有效性.哈尔 滨工业大学李文德等在基于声表面波原理的智能 刀具系统方面开展了研究[18]，研究了一种基于声 表面波原理的切削力测量智能刀具，所开发的智 能刀具能在无线、无源的条件下，完成切削加工中 主切削力的实时测量.2013年哈尔滨工业大学舒 盛荣在教授的指导下提出了一种内冷式智能 刀具[13]，所研究的智能内冷式刀具可以较精确的 对切削温度进行在线预测，所设计的内冷式智能 刀具如图2所示.

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大连交通大学学报

第37卷

图2内冷式智能刀具

2 智能切削测温刀具的研究现状

目前国内外智能刀具的研究主要用于监测刀 具的磨损和破损，检测刀具温度变化的智能刀具 技术例子较少.然而切削热是切削加工过程中的 一种重要的物理现象[19]，切削温度又是直接影响 零件加工质量的重要参数之一[2°]，尤其在超精密 加工领域的高速切削加工中，由于加工时其散热 性差，热变形产生的误差大，使尺寸和形位误差难 以达到设计要求;化爆材料加工中，由于其不均勻 性，内部随机分布硬质点，当切到硬质点时，会突 然产生大量的切削热而引爆工件发生重大安全事 故;在精密切削加工过程中，由于切削深度小，切 削温度变化速度快，导致传统切削温度测量方法 很难测量快速变化的刀尖温度.

目前，国内外常用的切削温度测量方法主要 有自然热电偶法[21_22]、人工热电偶法[23]、半人工 热电偶法[24_25]、红外辐射测温法[26_27]、固态图像 传感器法[28_29]、金相组织观察法、热敏涂料法和 量热计法等.但常规温度测量方法无法实时监测 切削区域指定点瞬态温度变化，因此，研制一种响 应速度快、能准确测量刀尖切削温度的方法和技 术已成为国际精密切削加工领域急需解决的关键 问题.具备温度测量及反馈功能的智能刀具对切 削加工及延长刀具寿命有着重要的意义.

薄膜热电偶是一种基于热电转换机理的新型 瞬态温度传感器，通过测量两种薄膜材料组成的 闭合回路热电势来获得测量点的温度.由于它具 有热容量小、响应迅速等特点，在刀具切削温度测

量方面得到了初步应用.2013年，威斯康星大学 美国国家数字制造装备与技术重点实验室在 PCBN刀具中通过嵌入微型薄膜热电偶阵列对切 削区域进行切削温度的测量.提出了通过切削区 模型预测切削温度的方法，模型的可行性和预测 精度通过嵌入多晶立方氮化硼（PCBN)刀具切削 区的薄膜热电偶（thin-film thermocouple简称

TFTC)阵列附近进行实验测量确定.图3所示为 XiaoChun 1^等[3°-31]在PCBN刀片中嵌入薄膜热

电偶阵列，用以检测前刀面和后刀面的切削温度 的分布.

图3

嵌入薄膜热电偶（TFTC)阵列的PCBN刀具

本文作者课题组针对智能切削测温刀具关键 问题，应用物理、材料以及电子信息和计算机理论

与技术，研制了一种基于NiCr - NiSi薄膜热电偶 的瞬态切削用智能测温刀具[32_33]，瞬态切削用智 能测温刀具如图4所示;利用薄膜热电偶具有热 容量小，响应迅速等优点，采用直流脉冲磁控溅射 技术在刀片上制备了致密性和绝缘效果良好的

Si〇2绝缘薄膜及热电偶电极薄膜，集切削、测温

功能于一体，并将刀具瞬态切削温度测试单元

(Electronic Measure Unit 简称 EMU)集成于刀具

刀杆，形成集自动数据采集、自动数据处理、自动 数据存储于一体的瞬态切削用智能测温刀具;利 用自行研制的薄膜热电偶自动标定系统对研制的 测温刀片进行了静、动态标定，结果表明所研制的 测温刀片在30〜300^范围内具有良好的线性， 其塞贝克系数为40.5 jxV/K，最大线性误差不超 过0. 92%，而且响应快，时间常数小于0.1 ms;该 智能测温刀具实现了在切削加工过程中对瞬态切 削温度数据的实时采集、无线传输与数据存储功 能;并通过现场实验验证了所研制的智能测温刀 具可以快速准确监测〇. 1 s内刀具刀尖处瞬态切 削温度的变化，能够在生产现场对切削区域瞬态 温度进行准确和实时测量，为智能测温刀具的研 究与开发提供了新的技术途径.

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崔云先，等：智能切削刀具发展现状综述

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随着微电子制造技术、通信技术和计算机技 术的发展，以及嵌入微型薄膜热电偶的技术的成 熟，集智能测温与反馈控制于一体的刀具将是新 型智能刀具的一个发展方向.同时，随着智能技 术在先进制造技术中的广泛应用与发展，把人工

智能技术引入到刀具状态监测中来，不仅提髙了 监测系统在复杂多变的切削条件下的适应能力， 并赋予其自学习和自适应的智能性.智能刀具温 度监测系统已经成为国内外制造业研究的热点问 题之一^ •

图4瞬态切削用智能测温刀具

3结论

随着工业4.0和“中国制造2025”的提出，推

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动了工业机器人、机械手臂、智能刀具等智能设备 的广泛应用，智能制造成为加工领域的研究热点， 智能刀具技术出现向系统化和模块化发展的趋 势，并将与现代通信技术相结合，进一步融合到物 联网中，从而推动制造业智能装备的进步.我国应 抓住有利时机，以制造业装备现代化为契机，开展 智能型刀具的应用基础研究，对推动先进制造技 术的研究与开发具有十分重要的科学意义和应用 价值.参考文献：

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Development Status Summary of Smart Cutting Tool

CUI Yunxian，ZHANG Bowen，LIU Yi，QI Yang

(School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028,China)

Abstract：In view of the research and application status of intelligent cutting tools at home and abroad, a- chievements and applications in related fields of intelligent cutting tool technology and system are summarized and focused on the introduction of intelligent cutting temperature measurement tool technology for the purpose of realizing ultra-precision machining. The development tendency to systematization and modularization of in­telligent tool technology with the core of \"made in China 2025\" is proposed.

Keywords ： intelligent manufacturing ； smart cutting tools ； precision machining ； cutting tool system