基于声表面波原理多物理量监测的智能刀具系统关键技术及其应用研究

The real-time monitoring of the cutting process is the basis for high-efficiency, high-precision and intelligent processing. Traditional cutting process monitoring methods are generally limited to single-physical-quantity monitoring, with low sensitivity, inconvenient installation, and the difficulty to achieve the monitoring of rotary tool processing. This project addresses the existed problems in current cutting process monitoring technologies, uses the surface acoustic wave (SAW) sensor system to build a new type smart multi-physical-quantity monitoring tool system that can perceive cutting force and cutting temperature simultaneously. Though establishing the relational model of cutting force, cutting temperature and surface acoustic wave transmission characteristics, revealing the mapping relationship of the surface acoustic wave transmission characteristics with the cutting force and cutting temperature respectively, to provide a theoretical basis for the realization of independent cutting process monitoring of cutting force and cutting temperature; establishing the mathematical model of the sensor monitoring signal with cutting force and cutting temperature, and realizing a breakthrough of the key technologies for the dynamic interaction between monitoring data and cutting process, as well as the adaptive control of the smart tool system, to achieve real-time monitoring of the cutting process, feedback and adaptive processing. The project will provide a new principle and method for real-time multi-parametric monitoring and adaptive control of cutting process, and has important theoretical significance and practical value.

切削加工过程的实时监测是实现高效高精度和智能化加工的基础。传统切削加工监测方法一般限于单一物理量监测、灵敏度低、使用安装不便，且难以实现旋转刀具的加工过程监测。本项目针对目前切削加工过程监测技术存在的问题，研究采用声表面波传感原理构建能同时感知切削力与切削温度的新型多物理量监测智能刀具系统。通过建立切削力、切削温度与声表面波传递特性的关系模型，揭示切削力、切削温度分别与声表面波传递特性的映射关系，为实现切削过程中切削力与切削温度的独立监测提供理论基础；建立传感器监测信号与切削力、切削温度的数学模型，突破智能刀具系统监测信息与加工过程动态交互、基于切削力与切削温度实时反馈的自适应控制等关键技术，实现切削过程的实时监测、反馈与自适应加工。本项目研究为切削加工中多参量的实时监测与实现自适应加工提供一种新的原理和方法，具有重要的理论意义和实际应用价值。

智能制造是未来制造业发展的重要方向，而切削加工过程实时监测是实现智能制造的基础。因此刀具作为制造过程中的重要环节，也将向智能化方向发展。为此，需要突破现有刀具被动使役加工的设计理念，增强刀具使役的主动性、精确性和智能化。本项目采用声表面波原理、压电原理与内冷式原理研发出了4种新型智能刀具系统，它们可以实现切削力、切削温度以及刀具磨损的实时监测。本项目通过全新的刀具设计理念与技术为切削刀具技术的革新提供了支撑，为实现高效稳定可控的超精密与智能制造奠定了基础。.本项目将声表面波传感器应用在切削刀具上，开展了基于声表面波原理的切削力测量刀具系统的研究。理论分析了声表面波传感器的谐振频率，建立了切削力与基片应变关系模型，解析了切削力与谐振频率之间的定量关系，提出了智能刀具系统力信号辨识方法，优化设计了能够测量切削力并排除温度干扰的刀具系统。实验表明，该刀具系统的测量灵敏度为-40Hz/N、分辨率为2.5N，测量信号能够实现无线传输。.为了实现三向切削力的测量，提出了一种基于压电原理的切削力感知式刀具新构型。通过刀具等效压电悬臂梁模型，建立了三向切削力与感知单元的解耦方程，通过优化布局组合实现三向切削力的解耦，建立了集成解耦算法的刀具监测系统，搭建了集成测试平台。通过对比实验验证了三向切削力感知式刀具系统的有效性与准确性，实现了最小0.1N切削力的实时测量。.基于超声振动辅助加工的诸多优点，提出了一种超声振动与实时感知复合式刀具系统，具备椭圆超声振动辅助加工与切削力实时监测的功能。根据压电梁特性，建立了刀具系统的等效模型，分析了刀具实现超声振动和振动感知的工作原理，并对刀具系统进行了结构优化设计和特性分析。刀具系统振动频率28.275kHz，振幅分别为7.5μm和10μm，两向切削力测量灵敏度分别为15mN/V和9.4mN/V。采用该刀具系统加工的表面粗糙度Ra提高了26%，Rz提高了31.9%。.针对难加工材料以及特殊材料的无污染加工需求，提出了一种内冷式智能刀具系统。通过测量冷却液在进、出口的温差来预测切削温度，实现切削温度的在线监测。根据切削温度反映刀具的磨损状态，控制系统实时优化调整工艺参数，实现对切削过程的监控。该部分内容主要针对刀具系统的结构设计、热学特性、刀具磨损预测和控制进行了研究，并通过实验验证了内冷式智能刀具的切削温度实时监测能力与切削加工性能。