危衛(wèi)華 ，李元同，李迎麗，楊光，計(jì)愷豪，陳增濤，梅長(zhǎng)彤

（1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；2.阿爾伯塔大學(xué)工程學(xué)院，埃德蒙頓T6G 1H9；3.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037）

木質(zhì)復(fù)合材料（wood-based composite material）是以木材為基體，復(fù)合其他增強(qiáng)材料或功能材料而構(gòu)成的具有特殊微觀結(jié)構(gòu)和某些特定性能的復(fù)合材料［1］。該材料具有天然植物纖維和高分子聚合物的雙重性能，彌補(bǔ)了單一材料的缺陷，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計(jì)、景觀園林、汽車(chē)內(nèi)飾等行業(yè)。

木質(zhì)復(fù)合材料（中密度纖維板（MDF）、刨花板（PB）、木塑復(fù)合材料（WPC））通常采用熔融擠出或熱壓復(fù)合直接成型為型材、板材或其他制品，但為了滿(mǎn)足特殊型面、尺寸和裝配的要求，成型后往往需要進(jìn)行二次加工（如車(chē)削、銑削、鉆削等）。銑削作為重要的加工方式之一，常常應(yīng)用于以木材為基礎(chǔ)的復(fù)合材料加工。然而，由于木質(zhì)復(fù)合材料各向異性、非均勻性等特性的影響，其切削性能不像金屬類(lèi)各向同性材料所表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性，屬于典型的難加工材料［2］。刀具磨損作為切削性能的重要指標(biāo)之一，對(duì)機(jī)床能耗、加工成本、產(chǎn)品表面質(zhì)量有重要影響。一些學(xué)者對(duì)刀具磨損和切削力之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，認(rèn)為使用磨損的刀具加工會(huì)導(dǎo)致機(jī)床穩(wěn)定性降低、能耗增加，切削力增大［3-5］。也有一些學(xué)者對(duì)刀具磨損與表面粗糙度的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，與鋒利的刀具相比，使用磨損的刀具對(duì)工件加工時(shí)通常會(huì)在工件表面留下突出的刮痕，影響產(chǎn)品外觀［6-7］。為提高刀具的使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)刀具的磨損特性進(jìn)行了大量研究。筆者對(duì)木質(zhì)復(fù)合材料加工過(guò)程中刀具的摩擦特性、磨損因素及機(jī)理、磨損在線(xiàn)監(jiān)測(cè)等方面的研究成果進(jìn)行梳理與總結(jié)，并探討未來(lái)該領(lǐng)域可能的研究方向。

1 刀具摩擦特性

與金屬材料加工相比，木質(zhì)復(fù)合材料加工產(chǎn)生的切屑量大，切屑與刀具之間的高摩擦系數(shù)會(huì)導(dǎo)致排屑不暢，使切屑纏繞在刀具上，加速刀具的損壞。

Gilewicz 等［8］對(duì)山毛櫸開(kāi)展摩擦試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，涂層沉積方法導(dǎo)致的刀具涂層表面粗糙是影響刀具摩擦性能的重要原因。隨著作用載荷的增加，CrN／CrCN 涂層刀具與工件之間的摩擦系數(shù)降低，且刀具與干木材之間的摩擦系數(shù)比與濕木材之間的摩擦系數(shù)要高兩倍。Beer［9］研究了鍍鉻低合金鋼刀具與濕木材接觸時(shí)的摩擦性能，通過(guò)與未涂層的刀具對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉻具有良好的摩擦學(xué)性能。分析認(rèn)為，這可能歸因于天然氧化鉻的高硬度和差的潤(rùn)濕性。后來(lái)在研究亞微米陶瓷材料與木質(zhì)復(fù)合材料接觸時(shí)的摩擦學(xué)行為時(shí)［10］，通過(guò)與硬質(zhì)金屬和多晶金剛石對(duì)比發(fā)現(xiàn)，亞微米陶瓷材料具有更好的摩擦性能，對(duì)磨損后刀具表面粗糙度的檢查證實(shí)了與晶粒尺寸相關(guān)的材料特性是影響其摩擦性能的關(guān)鍵。在選用中密度纖維板（MDF）和刨花板（PB）作為摩擦試驗(yàn)對(duì)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)的大小取決于木質(zhì)復(fù)合材料的性能。這與Niedzielski等［11］在對(duì)橡木、楊木以及中密度纖維板（MDF）加工時(shí)得出的結(jié)果類(lèi)似。研究還發(fā)現(xiàn)，木材及木質(zhì)復(fù)合材料由于其結(jié)構(gòu)引起的粗糙度對(duì)接觸摩擦系數(shù)的影響比金屬等其他材料要強(qiáng)。通過(guò)與鋼、鋁合金的切削試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)木材的粗糙度是影響NCD（納米晶體金剛石膜）涂層硬質(zhì)合金刀具摩擦學(xué)性能的主要原因。郭曉磊等［12-13］采用球-盤(pán)式摩擦試驗(yàn)測(cè)試了不同的刀具與木質(zhì)復(fù)合材料之間的摩擦系數(shù)，研究了不同涂層材料與不同木質(zhì)復(fù)合材料之間的摩擦特性。試驗(yàn)表明，涂層材料晶粒的大小和微觀結(jié)構(gòu)以及木質(zhì)復(fù)合材料內(nèi)部材料的顆粒大小和形態(tài)對(duì)刀具的摩擦性能有顯著影響。刀具材料越細(xì)密，木質(zhì)復(fù)合材料材質(zhì)越均勻，刀具的摩擦性能越好。

2 刀具磨損因素及機(jī)理

2.1 切削參數(shù)

切削參數(shù)包括切削速度、進(jìn)給速度、切削深度。較高的切削速度、進(jìn)給速度能夠提高材料的去除率，但會(huì)在切削刃附近產(chǎn)生大量熱量，加快刀具磨損。

Szwajka 等［14］在對(duì)刨花板進(jìn)行切削研究時(shí)指出，切削速度對(duì)刀具壽命有顯著影響，隨著切削速度的增加，刀具壽命降低。Zhu 等［15］使用TiC 增韌的Al2O3刀具銑削高密度纖維板（HDF）時(shí)指出，與低速銑削相比，高速銑削時(shí)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量更大，刀具在單位時(shí)間內(nèi)切除的材料更多，刀具與工件接觸頻率更高，刀具磨損更嚴(yán)重。TiC 增韌的Al2O3刀具磨損的主要形式為晶粒脫落、剝落以及崩刃，磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和黏結(jié)磨損。薛通明［16］在進(jìn)行高速銑削木塑復(fù)合材料試驗(yàn)時(shí)，采用單因素法研究了加工參數(shù)對(duì)刀尖磨損寬度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：刀尖寬度隨主軸轉(zhuǎn)速、徑向切深、軸向切深的增加而增大，隨進(jìn)給速度的增大而減??；硬質(zhì)合金刀具的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為磨粒磨損和氧化磨損。Guo 等［17］選用Si3N4刀具和Al2O3刀具銑削膠合板時(shí)發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是低速切削還是高速切削，兩種刀具都發(fā)生了黏結(jié)磨損，且高速切削時(shí)的刀具黏結(jié)磨損更嚴(yán)重；在平均切削厚度相同時(shí)，Si3N4刀具的切削性能要優(yōu)于Al2O3刀具。

2.2 刀具材料和幾何參數(shù)

在木質(zhì)復(fù)合材料加工中，刀具要承受摩擦、高溫、振動(dòng)和沖擊等作用，因此，刀具材料不僅要具有較好的硬度和耐磨性，還要有足夠的強(qiáng)度和韌性。另外，木質(zhì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性較差，且沒(méi)有冷卻液選擇，導(dǎo)致加工過(guò)程中的大部分熱量必須通過(guò)刀具傳遞出去。因此，具有高導(dǎo)熱率的材料也是優(yōu)選的方向。

刀具材料的自身特性和熱處理工藝對(duì)刀具磨損有顯著影響［18-20］。曹平祥等［21-22］對(duì)刀具的腐蝕磨損現(xiàn)象進(jìn)行了研究，探討了木工刀具腐蝕磨損機(jī)理并提出了抑制腐蝕磨損的方法（如涂層技術(shù)）。在對(duì)木工刀具的磨損機(jī)理研究中，指出碳鋼刀具的主要磨損機(jī)理是機(jī)械擦傷磨損，硬質(zhì)合金刀具的主要磨損機(jī)理是腐蝕磨損。Chivavibul 等［23］對(duì)亞洲硬木和中密度纖維板加工時(shí)發(fā)現(xiàn)：硬質(zhì)合金刀具的刃口崩刃隨碳化鎢顆粒的增大而減少，且碳化鎢顆粒尺寸越大，刀具磨損率越低；硬質(zhì)合金刀具的磨損機(jī)理表現(xiàn)為鈷黏結(jié)劑去除后的碳化鎢顆粒破碎。Gauvent 等［24］對(duì)木材切割刀具進(jìn)行了腐蝕測(cè)試，發(fā)現(xiàn)刀具的失效是由磨損和腐蝕共同作用的結(jié)果。對(duì)于碳化鎢合金刀具，金屬黏結(jié)劑是主要的腐蝕部分，它的組成和含量是決定耐腐性的主要因素，金屬黏接劑濃度越小，耐腐性越高，相同濃度的黏結(jié)劑中鉻的含量越高，耐腐性越好；對(duì)于碳鋼刀具，鎳和鉻的含量是決定它耐腐性的關(guān)鍵，其含量越高，耐腐性越好。分析認(rèn)為：鉻的含量似乎是決定黏結(jié)劑分解速率和形成鈍化層穩(wěn)定性的主要因素，而高濃度的鎳可以穩(wěn)定鈍化層，并且能夠很好地防止點(diǎn)蝕。Strehler 等［25-26］研究了燒結(jié)助劑（Al2O3、La2O3、Y2O3、MgO）對(duì)Si3N4／SiC 刀具磨損性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，刀具材料密度對(duì)磨損性能有顯著影響，粒間相在控制切削刃完整性方面起關(guān)鍵作用。具有質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的La2O3、Y2O3和Al2O3添加劑的Si3N4／ SiC 刀具有更好的切削刃穩(wěn)定性；MgO 是一種不理想的燒結(jié)添加劑，它阻礙了氧化硅相的結(jié)晶。Sommer 等［27］研究了4 種鋁基注塑陶瓷刀具，在對(duì)中密度纖維板切割時(shí)發(fā)現(xiàn)：Al2O3刀具主要磨損為磨粒磨損；與ZTA 刀具相比，殘余孔隙和低韌性是導(dǎo)致Al2O3刀具大規(guī)模碎裂的主要原因；ACY 刀具的刃口縮短量是最小的，這很可能是晶粒結(jié)合強(qiáng)度、硬度、晶粒尺寸的最佳組合所致。

研究表明，涂層處理在保留刀具基體本身優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也改善了刀具的切削性能［28-29］。Beer等［30-31］研究發(fā)現(xiàn)附著性較好的耐磨涂層能明顯提高刀具的使用壽命，但殘留在切削刃的涂層材料會(huì)使產(chǎn)品表面質(zhì)量下降。在用低溫離子氮化的低合金鋼（LAS）工具加工中密度纖維板時(shí)發(fā)現(xiàn)，LAS 表面的CrxN 薄膜能夠改善切削刃的耐磨性。對(duì)刀具進(jìn)行氮化處理能夠使刀具的整個(gè)切削刃硬度更均勻，350 ℃溫度下氮化的高速鋼（HSS）的刀具磨損性能要優(yōu)于在500 ℃溫度下所氮化的刀具，這可能是由于500 ℃溫度下氮化的刀具切削刃脆性較大所致。Labidi 等［32］研究了表面處理對(duì)木工刀具的影響，試驗(yàn)表明雙相處理（離子滲氮+CrN）能夠增加刀具的硬度，提高耐磨性，使用氮化處理和雙相處理的涂層刀具磨損性能幾乎達(dá)到未處理刀具的20 倍。

探究涂層沉積參數(shù)、沉積方法以及涂層與刀具之間的關(guān)系可更好選擇涂層材料和涂層工藝。Nouveau 等［33］采用磁控濺射技術(shù)將立方CrN 涂層沉積到硬質(zhì)合金工具上，并在定向刨花板（OSB）加工操作中進(jìn)行摩擦學(xué)測(cè)試。通過(guò)能譜分析（EDS）、掃描電鏡（SEM）和X 射線(xiàn)衍射（XRD）對(duì)涂層刀具進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在0.2 Pa 的工作壓力下以2 μm 的厚度獲得的CrN 涂層和650 W 的靶功率在OSB 加工中表現(xiàn)出最好的性能。對(duì)于CrN 涂層的硬質(zhì)合金刀具，相同比例的（111）和（200）取向結(jié)晶能更好地增加刀具的耐磨性。Gilewicz 等［8］在研究多涂層對(duì)刀具磨損的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：刀具基體的硬度對(duì)涂層的硬度有顯著影響，沉積在較軟基體上的硬質(zhì)涂層可減少刀具的摩擦和磨損；CrN／CrCN 涂層的硬度取決于CrN／CrCN 涂層的厚度比，當(dāng)CrN／CrCN 涂層的厚度比為2 ∶1時(shí)，刀具的耐磨性最好；與未涂層刀具相比，多層CrN／CrCN 涂層能有效減少刀具磨損，壽命可提高2～3 倍。

研究表明，合理優(yōu)化刀具的幾何參數(shù)可提高加工系統(tǒng)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)刀具使用壽命［34］。較大的刀具前角能有效降低刀具磨損，高速銑削時(shí)，在保證刀具強(qiáng)度和加工穩(wěn)定性的前提下應(yīng)盡可能選用大前角刀具，以在降低機(jī)床能耗、提高加工生產(chǎn)效率的同時(shí)減少刀具磨損，提高刀具壽命［15，35］。微倒角（圖1）能夠增大刀具的楔角，提高刀具切削刃穩(wěn)定性［25，27］。Kowaluk 等［36］在銑削中密度纖維板時(shí)進(jìn)一步指出，刀具楔角越大，刀具磨損越小，對(duì)于硬質(zhì)合金鋼刀具（HM），最佳楔角為40°。Guo 等［37］研究了刀具楔角對(duì)刀尖寬度和刃口縮短量的影響，試驗(yàn)選取木粉／聚乙烯復(fù)合材料（WFPEC）作為銑削材料，硬質(zhì)合金刀具作為試驗(yàn)刀具，結(jié)果表明，隨著刀具楔角的增大，刀尖寬度和后刀面粗糙度不斷增大，刃口縮短量不斷減小。硬質(zhì)合金刀具的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為后刀面的鈷黏結(jié)相氧化磨損和鈷黏結(jié)相去除后的碳化鎢顆粒磨粒磨損。Darmawan 等［38］指出，大的刀具螺旋角能夠使切削刃在加工過(guò)程中逐漸接觸木材表面，減小切削刃與工件間的瞬時(shí)沖擊以及切削刃上的機(jī)械載荷。同時(shí)，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，大螺旋角和直槽銑刀具有更好的切屑流動(dòng)性，能夠改善切削刀具和切屑之間的摩擦性能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少振動(dòng)，延長(zhǎng)刀具使用壽命［39］。

圖1 刀具微倒角示意圖Fig.1 The schematic diagram of toolmicrochamfer

2.3 工件材料

工件材料對(duì)刀具磨損有顯著影響，工件材料的強(qiáng)度和硬度越高，刀具切削刃越容易損壞，刀具磨損越嚴(yán)重。此外，木質(zhì)復(fù)合材料中包含大量的化學(xué)聚合物和黏結(jié)劑，刀具加工時(shí)實(shí)質(zhì)上在同時(shí)切割多種物質(zhì)，導(dǎo)致刀具磨損的因素有很多，包括可能導(dǎo)致刀具磨粒磨損的硬質(zhì)點(diǎn)以及導(dǎo)致刀具化學(xué)腐蝕的酸性和堿性介質(zhì)。一般認(rèn)為，木質(zhì)復(fù)合材料的刀具磨損主要是磨粒磨損和化學(xué)磨損［39-40］。

關(guān)于工件材料對(duì)刀具磨損影響的研究中，Kivimaa［41-42］首次指出木材中的有機(jī)酸會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生電化學(xué)磨損。Hillis 和Mckenzie 等［43-44］指出木材中的化學(xué)成分如有機(jī)酸（organic acid）、聚酚類(lèi)抽出物（polyphenolic extractives）等會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。Mckenzie 等［45］指出木材中的萃取物能夠作為潤(rùn)滑劑，有效地降低了木材切割時(shí)的摩擦系數(shù)。然而，Krilov［46］指出木材中的高萃取物和酸度會(huì)導(dǎo)致刀具腐蝕。Darmawan 等［47］在選用SKH51高速鋼刀具和K10 碳化鎢刀具分別銑削Tapi-Tapi木、水泥木絲板、刨花板、中密度纖維板以及定向刨花板5 種材料時(shí)進(jìn)一步指出，加工刀具的磨損量是由木質(zhì)復(fù)合材料中的萃取物和二氧化硅含量決定的，二氧化硅含量越高，切削刃破損越嚴(yán)重。SKH51 高速鋼刀具和K10 碳化鎢刀具兩者都發(fā)生了氧化和腐蝕磨損，萃取物和硅的含量在不同程度上決定了刀具的失效機(jī)理。Saloni 等［48］研究了不同類(lèi)型木質(zhì)復(fù)合材料在加工時(shí)的刀具磨損差異，試驗(yàn)選取5 種商用木纖維塑料復(fù)合材料（ChoiceDek、Exceldecking、Fiberon、Martdeck、Trex）和實(shí)木（北美喬松Pinus strobus）作為測(cè)試工件，試驗(yàn)刀具選用碳化鎢刀具，結(jié)果表明，木纖維塑料復(fù)合材料加工時(shí)的刀具磨損量要比加工北美喬松時(shí)的刀具磨損量大得多。與實(shí)木相比，木纖維塑料復(fù)合材料中的填充劑和用于塑料成分的顏料是造成刀具磨損量增加的主要原因。5 種商用木纖維塑料復(fù)合材料中，ChoiceDek 的刀具磨損量最大，大約是北美喬松的42 倍；Fiberon 的刀具磨損量最小，大約是北美喬松的15 倍。分析認(rèn)為，這種差異是由不同木質(zhì)復(fù)合材料中的黏結(jié)劑、填料以及雜質(zhì)的不同所致。這與先前［49］在4 種商用木纖維塑料復(fù)合材料和兩種對(duì)照材料（純塑料和實(shí)木）研究得到的分析結(jié)果一致。朱兆龍等［50］采用TiC 增韌的Al2O3陶瓷刀具分別切削纖維板和膠合板時(shí)指出，刀具切削膠合板產(chǎn)生的磨損明顯高于切削纖維板產(chǎn)生的磨損。切削纖維板時(shí)，刀具的主要磨損形式表現(xiàn)為微崩刃和后刀面磨損，斷裂方式主要為沿晶斷裂，磨損機(jī)理為磨粒磨損和黏結(jié)磨損；切削膠合板時(shí)，刀具主要磨損形式為崩刃、晶粒脫落和后刀面磨損，斷裂方式主要為穿晶斷裂，磨損機(jī)理為磨粒磨損和粘結(jié)磨損。

2.4 加工環(huán)境

加工環(huán)境（溫度、冷卻方式等）對(duì)木質(zhì)復(fù)合材料的加工刀具有顯著影響。木質(zhì)復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)很小，切削時(shí)大部分熱量都傳遞給刀具，引起刀具溫度急劇上升，導(dǎo)致刀具材料硬度和韌性降低，而且刀具自身的熱膨脹和熱應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致刀具內(nèi)部溫度分布不均勻，使刀具喪失原有穩(wěn)定性，加快刀具磨損。如果沒(méi)有關(guān)于刀具溫度分布和溫度對(duì)刀具材料性能影響的信息，很難準(zhǔn)確估計(jì)不同磨損機(jī)制對(duì)刀具退化的影響，特別是在切削刃處。

Sheikh-Ahmad 等［51］指出切削速度是影響刀具溫度最重要的因素，邊界元法（BEM）能夠解決切削刀具中的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，并且可以更真實(shí)地預(yù)測(cè)刀具中的溫度分布。Horman 等［52］利用邊界元法發(fā)現(xiàn)切削熱主要來(lái)源于刀具前后刀面的摩擦和擠壓，刀具最高溫度出現(xiàn)在刀尖處。這與鮑旭等［35］采用紅外熱成像技術(shù)研究切削厚度和刀具前角對(duì)切削溫度的影響時(shí)得到的結(jié)果一致。此外，文章指出切削厚度增大引起的切屑超越裂紋可降低切削區(qū)的溫度增加率。Pei 等［53］在高速銑削木塑復(fù)合材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和切削寬度的增大會(huì)使加工過(guò)程中的溫度增大，而進(jìn)給速度會(huì)使切削溫度降低，但是下降的幅度很小。因此，為了更好地控制加工過(guò)程中的溫度，可以適當(dāng)?shù)慕档椭鬏S的轉(zhuǎn)速，增大進(jìn)給速率，同時(shí)以較小的切深和切寬多次切削。

合理的冷卻方式能夠有效提高加工質(zhì)量，減緩刀具磨損速度。由于液體冷卻方式不適用于木質(zhì)復(fù)合材料加工中，研究人員已采用其他冷卻方式（壓縮空氣冷卻、壓縮冷氮?dú)饣蛘咻o以冷風(fēng)）降低刀具磨損速率，以延長(zhǎng)刀具使用壽命。Ghosh等［54］指出低溫處理能夠產(chǎn)生更好的加工表面質(zhì)量和更小的刀具磨損。Gisip 等［55］在用低溫（-149℃）處理的碳化鎢刀具加工中密度纖維板的過(guò)程中加以冷空氣冷卻（21，4.4 和-6.7℃），試驗(yàn)表明：低溫處理和冷空氣能有效保留刀具中的鈷黏結(jié)劑和碳化鎢顆粒。通過(guò)冷空氣降低切削時(shí)的溫度，能大幅度降低刀具氧化和腐蝕磨損速率，延長(zhǎng)刀具使用壽命。Stewart［56］研究了低溫處理（-306℉）C2碳化鎢（WC-6%Co）刀具在切削中密度纖維板時(shí)的切削性能。通過(guò)與未處理的刀具對(duì)比發(fā)現(xiàn)，低溫處理能夠改變鈷黏結(jié)劑的相變或晶體結(jié)構(gòu)，從而在切割過(guò)程中刀具能保留更多的鈷黏結(jié)劑，降低刀具磨損速率。

3 刀具磨損模型及在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

刀具磨損必然會(huì)增加機(jī)床能耗，降低產(chǎn)品加工質(zhì)量。當(dāng)?shù)毒吣p到一定程度時(shí)，會(huì)造成刀具振動(dòng)、噪聲大、加工表面質(zhì)量的惡化，甚至造成加工中心損壞［57］。傳統(tǒng)木材加工缺少在線(xiàn)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)以評(píng)估和量化生產(chǎn)線(xiàn)，急切需要一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)加工中的刀具磨損進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

耿紹輝［58］選用偏最小二乘回歸（PLSR）方法對(duì)木材加工過(guò)程中的刀具磨損情況進(jìn)行了分析與建模，模型選取切削速度、切削路徑、切削深度、刀具后角以及刃磨角作為自變量，通過(guò)覆蓋和未覆蓋的切削條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型可理想推算出不同切削參數(shù)下的刀具磨損值。Ohuchi 等［59］在計(jì)算機(jī)數(shù)控鏤銑機(jī)上安裝了激光測(cè)量?jī)x，研發(fā)了一種刀具切削刃輪廓自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠在不停機(jī)的情況下對(duì)刀具的磨損自動(dòng)測(cè)量。在之后的研究中，又在該系統(tǒng)上加裝了一個(gè)自適應(yīng)控制開(kāi)槽系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提高加工精度并控制毛刺形成［60］。試驗(yàn)表明，采用與開(kāi)槽中刀具磨損進(jìn)展相對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)控制處理系統(tǒng)是非常有效的。但是這種基于激光測(cè)量切削刃輪廓的自適應(yīng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試僅用于開(kāi)槽。Laszewicz 等［61］開(kāi)發(fā)了一種與刀具磨損進(jìn)程相對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，并用該系統(tǒng)對(duì)側(cè)銑的中密度纖維板尺寸精度進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果證明了基于工件視覺(jué)檢查直接測(cè)量切削誤差的方法比刀具磨損監(jiān)測(cè)更有用。

隨著計(jì)算機(jī)處理功能的強(qiáng)大，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始利用圖像處理技術(shù)對(duì)刀具磨損進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)。Palubiski 等［62］設(shè)計(jì)了一種新的刀具掃描測(cè)量平臺(tái)（如圖2 所示），并開(kāi)發(fā)了一種新的算法對(duì)刀具進(jìn)行三維掃描來(lái)測(cè)量刀具的磨損。試驗(yàn)表明，該方法比立體掃描電鏡方法具有更高的精度，特別是在確定刀具磨損曲線(xiàn)時(shí)，可快速、間接、多次掃描。秦國(guó)華等［63］研發(fā)了基于二值形態(tài)學(xué)理論的GUI 刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)算刀具磨損的幾何參數(shù)。當(dāng)磨損區(qū)域完全在攝像機(jī)視野范圍內(nèi)時(shí)，監(jiān)測(cè)精度可隨放大倍數(shù)的增大而增大，在100 倍的放大倍數(shù)下監(jiān)測(cè)精度可達(dá)99%。但圖像處理技術(shù)易受加工方式的限制，且該系統(tǒng)未能真正解決實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

圖2 刀具掃描測(cè)量平臺(tái)Fig.2 Tool scanning and measuring platform

近年來(lái)，聲發(fā)射、振動(dòng)、切削力信號(hào)常用于刀具磨損在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，且多信號(hào)運(yùn)用趨勢(shì)明顯。Aguilera 等［64］基于電流和聲壓監(jiān)測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種新的間接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了刀具磨損在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。王忠民等［65］建立了一種基于聲發(fā)射（AE）信號(hào)能量的雙閥值判斷監(jiān)測(cè)方法，試驗(yàn)表明該方法可很好解決特定切削條件下刀具磨損在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。高宏力等［66］在聲發(fā)射信號(hào)的基礎(chǔ)上，添加了切削力信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)，建立了基于動(dòng)態(tài)樹(shù)理論的刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可滿(mǎn)足任何加工條件下切削刀具磨損監(jiān)測(cè)的要求，且精確度高。王曉強(qiáng)等［67］選用振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)作為監(jiān)測(cè)信號(hào)，利用隱馬爾科夫模型（HMM）實(shí)現(xiàn)了刀具磨損的連續(xù)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)表明，該模型能夠很好評(píng)估刀具的磨損行為，且能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)刀具的壽命。

刀具磨損模型及在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅很好地?cái)M合了刀具在實(shí)際加工中的磨損狀況，而且避免了人工拆卸刀具檢測(cè)的繁瑣操作，大大提高了加工效率。

4 小 結(jié)

對(duì)木質(zhì)復(fù)合材料加工刀具的磨損規(guī)律的歸納總結(jié)，將為行業(yè)人員選擇切削木質(zhì)復(fù)合材料的刀具參數(shù)和加工環(huán)境等提供參考。為了進(jìn)一步提高刀具壽命和工件的加工工藝性，今后可從以下方面開(kāi)展更深入的研究：

1）優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)以及合理選擇加工參數(shù)是提高加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵；

2）努力研究和開(kāi)發(fā)適用于木質(zhì)復(fù)合材料的新型高性?xún)r(jià)比刀具，深入研究涂層技術(shù)，并通過(guò)開(kāi)發(fā)新的高質(zhì)量涂層材料以增強(qiáng)刀具的耐磨性；

3）深入研究切削過(guò)程中刀具溫度的變化和分布情況，將溫度控制在木質(zhì)復(fù)合材料的軟化點(diǎn)以下是提高工件質(zhì)量和減少刀具磨損的有效辦法；

4）目前可用于木質(zhì)復(fù)合材料加工的冷卻方式選擇性太少，必須開(kāi)發(fā)一種適用性強(qiáng)且高效的冷卻方法；

5）研發(fā)新的刀具磨損智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)加工中出現(xiàn)的問(wèn)題能更為準(zhǔn)確、及時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)。