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在航空制造業(yè)，單件小批量加工的情況并不鮮見(jiàn)，因此，損壞一件工件會(huì)對(duì)生產(chǎn)效益造成很大的損失。由于一個(gè)飛行器零件失效可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，因此，在航空制造業(yè)，合規(guī)控制和降低風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)制使得對(duì)損壞了的工件進(jìn)行再加工比在其他行業(yè)更為復(fù)雜。因刀具破損而造成的工件或機(jī)床損壞可能會(huì)嚴(yán)重影響制造商的盈利能力和客戶滿意度。
航空制造業(yè)使用的許多機(jī)床擔(dān)負(fù)著至關(guān)重要的加工任務(wù)。由于這些機(jī)床成本昂貴，加工準(zhǔn)備時(shí)間很長(zhǎng)，因此它們很可能是制造商的“瓶頸資產(chǎn)”，如果這些機(jī)床因刀具破損而被損壞，就會(huì)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)能力造成重大影響。
在切削加工中，有許多原因會(huì)導(dǎo)致刀具破損，但還沒(méi)有一種解決方案能夠確保100％地檢測(cè)出或*避免刀具破損的發(fā)生。專門(mén)制定的刀具破損恢復(fù)循環(huán)程序可以挽救工件和生產(chǎn)損失。鑒于航空制造業(yè)的機(jī)床、材料成本以及在制品附加值的特點(diǎn)，為了保護(hù)企業(yè)的投資，制定不同層次的刀具破損預(yù)防及檢測(cè)策略很有必要。
在航空制造業(yè)，工件的價(jià)值以及被加工材料的類型要求在大部分切削加工中必須采用質(zhì)量的刀具。但是，即使使用了的刀具，如果在加工編程時(shí)，對(duì)于特定的刀具或工藝采用了不正確的工藝參數(shù)，或操作者在刀具安裝或調(diào)整過(guò)程中出現(xiàn)了失誤，仍然有可能造成刀具破損。
航空零件通常是由鍛件、鑄件、棒材和板材毛坯，以及可加工性普遍較差的材料切削加工而成。材料成分、表面性狀以及切削深度和寬度的各種變化，使得在加工編程時(shí)很難準(zhǔn)確地確定每一種被加工零件的*切削參數(shù)。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件通常采用耐熱超級(jí)合金（HRSA）（如Inconel合金、鎳基合金、Waspaloy合金等）制造。鈦合金也被用于制造許多飛機(jī)零件。由于零件用途所需要的材料結(jié)構(gòu)特性各異，這些合金的可加工性普遍較差。鑄件和鍛件的表面通常都粗糙不平。
在加工這些強(qiáng)韌的材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的切削力和很高的切削溫度。耐熱超級(jí)合金材料結(jié)構(gòu)中硬質(zhì)碳化物具有的磨蝕性以及表面硬化傾向，可能會(huì)造成刀具的刻劃磨損。如果在加工中采用了不正確的進(jìn)給量、切削速度和切削深度，也可能會(huì)導(dǎo)致其他刀具失效模式（如月牙洼、熱裂紋、崩刃、積屑瘤和變形），以及造成機(jī)床損壞。
因此，航空零件加工的特性可能會(huì)造成刀具的不均勻磨損和高應(yīng)力，這是刀具提前失效的根本原因。不過(guò)，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，這些問(wèn)題是*可以避免的。然而，即使工藝參數(shù)正確無(wú)誤，在刀具安裝和刀具磨損補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整過(guò)程中也很容易出錯(cuò)。測(cè)量、計(jì)算和數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤是刀具破損和機(jī)床損壞的常見(jiàn)原因。
鑒于航空制造業(yè)的加工機(jī)床和在制品通常具有很高價(jià)值，因此，執(zhí)行不同層次的刀具破損預(yù)防措施，對(duì)于保護(hù)企業(yè)投資很有意義。一些可能的解決方案已經(jīng)得到了很好證明，如聲發(fā)射或振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，以及在刀具安裝和調(diào)整過(guò)程中使用檢測(cè)和對(duì)刀測(cè)頭消除誤差。數(shù)據(jù)采集和失效模式及后果分析（FMEA）技術(shù)可以提供對(duì)刀具失效以及相關(guān)機(jī)床損壞的根本原因的寶貴洞見(jiàn)。這種分析有助于針對(duì)特定的加工任務(wù)選擇zui有效的加工策略。
磨料磨損是一種理想的刀具失效模式，因?yàn)樗哂锌芍貜?fù)性和可預(yù)見(jiàn)性（圖1）。當(dāng)磨損過(guò)程平穩(wěn)而均勻時(shí)，一些征兆（如毛刺、表面光潔度或切削噪聲的變化）可以提醒操作者在出現(xiàn)災(zāi)難性的刀具失效之前采取正確的行動(dòng)。也可以采用刀具管理系統(tǒng)來(lái)提示操作者對(duì)刀具進(jìn)行定期維護(hù)。
然而，有許多零件的加工并非采用的是*切削參數(shù)?；蛟S企業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)采用的是一臺(tái)普通的后處理器，從生產(chǎn)車間反饋回來(lái)的優(yōu)化數(shù)據(jù)并未可靠地饋入系統(tǒng)；或許某種新型刀具在一次加工中顯示出了令人印象深刻的效果，因而被生產(chǎn)車間所采用，但新的工藝參數(shù)尚未編入每一個(gè)工件的加工程序中。
刀具制造商通常會(huì)為其刀具產(chǎn)品的應(yīng)用提供免費(fèi)咨詢服務(wù)。他們可以基于特定的刀具技術(shù)提出各種不同的加工模式，例如，采用較大的進(jìn)給量、較快的切削速度和較小的切削深度；或者采用較小的進(jìn)給量、較慢的切削速度和較大的切削深度。從而獲得令人滿意的加工效果，顯著縮短工件加工時(shí)間。但更重要的是，刀具將在刀具制造商推薦的切削參數(shù)范圍內(nèi)使用。
一旦所有的切削參數(shù)都被確認(rèn)，一個(gè)電子換刀管理系統(tǒng)可以確保對(duì)加工過(guò)程的控制，該系統(tǒng)可以同時(shí)管理工件加工程序和刀具設(shè)置表。
更新刀具的幾何參數(shù)和磨損補(bǔ)償量是很容易出錯(cuò)的一個(gè)步驟，有可能引起刀具失效、工件損壞，或許還會(huì)危及加工機(jī)床。
為了完成一次典型的刀具磨損補(bǔ)償更新，操作者首先要對(duì)刀具或工件進(jìn)行測(cè)量。然后，操作者必須分析測(cè)量結(jié)果的影響，并計(jì)算出需要輸入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償值。計(jì)算時(shí)，符號(hào)常常會(huì)混淆，半徑與直徑換算的問(wèn)題也會(huì)使計(jì)算復(fù)雜化。將補(bǔ)償值輸入數(shù)控系統(tǒng)也提供了額外的出錯(cuò)機(jī)會(huì)。小數(shù)點(diǎn)和符號(hào)輸入錯(cuò)誤相當(dāng)常見(jiàn)，有時(shí)補(bǔ)償值還會(huì)被輸入到錯(cuò)誤的補(bǔ)償位置。
使用檢測(cè)和對(duì)刀測(cè)頭是防止刀具幾何尺寸及磨損補(bǔ)償出現(xiàn)錯(cuò)誤的一種傳統(tǒng)解決方案，這些測(cè)頭在航空制造業(yè)已被廣泛應(yīng)用。
不過(guò)，通過(guò)利用大多數(shù)機(jī)床CNC數(shù)控系統(tǒng)都具備的高水平宏編程功能，也能解決大多數(shù)防錯(cuò)問(wèn)題。數(shù)控系統(tǒng)可以提示操作者進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值輸入到數(shù)控系統(tǒng)中一個(gè)容易記住的補(bǔ)償位置。該參數(shù)可以是一個(gè)與刀座位置相匹配的補(bǔ)償數(shù)字，也可以是一個(gè)恒定的補(bǔ)償數(shù)字，例如99或999。
工件加工程序宏語(yǔ)言可以執(zhí)行一系列檢查，防止輸入的數(shù)據(jù)出錯(cuò)。它可以檢查預(yù)期補(bǔ)償位置的變化情況，確認(rèn)操作者已將測(cè)量值輸入到正確的位置。它可以確保輸入的測(cè)量值處于合理的范圍之內(nèi)。然后，它可以在考慮輸入值、尺寸和公差以及現(xiàn)有補(bǔ)償值的基礎(chǔ)上，計(jì)算出正確的補(bǔ)償值。它還可以對(duì)考慮了刀具磨損范圍規(guī)定的zui大合理補(bǔ)償值設(shè)置上限。如果一切正常，正確的刀具補(bǔ)償就會(huì)自動(dòng)更新，從而避免了所有的手工計(jì)算和數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤。
在對(duì)復(fù)雜形狀工件進(jìn)行輪廓加工時(shí)，很多時(shí)候刀具需要進(jìn)行部分切削。如果刀具的切削負(fù)荷很大，就難以保持正確的切屑成形，并可能會(huì)引起摩擦。在切屑無(wú)法正確成形的情況下，切削熱難以從刀具和工件材料中消散，刀具就可能出現(xiàn)積屑瘤或月牙洼磨損失效模式。
自適應(yīng)控制技術(shù)通常被認(rèn)為是一種用于提高生產(chǎn)率的解決方案，而它有一種有益的附加功能，就是能保持刀具切削負(fù)荷恒定。如果自適應(yīng)系統(tǒng)檢測(cè)到刀具的切削負(fù)荷下降，它就會(huì)通過(guò)增大進(jìn)給率來(lái)維持設(shè)定的目標(biāo)負(fù)荷。如果切削負(fù)荷增大，超過(guò)了目標(biāo)負(fù)荷，切削速度就會(huì)相應(yīng)降低。保持刀具切削負(fù)荷恒定有利于改善成屑和排屑，而且可以避免產(chǎn)生積屑瘤、月牙洼磨損、切屑二次切削等問(wèn)題。
如果對(duì)某種加工的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，刀具就能顯示出可靠的、可預(yù)測(cè)的磨料磨損失效模式。在這種情況下，刀具管理系統(tǒng)就能提示操作者主動(dòng)更換刀具，以防止刀具破損造成嚴(yán)重后果。
機(jī)床的CNC數(shù)控系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)刀具的使用情況（包括加工時(shí)間和加工循環(huán)數(shù)）。它可以設(shè)定刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，提示操作者及時(shí)更換刀片，如果發(fā)出警告后操作者仍未采取行動(dòng)，它就會(huì)自動(dòng)關(guān)停機(jī)床。為了延長(zhǎng)對(duì)刀具進(jìn)行維護(hù)檢查的周期，對(duì)于使用頻率很高的刀具，可以采用“姊妹刀具”策略（如果刀庫(kù)中有多余刀座的話）（圖2）。如果一臺(tái)機(jī)床具有在不中斷加工的情況下安全更換已磨損刀具的功能，那么還能顯著提高加工效率。
如果刀具是在工具室集中管理，或由外部刀具供應(yīng)商管理，那么在刀具整個(gè)生命周期中跟蹤其使用參數(shù)可能比較困難?？梢岳蒙漕l識(shí)別（RFID）電子標(biāo)簽來(lái)預(yù)設(shè)刀具負(fù)荷，或測(cè)量CNC系統(tǒng)中設(shè)定的刀具幾何參數(shù)，以及更新刀具壽命表。當(dāng)?shù)毒邥簳r(shí)不使用時(shí)，可以將刀具壽命值和所有已更新的磨損補(bǔ)償值重新寫(xiě)入嵌裝在刀柄中的RFID芯片中，以在下次使用時(shí)供機(jī)床讀取。如果操作者決定越過(guò)CNC刀具管理系統(tǒng)，在達(dá)到預(yù)定的刀具壽命之前命令更換刀具，也可以將這些信息標(biāo)記在RFID芯片上。
離線系統(tǒng)也可以監(jiān)測(cè)RFID芯片中存儲(chǔ)的刀具數(shù)據(jù)。這些信息可用于在工具室對(duì)刀具進(jìn)行定期維護(hù)，或用于分析任何不同尋常的失效模式，以及確定刀具失效的根本原因是否與特定的工件、操作者、生產(chǎn)班次、加工機(jī)床或其他因素有關(guān)。
當(dāng)?shù)毒咴诩庸み^(guò)程中發(fā)生破損時(shí)，操作者停止加工可能需要幾分鐘的時(shí)間。如果刀具在粗加工時(shí)發(fā)生破損，從理論上說(shuō)，恢復(fù)正常需要做的全部事情就是：退回刀具，更換刀片，然后從上次加工的zui后正常位置重新開(kāi)始加工。但在實(shí)際生產(chǎn)中，刀具破損的恢復(fù)并不會(huì)如此簡(jiǎn)單。
一種選擇是退回到工件加工程序中一個(gè)便于重新開(kāi)始的程序塊。該步驟可能需要使加工中斷幾分鐘或幾小時(shí)，從而降低生產(chǎn)率。由于新刀具的磨損程度比所替換的刀具輕，因此新刀具可能會(huì)二次切削工件，而切削負(fù)荷很輕的刀具可能會(huì)引起切屑成形不良，從而有可能導(dǎo)致刀具再次失效。
更好的解決方案是利用專門(mén)開(kāi)發(fā)的CNC數(shù)控功能來(lái)管理刀具破損恢復(fù)。啟動(dòng)退刀功能將刀具從工件表面快速移開(kāi)。然后可將機(jī)床軸緩慢移動(dòng)到一個(gè)刀片更換檢查點(diǎn)?？衫玫毒哐a(bǔ)償移動(dòng)及存儲(chǔ)功能更新主動(dòng)補(bǔ)償，清除在刀具破損的時(shí)間點(diǎn)與操作者退刀的時(shí)間點(diǎn)之間不能實(shí)現(xiàn)正確加工的所有軌跡。然后，可以觸發(fā)刀具退刀－恢復(fù)循環(huán)（圖3），將刀具移回退刀點(diǎn)。接下來(lái)，可利用CNC返回功能將工件加工程序退回到工件上未出現(xiàn)錯(cuò)誤軌跡的某一點(diǎn)。zui后，再次利用刀具補(bǔ)償移動(dòng)及存儲(chǔ)功能，（用手輪）移動(dòng)刀具，直到它與工件材料表面接觸。此時(shí)，刀具已*處于具有新的、適當(dāng)?shù)牡毒哐a(bǔ)償值的正確位置。
在某些情況下，刀具破損尤其可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果（例如，如果在鉆削基礎(chǔ)孔的加工失敗后，試圖在一臺(tái)機(jī)床上對(duì)其進(jìn)行攻絲）。如果切斷刀具在雙主軸車床的軸與軸轉(zhuǎn)換之前發(fā)生破損，就可能會(huì)對(duì)機(jī)床造成嚴(yán)重?fù)p壞。在這種情況下，每次加工后對(duì)刀具進(jìn)行檢查，以確認(rèn)其仍然完好無(wú)損是*的。
多年來(lái)，人們一直使用接觸式和非接觸式刀具測(cè)量裝置來(lái)檢測(cè)刀具破損。非接觸式測(cè)量裝置通常測(cè)量速度較快，由于不存在機(jī)械接觸，意味著被檢刀具能高速通過(guò)激光束。不過(guò)，此類測(cè)量系統(tǒng)很難安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上，并且由于立式加工中心的工作臺(tái)通常是一個(gè)可移動(dòng)的托盤(pán)，因此在此類機(jī)床上的加工更為復(fù)雜。
雷尼紹（Renishaw）公司新開(kāi)發(fā)的TRS1刀具破損檢測(cè)傳感器（圖4）在刀具破損的高速檢測(cè)上具有很多優(yōu)勢(shì)。這種單面測(cè)量裝置可以安裝在任何穩(wěn)定的垂直表面上，能在換刀位置附近對(duì)刀具進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而無(wú)需將刀具下移到安裝在工作臺(tái)上的傳感器處。它的采樣算法能準(zhǔn)確區(qū)分刀具與冷卻液滴，實(shí)現(xiàn)快速、可靠的檢測(cè)。它還能在雙主軸車床加工中主軸轉(zhuǎn)換的情況下，用于對(duì)已經(jīng)通過(guò)切斷加工而分離的工件進(jìn)行檢測(cè)。
無(wú)論在加工中采取了多少防錯(cuò)措施，仍有可能發(fā)生始料不及的問(wèn)題，而且刀具可能會(huì)根據(jù)程序指令向工件或某個(gè)機(jī)床部件高速運(yùn)動(dòng)而造成碰撞。對(duì)于昂貴的工件和擔(dān)負(fù)關(guān)鍵使命的加工機(jī)床而言，監(jiān)測(cè)伺服電機(jī)產(chǎn)生的扭矩，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異乎尋常的高扭矩值是很有意義的。
與正常的機(jī)床快速移動(dòng)或切削進(jìn)給相比，發(fā)生機(jī)械碰撞和刀具破損會(huì)使作用于伺服電機(jī)和主軸電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩異常增大。為此，可以在工件加工程序中設(shè)置zui大扭矩上限，使CNC數(shù)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)出超限負(fù)載。如果CNC系統(tǒng)檢測(cè)到一個(gè)突然出現(xiàn)的大扭矩?cái)_動(dòng)值，它就可以立即關(guān)停伺服電機(jī)，乃至通過(guò)指令值使電機(jī)反轉(zhuǎn)，以盡量減小對(duì)工件和機(jī)床可能造成的損害。
為了更全面地保護(hù)工件和機(jī)床，精密扭矩傳感裝置可以感知被加工零件的特定扭矩波形，并將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中。以后再加工相同的零件時(shí)，精密扭矩傳感裝置通過(guò)監(jiān)測(cè)超出已知扭矩波形規(guī)定公差帶的主軸扭矩值，就能發(fā)現(xiàn)任何異常情況。
在航空制造業(yè)，對(duì)在制品和加工設(shè)備的投資非常高。通過(guò)采用*做法、防錯(cuò)措施和其他自動(dòng)化策略，盡可能減少意料之外的刀具失效，可以成為多層次全面解決方案的一部分。
