（木材科学与技术专业论文）木工刀具磨损特性与木材切削加工优化的研究.pdf

摘要 摘要 切削加工是术材与木质材料加工的重要方法。经切削加工能达到所需要的形状和表 面，铣、刨、锯以及钻等都属于此种方法。、而木工刀具刃口锋利程度是影响加工质量的 m 重要技术参数。研究木工刀具磨损特性的目的就在于优化木材切削加工技术。 本文首先在现有各种木工刀具磨损测量方法的基础上，研究一种新的测量原理和方 法，以满足木工刀具磨损程度的准确测量需求，对木工刀具磨损进行定性和定量分析。 为此，本论文分析研究了木工刀具磨损的机理，设计出一种新的经济、实用的光投影测 量装置来测量木工刀具的磨损程度。此装置利用光照射到要测量的刀具上，通过遮光板 产生投影，以反映出刀具的磨损外廓，推导出投影与实际刀具刃口横截面的关系。刀具 与水平面成4 5 。角放在显微镜下，投影经显微镜放大，用c c d 摄像头通过计算机记录 下来，然后进行图像数据处理。 用所设计的木工刀具磨损测量装置进行了大量的试验，以分析研究木工刀具磨损特 性。在本测量装置中，光源起着非常重要的作用。试验中对不同光源进行了比较分析， 对光的强度提出了要求，初步解决了光干扰影响等问题。每个刀具测量多点获得一组数 据，通过专门的图象处理软件进行处理，以计算出刀具磨损程度的几何参数。为了更准 确地反映出磨损的大小，测量出刀尖磨损值s v 、磨损宽度b 、磨损程度忍、磨损微小后 角口。以及磨损体积v 等等。 本文选用常用的合金钢和高速钢制成的木工刀具，并选用具有代表性的针叶材云 杉、阔叶材山毛榉、刨花板和中密度纤维板等木材与木质材料作为试验材料。在不同的 切削条件下如切削路径、切削速度、进料速度进行切削试验，利用所设计的测量装置来 测量木工刀具在不同切削条件以及不同材料下的刀具磨损情况，找出刀具磨损的规律， 建立木工刀具磨损的模型。在此基础上，根据所建立的刀具磨损模型及刀具切削力等， 开发出木材与木质材料切削加工的计算机模拟程序，只要知道所要切削加工的木材与木 质材料的切削条件和工艺参数，就可以对木材与木质材料加工刀具磨损进行模拟，虚拟 木材切削加工，以预测刀具使用寿命以及切削力大小等参数。 木材与木质材料加工刀具磨损特性的研究，对于分析刀具磨损机理和优化木材加工 技术具有重要的理论意义，为木材与木质材料切削加工选择工艺参数提供了重要依据， 对于提高所加工产品的质量，预测刀具使用寿命，降低切削噪声也有十分重要的意义。 关键词木工刀具磨损；切削加工；图象处理；切削模拟：木材加工优化 东北林业大学博士学位论文 a b s t r a c t m a c h i n i n gw o o da n dw o o db a s e dm a t e r i a l sb ya n yk i n do ft o o l sw i t hk n i f e s ，l i k em i ： m o l d i n g ，s a w i n ga n dd r i l l i n g ，i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o c e d u r e si nw o o di n d u s t r y c u r i n g , t h ev a r i o u ss u r f a c e sa n ds h a p e sc a nb eo b t a i n e d t h ee d g e - s h a p eo ft o o l s i ： i m p o r t a n tt e c h n i q u ep a r a m e t e rt ot h ew o r k i n gq u a l i t y t h ea i mt oi n v e s t i g a t et h et o o l s c h a r a c t e r i s t i c si st oo p t i m i z et h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nm a c h i n i n gw o o da n dw o o dt m a t e d a l s b a s e do nt h em e a s u r e m e n tm e t h o d so ft o o lw e a r , t h en e w m e a s u r i n gp r i n c i p l ea n dm f w a st ob ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r , t oa n a l y z et h et o o lw e a ri nq u a n t i t a t i v ea n dq u a l i u a f t e ra n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h em e c h a n i s mo f t o o lw e f l r ，an e wk i n do f m e a s u r e m e n td e v i c w e a ro fc u r i n ge d g e sw a sd e v e l o p e d t h ed e v i c eb a s e so ni m a g ep r o c e s s i n ga n da l d i a g n o s i n gt h ef i g u r eo ft h eb l u n t e de d g e t h ec u t t i n ge d g ei si l l u m i n a t e db yp a r a l ml i g l a na n g l eo fi n c i d e n c eo f4 5 0 as p e c i a ls c r e e ng e n e r a t e sas h a d o wl i n eo nt h ec u t t i n g s u r f a c e t h ep r o j e c f i o no ft o o l sw a sm e a s u r e dt h r o u g hm i c r o s c o p e ，r e c o r d e db yc c dc a r r e l m i o nb e t w e e nt o o l sa n d p r o j e c t i o nw a sg i v e n al o to fe x p e r i m e n t sw i t ht h i sd e v i c et oa n a l y z et h ew e a rb e h a v i o ro fw o o dw o r k i n g h a dt ob ed o n e i nt h i sd e v i c e ，t h el i g h ts o u r c ep l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e t h ed i f f e r e n t s o u r c ew a st ob ea n a l y z e di nt e s t t h es 订e n g t ho fl i g h tw a sg i v e n , t h er e f l e c t i o na n dr e f r a q o fl i g h tw a ss o l v e di np r i m a r y ag r o u pd a t ac a nb eo b t a i n e df r o me a c ht o o l ，t h ed a t aw a s p r o c e s s e dt h r o u g ht h es p e c i a ls o f t w a r ef o ri m a g e ，t oc a l c u l a t et h et o o lw e a r , t h ew e a ro f w a sd e s c r i b e di nd e t a i l s ，t h ew e a rm a r kb ，t h eb a c ks e t t i n go fc u t t i n ge d g es kv a l u eo fw e m i c r o c l e a r a n c ea n g l e m ，v o l u m evw e r ei n t r o d u c e d t h et e s t i n gt o o l sa r em a d ef r o mh a r tm e t a la n dh i g h - s p e e ds t e e l ，w o r kp i e c em a t e r i a l t h eb o a r d so fs p r u c ea n db e e c h ，p a r t i c l eb o a r da n dm d f t h ec u t t i n gt e s t sw e r ed o n ei nv i i i c u t t i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha sc u t t i n gp a t h ，c u t t i n gv e l o c i t ya n df e e dv e l o c i t y t h et o o l sw e a r m e a s u r e dw i t ht h eo p t i c a ld e v i c e t h ew e a rm o d e lw a ss e t u p ，t h es i m u l a t i n gs o f t w a r e p r o g r a m m e d , f o r v i r t u a lw o r k i n gt op r e d i c tt h et o o l sl i f e t h es t u d yo fw e a rb e h a v i o ro fw o o dw o r k i n gt o o l sh a sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a f o ra n a l y z i n gw e a rm e c h a n i s ma n df o ro p t i m i z i n gm a c h i n i n gw o o d i tw i l lp r o v i d ei m p c d e p e n d e n c i e sf o rp r o c e s s i n ga n du t i l i z i n gw o o da n dw o o db a s e dm a t e r i a l a n df o r t e c h n i c a lp a r a m e t e r k e y w o r d s w e a ro f w o o d w o r k i n gt o o l ，c u t t i n gp r o c e s s i n g ，i m a g ep r o c e s s i n g ，c u r s i m u l a t i o n , o p t i m i z em a c h i n i n gw o o d i i l 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及研究的重要性 木材是人类使用最古老的材料之一，自史前就作为居住、工具和燃料使用的材料， 也是当今水泥、塑料、钢材、木材这四大工程材料中唯一可再生的、又可以多次使用和 循环使用的生物资源，它是一种极其复杂的生物材料。虽然当今世界上有许多人造材 料，但木材这种环保材料仍然在人类历史和现实生活中占有重要的地位。随眷自然资源 和人类需求发生变化以及科学技术的进步，木材利用方式从原始的原木逐渐发展形成了 木质材料家族，木材及木质材料在建筑、家具、包装、铁路等领域发挥着巨大的作用。 因此，木材工业越来越受到各国的高度重视和关注【1 ，2 ，1 0 5 1 。 一般情况下，木材要经过加工，生产出各种锯材或木质材料才可以充分利用，其加 工方法主要有机械( 物理) 加工法和化学加工法。 在木材工业生产中，切削加工仍是木材与木质材料加工的重要方法，影响木材工业 生产的效率、成本和能源消耗。切削加工属于传统的机械加工方法，经切削加工能达到 所需要的形状和表面，铣、刨、锯以及钻等都属于此种方法。切削加工工艺已经达到很 高的技术水平，如进料速度已达2 0 0 n d m i n 以上。切削加工的主要问题之是刀具刃口 因磨耗而变钝，在木材与木质材料的切削加工过程中，刀具刃口磨损状况是很复杂的。 木工刀具切削对象是木材与木质材料，木材是由多种复杂有机物质组成的复合体，其中 绝大部分是高分子化合物或复合物，其主要成分是纤维素、半纤维素、木素，还含有水 分和各种浸提物。木质材料，如纤维板、刨花板、水泥刨花板、石膏刨花板、胶合板和 细木工板等，还添加了各种胶合材料( 如胶粘剂、水泥、石膏等) 、固化剂和缓凝剂 等。所以说木工刀具的加工对象是多组分的、复杂的混合体1 3 剖。 木工刀具刃口是否锋利是影响加工质量的重要因素，木工刀具磨损是木材切削过程 中的固有的现象，木工刀具磨损理论是研究刀具材料不断从刀具表面消失的过程。迄今 为止，木工刀具磨损理论主要有：( 1 ) 机械擦伤磨损；( 2 ) 化学腐蚀磨损；( 3 ) 电化学腐蚀 磨损【6 堋。刀具磨损越大，工件表面的材料被搓起、撕裂和挖切就越厉害，从而工件表 面质量降低。刀具磨损到一定程度时，切削过程不得不中断，增加换刀、磨刀的次数和 机床的启动频率，降低了机床的使用效率，严重时将损坏机床和刀具。因此，研究刀具 磨损特性，提高刀具使用寿命具有重要的实用价值。 对于切削加工这种传统的木材与木质材料加工方法的研究，越来越引起人们的重 视。木材与木质材料加工刀具磨损特性的研究，对于分析刀具磨损机理和优化木材加工 技术具有重要的理论意义，能为木材与木质材料切削加工选择工艺参数提供科学依据， 对于保证工件加工质量，预测刀具使用寿命，降低切削噪声等也具有十分重要的意义。 东北林业大学博士学位论文 1 2 刀具磨损研究的现状与发展趋势 国内外对刀具磨损有很多研究但多为金属切削刀具磨损的研究，对木工刀具磨损 的研究相对较少。在木工刀具磨损的研究中，多数仅对刀具磨损进行定性分析，极少对 刀具磨损进行定量分析。木工刀具有自己的特点，必须充分考虑被切木材和木质材料的 特殊性，并要与所用机床的运动特点相适应。 1 2 1 刀具磨损研究现状 切削加工的过程，就是在各种机床上利用刀具切除坯料上的多余材料，获得形状、 精度、表面质量均符合要求的合格工件的过程。可见，刀具的质量不可避免地会影响到 切削加工的质量和经济效益，而切削加工中的刀具磨损及抗磨方法则倍受工程技术人员 的极大关注。很多国家的科研机构都投人了大量的人力和物力，进行刀具磨损和抗磨方 法的研究，以提高刀具寿命、降低生产成本、提高生产效率。 刀具的磨损机理十分复杂，是机械、物理、化学、热学等综合作用的结果。在切削 过程中，刀具的磨损形式相对很复杂，当刀具磨损到一定程度时，无论是机床、工件， 还是刀具本身都受到很大的影响，主要体现在以下几个方面：首先，刀具的磨损直接导 致切削力增大，从而造成工件刀具系统的振动增强，降低了刀具的使用寿命，对机床 精度也将产生直接的损害，严重时还会危机操作者的人身安全。其次，刀具磨损在工件 上反映主要表现在对工件粗糙度和工件尺寸的影响。刀具磨损的加剧将导致工件尺寸精 度变差，严重时会造成加工方向产生大的变形。第三，由于刀具的磨损是一过程量，凭 经验人为的判断很难确定刀具磨损程度，往往出现刀具还没有报废时就提前换刀，无形 中提高了加工成本，造成不必要的损失。或者换刀不及时，影响工件加工质量，限制了 切削效率，而且增大了机床故障出现的概率，造成严重的危害。 刀具磨损在切削过程中会严重损坏工件的几何尺寸和表面形状。对于金属切削刀 具，为了保证产品的质量和加工系统运行的稳定性和可靠性，需要对刀具磨损状态进行 在线监测。利用光学、机械振动、切削力、切削噪声等方法进行监测都收到了不同程度 的效果i 3 。加工过程中刀具磨损将造成机床产生振动、工件表面粗糙度和尺寸精度变 差，严重时还会造成刀具破损、工件报废、机床停机等故障。刀具工况监控和磨损量在 线识别是实现高效低耗和加工过程自动化的一项关键技术。国内外研究人员在这一领域 作了大量工作，进行了广泛研究，提出了许多监控方法旧1 5 , ，川。 基于计算机视觉的刀具状态监控能够避免传统刀具监测方法面临的一些问题，具有 许多突出的优点。1 9 7 9 年m a t s u s h i m a 等人最早尝试利用图像处理及视觉系统进行刀具 状态检测u ”。在每一次更换刀具的时候，使用t v 照相机检测切削刀具。使用从灰度直 方图人工选择的阈值把灰度图转换为二值图。直接从二值图像计算后刀面磨损宽度，通 过计算在后刀面磨损方向的图像元素的数量来实现磨损状态的判断。如果较大的变化连 续出现在3 个以上的图像元素范围内，则切削刃的破损就被识别出来。同样，当原始的 切削刃与实际的切削刃之间的差异超过一定值时，就检测到了切削刃的变形。由于磨损 1 绪论 区域表面纹理的不规则性，反射光的强度在整个磨损区域内变化，因而，使用全局闽值 通常会生成包含图像磨损区域内的离散的黑象素的二值图像，这将导致错误的结果。 l e e 等( 1 9 8 6 ) 研究了使用基于v i c o m 图像分析系统的综合性方法【1 5 】。刀具放在装 有摄像机的显微镜下，使用专门设计的固定设各进行处理。刀具磨损图像的处理分二步 进行。首先，使用对比度拉伸算法增强图像，然后，使用交互性的分割程序从背景中勾 画磨损区域的轮廓。通过推导出的一些参数，尝试提供对后刀面磨损现象的较完整的描 述。但是，交互性分割算法限制了这项技术在自动化场合使用。 在提高系统性能方面，可控制的照明技术是一个关键因素。e g i u s t i ，m s a n t o c h i 等 ( 1 9 8 7 ) 发展了用于切削刀具磨损循环检测的光导纤维检测元件【l5 1 。采用丽种不同的光源 布置和一个照相机记录前刀面和后刀面的磨损图像。 j e o n 和硒m ( 1 9 8 8 ) 研究了使用相干光源的另一种方法1 2 9 1 。切削刀具的尖端由激光束 照明，反射帧面由垂直于后刀面的照相机摄取。图像处理步骤的序列包括二值图像去噪 声及生成磨损区域的轮廓。系统的精度在o 1t o n i 之内。较高的处理速度( 1 7 s ) 使检测元 件可以用于在线监测。但较小的照明区域却限制了从每一图像帧获得的信息数量。 j p a r k 和a u i s o y 利用可调节的观测仪，基于后刀面磨损模式的观测技术和递归最 小平方参数估计算法的组合测量后刀面磨损【l5 1 。由于照相机分辨率的限制，只有磨损区 域的中央部分可以被摄取。在闽值处理后，磨损区域的顶部和底部之间的距离作为磨损 的宽度。从试验结果可以得出，在不变的切削条件及变化的切削条件下，这种一体化的 方法能够较好地实现检测目的。 t e s h i m a 等( 1 9 9 3 ) 是首先将视觉检测元件与神经网络结合对刀具寿命进行预测的学 者i l ”。张昆等( 1 9 9 4 ) 在数控机床上应用光导纤维传像束和工业摄像机将刀具磨损图像输 入监视器，并利用图像采集卡将图像转换成数字图像存入微机，经二值化处理，从而实 现刀具磨损检测i 】。 熊四昌( 2 0 0 3 ) 进行了基于计算机视觉的刀具磨损状态监测技术的研究 1 5 】。研究中 结合计算机视觉技术和马尔可夫随机场理论，以工件表面纹理和车刀后刀面磨损为研究 对象，对基于计算机视觉的刀具磨损状态监测方法进行了深入的研究，提出一些新的算 法。研究了基于计算机视觉的刀具状态监测技术在车削监测中的应用，介绍了刀具状态 监测系统的组成，研究了刀具磨损状态监测的主要流程。 袁巧玲( 2 0 0 4 ) 进行了金属表面图像检测系统的开剔1 7 】。建立了由c c d 摄像机、 体式显微镜、视频采集卡和计算机构成的金属表面图像检测系统，开发了相关的检测软 件。基于l a b v i e w 平台建立了图像检测系统的框架，开发了图像获取、分割、边缘检 测及系统的标定等功能模块。在输入刀具图像的灰度分割阈值后，通过逐步执行增强边 缘信息，阂值化、形态处理、自动计算磨损区域面积，并给出测量结果详细信息表。 总之，对于金属刀具磨损，重点要研究磨损状态的判别和在线监控，在实际生产中 显得越来越重要。 然而，对于木工刀具磨损的研究，更侧重于离线测量刀具的磨损情况，对刀具磨损 东北林业大学博士学位论文 进行定性分析、定量分析，找出刀具磨损的一些规律，以便选择合理工艺参数。 k r i e c h e r s ( 1 9 3 5 ) 研究了木工刨床刨切加工家具零件时，如何延长刨刀使用寿命 的一些方法【5 6 1 。e k i v i m a a ( 1 9 5 2 ) 对木材切削力进行了研究，并对木工刀具的磨损给 出了初步的定义，研究了木工刀具磨损的机理，首次提出木工刀具切削时，由于木材中 有机酸的作用，而产生刀具的电化学磨损【5 王5 4 1 * gp a l i t z s c h 及e s a n d v o l 3 等( 1 9 6 4 ，1 9 7 0 ，1 9 7 2 ) 木工刀具铣削木材及硬质纤维 板、刨花板进行了大量的研究【4 孔52 1 。使用碳素工具钢刀具铣削硬质纤维板，研究在不同 进给路径乐切削速度v c 、切削厚度以及不同角度参数等的条件下，刀具的磨损程度。 还对工件表面加工质量与刀具磨损大小之间的关系进行了一些研究。对贴面及非贴面刨 花板铣削加工，刀具磨损进行了对比研究，当然贴面刨花板表层对刀具磨损远远大于芯 层。 r f i s c h e r ( 1 9 7 9 ，1 9 8 9 ，1 9 9 7 等) 对木材及木质材料切削加工进行了一些理论和 试验研究1 3 3 - 3 9 1 。设计了测量切削力的试验装置，通过切削力大小间接测量刀具磨损大 小。提出用磨损程度h l 可以反映刀具后面的磨损程度，提出了建立木工刀具磨损模型的 必要性。 w s t i f l l m e i e r ( 1 9 8 9 ) 研究了硬质合金、陶瓷及金剐石刀具铣削加工贴面及非贴面 刨花板时，刀具的磨损及刀具的耐用性【4 0 】。提出用半径，反映刀具磨损大小( 如图1 一 1 ) 。认为刨花板中的含砂量对刀具磨损的影响很大，金刚石刀具由于价格过高，对于铣 削非贴面刨花板的经济性差。w s t i i h m e i e r 采用机械触针法测量刀具刀尖磨损值s v ，并 对刨花板板边缺角进行了检测。 图1 - 1 刀具磨损的描述 f i g 1 - 1d e s c r i p t i o no f t o o lw e a r s c m m e r t 和ed i e t e l ( 1 9 9 7 ) 设计出机械触针法测量装置，可以通过计算机记录 有关数据，便于进行数据处理【5 5 ，5 ”。对一定刀具3 2 件条件下刀具的磨损进行了一些试 验研究，选用高速钢( h s s ) 刀具及刨花板、中密度纤维板作为试验材料，对刀具磨损的 规律作了初步探讨。机械触针法测量刀具长度方向的磨损基本能满足需要，能充分反映 出表层、芯层处的差别。但对于刀具横截面外廓的测量有一定的难度，对刀具的刃磨角 等参数有一定的要求。 h h o f f m e i s t e r ( 1 9 9 9 ) 等对各种木工刀具材料进行了对比分析( 7 4 ，7 5 1 。研究了提高 1 绪论 工件表面质量的一些措施。 在我国较早的对木工刀具磨损的研究有习宝田( 1 9 8 9 ) 对木工刀具的磨损与变钝 的研究，对木工刀具的磨损进行了初步研究唧l 。杨廷成( 1 9 9 4 ) 研究了木工刀具材料刃 磨特性及其磨具选择【8 ”。提出在选择刀具材料时，不仅要具有较好的硬度和耐磨性，还 要有足够的强度和韧性，而刀具的刃磨性也要重视，使刀具重新刃磨时方便容易。作为 使用单位也必须了解刀具材料的刃磨特性以及刃磨磨其的选择，这对提高刀具耐用度， 降低刀具消耗都是非常重要的。 肖正福，吴方明( 1 9 9 5 ) 对我国木工刀具的耐用度进行了试验研究i 9 9 1 。指出我国本 工刀具的耐用度试验存在的主要问题为木工刀具耐用度试验可操作性差，主要表现在耐 用度试验时间长并且需大量试材，尤其是试材成本大，导致生产刀具的工厂无法做这种 试验，难度特别突出。如果结合工厂生产现场进行但又受各种客观条件的限制。不同木 工刀具磨损参量的确定以及准确、方便的测量方法缺乏进一步深入研究。木工刀具耐用 度加速磨损试验有了良好的开端，但未完全满足木工刀具耐用度试验的特殊性，试材的 选择上急需再寻找与试验。木工刀具耐用度试验基础性研究，应引起有关部门的重视。 曹平祥等( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 等) 对木材及木质材料切削加工进行了系列的理论和试验研 究【7 6 j 。用拉丁方正交表安排试验，进行木材切削力的研究。分析切向力b 和法向力 f ，与切削厚度、刀具角度、刀具材料及刀具磨损等因素之间的关系。用二次回归正交组 合设计法安排试验，进行定向结构板切削力的研究，采用二次回归数学模型分别拟合单 位宽度的切削力b 、f v 与刀具磨损b 、刀具前角吸切削厚度a 之间的关系。试验分析 表明b 的二次回归曲线方程在水平c t = o 0 1 下显著。f ，的二次回归曲线方程在水平 c t = o 0 5 下显著。此外还进行了中密度纤维板切削力、金剐石涂层木工刀片磨损、声发射 的小波分析与木工刀具磨损检测等的研究。 习宝田，钱桦( 2 0 0 1 ) 对现代木工刀具材料进行了探讨【4 。介绍了构成木工刀具 材料的各种物质的化学成分及其物理力学性能、刀具材料新品种、新牌号，以及刀具材 料与被切工件在物理、力学和化学性质匹配方面的重要性，并对未来木工刀具材料的发 展提出预测和展望。习宝田等( 2 0 0 2 ) 分析了木工机械与刀具业面临的挑战【7 n 。指出我 国木工刀具制造业相比更加薄弱，除少数几家生产锯条和锯片的厂家外，多数刀具厂规 模小，设备工艺落后，产品品种少，档次低，关键优质材料还依赖进口，因此很大一部 分市场份额被外资产品占有。 曹平祥等( 2 0 0 3 ) 对木工刀具磨损机理及抗磨技术进行了研究f 6 ，7 1 。分析了木工刀 具的磨损机理，指出机械擦伤磨损是碳钢刀具的主要磨损机理；腐蚀磨损是硬质合金刀 具的主要磨损机理。介绍了国内外刀具抗磨技术的研究现状及在木工刀具中的应用情 况。曹平祥( 2 0 0 3 ) 还对金刚石刀具在木材加工中的应用进行了分析研究【8 0 】。指出金刚 石刀具具有耐磨性良好的显著特点，稳定了工件表面质量，降低了换刀频率，充分提高 了设备的利用效率，综合刀具成本大约是硬质合金刀具的5 0 。随着金刚石材料品质的 提高和木材加工设备稳定性、精度的改进，金刚石刀具在木工刀具的占有率会进一步提 东北林业大学博士学位论文 高，并有望用于对水泥刨花板、多层实木复合地板、塑料贴面板等材料的加工。关于金 刚石木工刀具还有一些研究，如郑超、张志军、李东平( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 的金刚石木工刀 具发展之我见阮9 6 1 。金维洙等( 2 0 0 5 ) 的金刚石刀具技术现状及在木材加工中的应用前 景1 9 4 1 。肖正福( 2 0 0 2 ) 的木工刀具硬质合金化及其应用【9 ”。 1 2 2 刀具磨损研究发展趋势 。 刀具磨损状态监控技术已经成为国内外学者高度重视并进行广泛的研究的重要课 题。刀具监控系统的开发研制对切削加工起着至关重要的作用，已成为高效的关键技术 之一，对于金属切削刀具其主要发展的趋势为：( 1 ) 采用定性分析和定量估计相结合的监 测方式；( 2 ) 软测量技术的运用；( 3 ) 进一步提高实用性和可靠性；( 4 ) 开发多信息融 合、综合技术，实现监控系统的柔性化要求：( 5 ) 开发应用决策系统与学习系统；( 6 ) 研 制高可靠性、高寿命的配套传感器。 对于木工刀具来说有其自己的特点，在研究木工刀具磨损时，必须充分考虑被切木 材和木质材料的特殊性，还要与所用机床的运动特点相适应。对于木工刀具磨损的研 究，更侧重于离线测量刀具的磨损情况，对刀具磨损进行定性分析、定量分析，找出刀 具磨损的一些规律，以便选择合理工艺参数。 对于木工刀具磨损研究其主要发展的趋势为： ( 1 ) 对木工刀具磨损作进一步的定性分析、定量分析，重点为定量分析，切削力 与刀具磨损量的计算； ( 2 ) 研究在各种特定刀具t 件条件下，木工刀具磨损的机理，探讨刀具磨损特 性，刀具磨损对加工性能的影响，为优化木材切削加工技术创造条件： ( 3 ) 设计开发新的经济、实用的木工刀具磨损测量装置。 ( 4 ) 对金刚石等超硬材料刀具在木材切削加工中的应用作进一步的研究，充分探 讨其经济性。 1 3 刀具磨损测量方法 刀具磨损程度的测量是很难的，因为其值是以微米为单位计量的。从测量手段上来 分，可以将测量分为直接测量法和间接测量法。 1 3 - 1 直接滚一 直接法是通过一定的测量手段来确定刀具材料在质量上的减少或形状上的改变，如 检测刀具的切削刃是否己磨损或检测刀具的切削刃位置的变化，并通过一定的数学模型 来确定刀具的磨损或破损状态，由于直接法需要直接检测刀刃的形状、位置等参量，一 般只能离线测量。 1 3 1 1 触针测量法 机械触针式仪器在微尺寸测量中占有重要的地位，可以用来测量刀具刃口。触针法 对测量环境要求不高，操作简单，对被测材料性质不做要求，金属和非金属都可测量。 l 绪论 其具有较高的垂直分辨率而广泛用于表面粗糙度测量。但是由于测头半径大小的影响使 其横向分辨率不高，而且当触头半径很小的针尖式触针仪器对样品的测量力过大，会导 致样品表面的损伤及引起触针测杆的变形等，因而测头是测量准确性的主要问题。 g 1 1 l n e n 设计了一台机械触针式刀具刃口测量仪器d 5 1 ，此仪器在刀具磨损较大、刀 具刃磨角大的条件下，测量精度基本能满足需要。在本研究中，应用此测量仪器进行了 一些试验，以便分析比较。 4 1 。3 1 2 光学测量方法 由于接触式测量测头半径大小的影响及测量力影响这两个致命缺点，使非接触的光 学测量方法在近十几年得到了很大发展，根据不同的光学原理，光学测量方法有光触针 的聚焦法、光学离焦法、移相干涉测量法、光外差干涉法、散射法、激光全息法等f 。 基于这些方法和技术研制的各类微尺寸及表面形状3 d 光学轮廓仪、干涉显微镜、干涉 测量仪、台阶测量仪等，已成为微尺寸测量的主要工具。 光学方法的主要不足是光线的干涉和衍射，为了增强仪器的光学抗干扰能力，其结 构复杂，需要庞大的数据处理系统，导致测量成本高。各种光学方法适于测量精密金属 切削刀具，特别是金刚石刀具，对于木工刀具的测量并不实用。在本研究中，应用3 d 光学轮廓仪进行了一些比较试验。 1 3 1 3 扫描测量方法 扫描电子显微镜由于在水平方向上具有非常高的分辨率( 几个纳米) 和比光学显微 镜更大的测量范围，使其在微观检测方面获得了广泛的应用，典型的扫描测量为扫描隧 道显微镜( s t m ) ，s t m 是用于研究超精密表面的一种新的超高分辨率测试方法，测量 过程非常复杂，造价昂贵，仅在金刚石刀具超精密加工中采用【1 6 1 。 1 3 1 4 图像监测法 这是一种基于计算机视觉原理和图像处理技术、采用光电技术来检测刀具磨损量的 方法，特别适于在线监测金属刀具状态1 2 ，1 5 , 。这种检测系统通常由c c d 摄像头、光 源和计算机构成。一个典型的方案是用一束激光将刀具照亮，利用摄像头获取刀具磨损 带的图像，并借助图像处理技术进行分析。 图像监测方法可以避开非图像监测方法所不得不面临的问题，具有精确，快速，可 靠，以及数字化的优点。这种检测是非接触性的，并且非常迅速。所用时间只是刀具进 入和离开测量位置所需要的时间加上拍摄一幅或者多幅照片所需的时间。使用这种技术 有可能建立更完善的刀具几何形状测量系统，可以不需要人工调节而测量不同种类的刀 具。另外，图像监测法还提供了不能从其它的检测元件得到的额外的磨损数据，如有缺 口的刀具区，刀具磨损区等。但目前使用的计算机视觉检测系统仅能对刀具的磨损进行 有限的测量，如测量刀具上的某些部分。当然，直接测量实际上就是间断性的测量，只 能在刀具脱开切削时进行。 现有的计算机视觉检测方法，主要有三种类型，一是检测面在刀具磨损表面的基于 刀具磨损表面图像的直接监测方法，二是检测面位于被加工工件表面的基于工件表面纹 东北林业大学博士学位论文 理图像的间接监测方法，三是检测面在刀具刃口处切削上的基于切屑图像的准直接监测 方法。 ( 1 ) 基于刀具表面磨损图像的视觉监测方法：刀具的磨损状态，以前主要是通过 机床操作者对刀具表面形态的观察作出判断，而且判断更多的是依靠其工作经验，准确 性较差。基于计算机视觉的刀具状态监测则能替代人工对刀具表面形态进行检测，便于 实现刀具状态监测的自动化。刀具表面是刀具磨损状态韵直接反映，它所具有的优点是 其它监测方法不能比拟的。刀具磨破损对刀具表面造成的影响主要有刀尖磨损、刀尖破 损、后刀面磨损和前刀面磨损。基于刀具表面图像的视觉监测方法一般不能在切削过程 中进行监测。但可以采用间断式工作模式，在每一次切削回程时摄取刀具表面图像，这 种方法是一种间歇式的准在线监测方法。由于这种方法直接对刀具磨破损部位的几何形 态进行检测，属于直接监测方法，具有监测结果准确可靠、可实现非接触测量、计算速 度快等优点，尤其在换刀时使用可有效保证加工开始时所选择的刀具具有良好的状态， 是刀具状态在线监测技术的比较理想的可行方法i l “。 ( 2 ) 基于工件表面图像的视觉监测方法：由于被加工工件的表面是刀具表面形状 的反映，直接受刀具刃口形态的影响，因此，观测被加工工件表面的纹理，同样可以判 别出刀具的刃口状态。一般来说，锋利的刀具切削出的表面的纹理具有很强的规则性， 纹理很清晰，而磨损刀具形成的纹理则比较复杂。基于工件表面图像的视觉监测方法， 就是通过计算机视觉方法，分析被加工工件加工后表面的纹理，从而判断刀具状态的一 种间接监测方法。 ( 3 ) 基于切屑图像的视觉监测方法：基于切屑图像的视觉监测方法是一种新提出 的刀具状态监测方法【1 7 l 。由于切屑形态是切屑变形的直观表像，若在切削中，工件材 料、切削用量、刀具的几何参数等影响切屑变形的基本条件不变，那么刀具磨破损就是 引起切屑形态规律发生变化的主要原因。因此，切屑形态一直被作为操作人员判断刀具 损坏的主要信息来源。在切屑形态的变化规律中蕴涵着的刀具磨破损状态信息，可以被 用于刀具工况的在线自动监测。通过建立基于切屑图像特征估计刀具磨破损状态的数学 模型，并将该模型应用于刀具状态的自动在线评价。但现阶段根据切屑形态估计切削条 件尤其是刀具刃口磨破损状态的研究比较少，且切屑形态的多变性，该方法现还处于初 步探索中j 。 1 3 1 5 其它测量方法 除了上述几种刀具磨损测量方法外，还有接触电阻测量法、射线测量法、放电电流 测量法等，但主要应用在金属刀具磨损测量，有一定的局限性。 射线测量法，将有放射性的物质掺入刀具材料内，刀具磨损时，放射性物质微粒随 切屑落入射线测量器中，则射线测量器所测的射线剂量反映了刀具磨损量的大小。该方 法的最大弱点是，放射性物质对坏境的污染太大，对人体健康十分不利，此外，要想把 所有的磨损微粒都导人测量器也非易事。另外，尽管此法可以测量刀具的磨损量，但并 不能准确测定刀具切削刃的状态，因为刀具重量的变化同刀具切削刃的切削能力之间并 i 绪论 无直接的关系。因此，此方法仅用于某些特殊场合，不宣广泛采用【1 9 j 。 电阻测量法，该方法利用待测切削刃同传感器接触产生的电信号脉冲，来测量待测 刀具的实际磨损状。该方法的优点是传感器价格低，缺点是传感器的选材必须特别注 意，既要有良好的可切削性，又要对刀具寿命无明显的影响。另一个缺点是工作不太可 靠，因为切屑和刀具上的积屑可能引起传感器接触部分短路，从而影响精度【2 ”。 放电电流测量法，将切削刀具与传感器之间加上高压电，那么在测量回路中流过的 ( 弧光放电) 电流大小就取决于刀刃的几何形状( 即刀尖到放电电极间的距离) 。该方 法的优点是可以进行在线检测，检测崩齿、断刀等刀具几何尺寸的变化，但不能精确地 测量刀刃的几何尺寸。 光纤测量法，该法利用刀具磨损后刀刃处对光的反射能力的变化来检测刀具的磨损 程度。刀具磨损量越大，刀刃反光面积就越大，传感器检测的光通量就越大。此法在铣 刀直径较大时使用可取得较好的效果。 微结构镀层法，将微结构导电镀层同刀具的耐磨保护层结合在一起。微结构导电镀 层的电阻随着刀具磨损状态的变化而变化，磨损量越大，电阻就越少。当刀具出现崩 齿、折断及过度磨损等现象时，电阻趋于零。该方法的优点是检测电路简单，检测精度 高，可以实现在线检测。缺点是对微结构导电镀层的要求很高，要具有良好的耐磨性、 耐高温性和抗冲击性能【2 0 】。 1 3 2 间接法 间接法则是测量切削过程中与刀具磨损或破损有较强内在联系的某一种或者几种参 量，或测量某种物理现象，根据其变化并通过一定的标定关系来检测刀具的磨损或破损 状态。许多可测量的参数能够用于识别刀具磨损或破损，例如：切削力的突然增加或消 失，表明刀具已破坏；切削温度的突然升高或降低也可表征刀具己磨损或破损；工件表 面粗糙度的变化等等。在实际使用中较常见的是基于切削力或力矩、切削功率、切削的 声发射和工件表面粗糙度的测量方法。间接法更适于在线测量。 1 3 2 1 基于切削力的监测方法 切削力变化是切削过程中与刀具磨、破损状态最为密切相关的一种物理现象。采用 切削力作为检测信号，具有拾取容易、反应迅速、灵敏等优点，是在线方法中研究较 多、很有希望突破的一种方法，、所以是加工i 中心中测量刀具破损的常用方法。 基于切削力的监测方法，采用的监测数据主要有切削分力，切削分力比，动态切削 力的频谱和相关函数等。当刀具破损时，切削力变化敏感。当刀具破损较小时，刀具切 削刃不锋利，使切削力增强；当产生崩刃或断刀时，切削深度减少或没有，使切削力剧 减。在监测切削力时，在x ，y ，z 三个方向上同时对f x ， f y ，f z 三个分力进行测量， 依靠装在每个电机上的伺服放大器测量出进给电机和主轴电机的电流变化，并把电流变 化传给力阀，在显示器上读出被测量的力，从而判断刀具是否破损p 0 】。 1 美2 2 声发射( a e ) 法及小波分析 东北林业大学博士学位论文 声发射技术用于监测刀具的磨、破损是近年来声发射在无损检测领域方面新开辟的 一个应用领域。其原理是当固体材料在发生变形、断裂和相变时会引起应变能的迅速释 放，声反射就是随之产生的弹性应力波。当刀具破损时可检测到幅值较高的a e 信号。 声发射检测技术最初是应用在材料力学试验时机械性能的评估和压力容器、管道裂 缝泄漏的探测方面。木材加工领域内，目前仅在木材及其制品的非破坏性检测和干燥应 力的监测等方面有应用。而在木材切削方面还处于试验研究阶段，且主要集中在声发射 与刀具磨损的关系，声发射与工件表面加工质量的关系等方面。 小波是八十年代末迅速发展起来的一种信号处理分析方法。在此之前常用的信号特 征提取方法有时域分析法( 如差分) 和频域分析法( 如f f t ) ，但这两类分析方法只对 单纯的时域或频域内的信息有较好分辨，难以做n - 者兼顾，即只对确定性平稳信号进 行分析时才能取得满意的效果，而对类似于a l e 这样的非平稳时变信号，却存在明显不 足。小波分析就是在克服了它们的不足的基础上迅速发展起来的，其基本思想是用族 函数去表示或逼近一信号或函数，这一族函数称为小波函数。用小波函数表示的特点是 其时宽与频宽的乘积很小，且在时间和频率轴上都很集中，具有良好的时频定位特性， 非常适合于分析a e 这样的瞬态或时变信号。 在切削加工过程中，当刀具磨损时，切削区本材或木质材料表面质量恶化，声发射 信号振幅会随之增大。如果声发射信号突然上升或下降，则可能预示着刀具的折断。也 就是说，当刀具磨损时，相应的声发射信号存在着奇异性，并且奇异性指数的大小和刀 具的磨损有一种对应关系，即刀具的磨损状态决定着声发射信号变化的剧烈程度，而奇 异性指数正是用来描述这种剧烈程度的一个指标。刀具磨损越严重，相应的声发射信号 变化越剧烈，l i p 指数就越小，当刀具折断时，声发射信号会发生突变，此时对应l i p 指数为0 ；如果l i p 指数越接近于1 ，则说明切削越平稳，表明刀具的磨损程度越轻。 可见能够通过l i p 指数对声发射信号变化剧烈程度的描述来反映刀具磨损状态。 可通过上述原理，建立有关实验模型，获取刀具磨损时声发射信号，利用小波变换方法 对刀具磨损时声发射信号的奇异性进行分析，建立其l i p 指数与刀具磨损状况的对应关 系，通过实测声发射信号l i p 指数的大小来判断刀具的磨损状况，实现对刀具的磨损检 测【8 6 1 。 1 3 2 3 基于工件表面疆糙度的监浏方法 随着刀具磨损程度的增加或破损的发生，工件已加工表面的粗糙度将呈增大趋势， 据此可间接评价出刀具的磨损或破损状况。 。3 2 4 其它溯量方法 基于切削功率( 或扭矩) 的监测方法，通过测定主轴负荷功率或电流电压相位差及电 流波形变化等来确定切削过程中刀具是否破损。 基于工件尺寸的监测方法，切削时，刀刃的磨损会引起工件尺寸的相应变化。因 此，通过测量工件尺寸或孔径尺寸，就可以知道刀具磨损情况 基于切削温度的监测方法，在一般切削条件下，刀具磨损时，切削力增大，因此刀 i 绪论 刃部产生的温度也将增加。刀具最后失效时以温度的迅速升高来判断。 基于振动频率的监测方法，刀具在切削过程中，工件与磨损的刀刃部侧面摩擦，会 产生不同频率的振动。对这种振动进行监测，即能监测出刀具后面的磨损程度。 1 4 本研究的主要内容 通过文献检索工作所得到的信息可以看出，各种先进技术在金属刀具磨损状态在线 监测领域已取得了丰硕的成果，但是针对木工刀具磨损的特点，目前还没有经济实用、 精确的测量方法。因此，寻找一条解决木材加工刀具磨损测量问题的有效途径势在必 行。本文在综合木工刀具磨损测量领域国内外应用技术的基础上