数控加工机床因加工效率高且工序集中等特点，成为了制造业中主要加工设备。其中刀具是机床的直接执行件，加工过程中与工件和切屑直接接触，受到剧烈的摩擦和冲击，极易产生磨损，影响机床性能和加工质量。据统计，因刀具磨损造成机床停机时间占全部停机时间的20%，而有效的监测系统能提高10%~50%的加工效率，降低10%~40%的生产成本。因此，实现刀具的在线监测，建立完整的刀具数据库管理系统，具有重要的意义。一、检测方式目前刀具磨损检测大致可分为直接检测和间接检测两种方式，具体分类如下。（1）间接检测法间接法是利用在切削加工过程中与刀具破损相关的变量参数来间接获取刀具磨损状态，常用的变量参数有切削力、温度、振动、主轴电流和功率等，是传统的刀具磨损检测方法；无需在设备停机或者切削过程间隔中监测，但不能获得具体的刀具磨损量，易受传感器信号受加工工况、环境噪声和机床固有噪声的影响，较难保证检测结果的准确性。（2）直接检测法通过检测刀具几何尺寸或表面纹理是否发生变化判断刀具当前状态，常用方法有放射线法、接触法和视觉检测法等。放射线法就是在刀具的表面涂抹一定量放射性物质，利用放射线传感器进行检测，当未检测到放射性物质时，说明刀具已经磨钝。该方法检测相对片面，且容易造成放射性污染且无法实现在线检测。接触法使用接触式传感器来感知刀具磨损前后尺寸变化，进而判断刀具的磨损状况，该方法检测结果精确，但是需要停机，同样无法实现在线检测。基于视觉的方法是利用视觉传感器获取刀具表面图像，基于图像处理技术提取磨损区域，进行磨损的度量。该方法使用简单、结果精确，且不易受外界条件干扰，不受限于加工条件。二、视觉方案通常基于机器视觉的刀具状态检测可分为三类方案：分别为针对刀具、针对加工工件和针对切屑进行分析，本文主要针对直接进行刀具检测方案展开介绍。1、离线检测离线检测指将刀具拆卸下来进行状态检测，可基于三轴机械系统及光学成像系统组成。二维位移控制系统和转台旋转系统驱动光学系统至刀具局部＊佳待测位置，利用LED环形光源前向光直向照明，结合像素当量精确测量刀具磨损面积，实现精密检测。2、在线检测相较于离线采集，在线检测系统无需拆卸刀具，将视觉采集系统部署在机床内部，设备整体较为集中，不影响机床正常工作，即可实现刀具自动检测。视觉采集系统可采用高分辨率面阵相机+远心镜头+背光，结合自动对焦系统（三轴机床），通过Z方向的移动保证图像的稳定与清晰；可针对车床、铣床等多种机床进行不同系统设计，同时适配多种尺寸刀具，在加工过程中及时发现刀具磨损状况，同时避免了离线检测中二次装夹误差等情况。 

1） 形成原因在靠近切削刃的一部分，刀-屑接触区内，由于下压力很大，使切屑底层金属嵌入前刀面上的微观不平的峰谷内，形成无间隙的真正的金属间接触而产生粘结现象，这部分刀-屑接触区被称为粘结区。在粘结区内，切屑底层将有一薄层金属材料层积滞留在前刀面上，这部分切屑的金属材料经过了剧烈的变形，在适当的切削温度下发生强化。随着切屑的连续流出，在后继切削的流动所作推挤下，这层滞积材料便与切屑上层发生相对滑移而离开来，成为积屑瘤的基础。随后，在它的上面又会形成第二层滞积切削材料，这样不断地层积，就形成了积屑瘤。2） 特点及对切削加工的影响① 硬度比工件材料高1.5~2.0倍，可代替前刀面进行切削，有保护切削刃、减小前刀具破损的作用，但积屑瘤脱落时的碎片流经刀具-工件接触区会造成刀具后刀面磨损。② 在积屑瘤形成后刀具的工作前角明显增大，对减小切屑变形及降低切削力起了积极作用。③ 由于积屑瘤突出于切削刃之外，使实际切削深度增大，影响工件的尺寸精度。④ 积屑瘤会在工件表面造成“犁沟”现象，影响工件表面粗糙度。⑤积屑瘤的碎片会粘结或嵌入工件表面造成硬质点，影响工件已加工表面的质量。由上述分析可知，积屑瘤对切削加工，特别对精加工是不利的。3） 控制措施不使切屑底层材料与前刀面发生粘结或变形强化，即可避免积屑瘤的产生为此日的可采取如下措施。① 减小前刀面的粗糙度。② 增大刀具的前角。③ 减小切削厚度。④ 采用低速切削或高速切削，避开容易形成积屑瘤的切削速度。⑤ 对工件材料进行适当的热处理提高其硬度，减小塑性。⑥ 采用抗粘结发性能好的切削液（如含硫、氯的极压切削液）。

目前刀具磨损检测大致可分为直接检测和间接检测两种方式，具体分类如下。（1）间接检测法间接法是利用在切削加工过程中与刀具磨损相关的变量参数来间接获取刀具磨损状态，常用的变量参数有切削力、温度、振动、主轴电流和功率等，是传统的刀具磨损检测方法；无需在设备停机或者切削过程间隔中监测，但不能获得具体的刀具磨损量，易受传感器信号受加工工况、环境噪声和机床固有噪声的影响，较难保证检测结果的准确性。（2）直接检测法通过检测刀具几何尺寸或表面纹理是否发生变化判断刀具当前状态，常用方法有放射线法、接触法和视觉检测法等。放射线法就是在刀具的表面涂抹一定量放射性物质，利用放射线传感器进行检测，当未检测到放射性物质时，说明刀具已经磨钝。该方法检测相对片面，且容易造成放射性污染且无法实现在线检测。接触法使用接触式传感器来感知刀具破损前后尺寸变化，进而判断刀具的磨损状况，该方法检测结果精确，但是需要停机，同样无法实现在线检测。基于视觉的方法是利用视觉传感器获取刀具表面图像，基于图像处理技术提取磨损区域，进行磨损的度量。该方法使用简单、结果精确，且不易受外界条件干扰，不受限于加工条件。

1. 线速度线速度对刀具寿命的影响＊大。如果线速度高于样本规定线速度的20％，刀具寿命将降低为原来的1/2；如果提高到50％，刀具寿命将只有原来的1/5。要提高刀具的使用寿命，必须要知道每种被加工工件的材质、状态以及选用刀具的线速度范围。线速度在粗加工和精加工时的数据并不一致，粗加工以去余量为主，线速度要低；精加工以保证尺寸精度和粗糙度为主，线速度要高。2. 切深切深对刀具寿命的影响没有线速度大。每种槽型都有一个比较大的切深范围。粗加工时，切深尽量加大，保证＊大的余量去除率；精加工时，切深尽量小，保证工件的尺寸精度和表面质量。但切深不能超过槽型的切削范围。如果切深过大，刀具无法承受切削力，导致刀具崩刃；如果切深过小，刀具只是在工件表面进行刮削和挤压，导致后刀面严重磨损，从而降低刀具寿命。3. 进给相比较线速度和切深，进给对刀具寿命的影响＊小，但对工件的表面质量影响＊大。粗加工时，加大进给可以提高余量的去除率；精加工时，降低进给可以提高工件的表面粗糙度。在粗糙度允许的情况下，可以尽量加大进给，提高加工效率。4. 振动振动是除三大切削要素外，对刀具寿命影响＊大的因素。振动产生的原因很多，包括机床刚性、工装刚性、工件刚性、切削参数、刀具槽型、刀尖圆弧半径、刀片后角、刀杆悬伸长度等，但主要是由于系统刚性不够，不能抵抗加工时的切削力，导致加工时刀具在工件表面不停的振动所致。要消除或减小振动必须要综合考虑。刀具在工件表面振动可以理解为刀具与工件之间不停地进行敲击，而不是正常的切削，会使刀尖产生一些微小的裂纹和崩刃，而这些裂纹和崩刃又导致切削力加大，使振动进一步加剧，反过来进一步增大裂纹和崩刃的程度，使刀具寿命大幅度降低。5. 刀片材质工件加工时，我们主要考虑的是工件材质、热处理要求以及是否断续加工等。例如：加工钢件的刀片和加工铸铁的刀片、加工硬度为HB215和HRC62的刀片都不一定相同；断续加工和连续加工用的刀片也不会相同。对于同一种工件材质，如果是连续加工，要用到硬度更高的刀片，可以提高工件切削速度，降低刀尖磨损，减少加工时间；如果是断续加工，要用到韧性更好的刀片，可以有效减少崩刃等非正常磨损，提高刀具使用寿命。6. 刀片使用次数刀具使用过程中会产生大量的热量，使刀片温度大幅度升高，而不加工时或用冷却水冷却，又会使刀片温度降低，因此刀片一直处于一种较高的温度变化范围内，使刀片不停地热胀冷缩，导致刀片出现细小的裂纹。在刀片用第一个刃加工时，刀具寿命正常；但随着刀刃使用的增加，裂纹会扩展到其他刀刃，导致其他刀刃的寿命降低。

1）刀片牌号、规格选择不当，如刀片的厚度太薄或粗加工时选用了太硬太脆的牌号。对策：增大刀片厚度或将刀片立装，选用抗弯强度及韧性较高的牌号。2） 刀具几何参数选择不当（如前后角过大等）。对策：可从以下几方面着手重新设计刀具。① 适当减小前、后角。② 采用较大的负刃倾角。③ 减小主偏角。④ 采用较大的负倒棱或刃口圆弧。⑤ 修磨过渡切削刃，增强刀尖。3）刀片的焊接工艺不正确，造成焊接应力过大或焊接裂缝。对策：①避免采用三面封闭的刀片槽结构。②正确选用焊料。③避免采用氧炔焰加热焊接，并且在焊接后应保温，以消除内应力。④尽可能改用机械夹固的结构4）刃磨方法不当，造成磨削应力及磨削裂纹；对PCBN铣刀刃磨后刀齿的振摆过大，使个别刀齿负荷过重，也会造成打刀。对策：①采用间断磨削或金刚石砂轮磨削。②选用较软的砂轮，并经常修整保持砂轮锋利。③注意刃磨质量，严格控制铣刀刀齿的振摆量。5） 刀具监控系统切削用量选择不合理，如用量过大，便机床闷车；断续切削时，切削速度过高，进给量过大，毛坯余量不均匀时，切削深度过小；切削高锰钢等加工硬化倾向大的材料时，进给量过小等。对策：重新选择切削用量。6） 机械夹固式刀具的刀槽底面不平整或刀片伸出过长等结构上的原因。对策：①修整刀槽底面。②合理布置切削液喷嘴的位置。③淬硬刀杆在刀片下面增加硬质合金垫片。7） 刀具磨损过度。对策：及时换刀或更换切削刃。8） 切削液流量不足或加注方法不正确，造成刀片骤热而裂损。对策：① 加大切削液的流量。② 合理布置切削液喷嘴的位置。③ 采用有效的冷却方法如喷雾冷却等提高冷却效果。④ 采用*切削减小对刀片的冲击。9） 刀具安装不正确，如：切断车刀安装过高或过低；端面铣刀采用了不对称顺铣等。对策：重新安装刀具。10） 工艺系统刚性太差，造成切削振动过大。对策：① 增加工件的辅助支承，提高工件装夹刚性。② 减小刀具的悬伸长度。③ 适当减小刀具的后角。④ 采用其它的消振措施。11） 操作不慎，如：刀具由工件中间切入时，动作过猛；尚未退刀，即行停车。对策：注意操作方法。