转子铣削过程刀片破损研究*

孙世旭，胡小锋

(上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

0 引言

发电机转子嵌线槽加工的工艺系统复杂，采用安装多个刀片的大型盘铣刀进行加工，在产品加工过程中，多种因素造成刀片破损的问题，若出现严重破损，会影响零件的加工质量，甚至破坏机床，造成重大的经济损失。企业采用频繁更换新刀片的方式避免刀片发生破损，但这种方法依靠工人经验进行，缺乏客观的数据支持，难以实现量化的、规范化的管理。因此，有必要针对嵌线槽加工的刀片破损问题开展研究，找到降低破损发生概率、减小破损程度的有效方法。

国内外学者对刀具磨损和破损问题已经开展了诸多研究，例如增加切削力、振动、功率、声发射等传感器，采用信号融合的方式，结合神经网络或者支持向量机等方法进行刀具磨损识别[1-4]，或者通过读取机床内置传感器信号替代外置传感器[5]，这类方法运算量大，实际应用受限，而且只能用于刀具磨损的监测，虽然也有涉及到刀具破损识别的研究[6-7]，但是只能在破损发生后发现，不能减少破损发生几率或者降低刀具破损程度。为了避免或者降低刀具的破损，需要研究刀具的破损机理和影响因素，程剑兵、敖晓春、翟全鹏等学者通过破损实验研究硬质合金刀具的破损问题，指出切削用量，切削温度、刀具材料特性等因素对刀具破损的影响[8-10]，这些研究均在实验环境下进行，相对实际生产加工过程，其条件相对单一，而且没有提出行之有效的降低破损的控制方法，难以在生产过程中应用。

针对以上问题，本文开发了刀片管理系统，将该系统应用于实际生产过程中，通过分析刀片管理系统获得的数据找到影响刀片破损的主要因素，提出并论证了降低刀片破损大小和刀片破损数量的有效方法。

1 刀片管理系统

为了研究发电机转子嵌线槽加工过程中的刀片破损问题，需要跟踪记录刀片的使用情况，并测量刀片的破损大小，因此开发刀片管理系统。

1.1 系统设计

刀片管理系统包括刀片信息维护服务器、刀片激光二维码标刻装置、刀片使用记录终端和刀片破损测量装置，以局域网作为应用环境，实现信息流动和交互，系统的总体组成如图1所示。

图1 系统组成示意图

刀片管理系统主要包括4个功能模块：二维码标刻模块、使用跟踪模块、破损测量模块、信息查询维护模块。

1.2 刀片二维码标刻

通过刀片二维码标刻模块在刀片上标刻二维码，二维码采用Data Matrix标准，尺寸为4×5mm，二维码信息为刀片序列号，刀片序列号由刀片管理系统自动生成，包含刀片型号代码、标刻日期和流水号三部分，序列号与刀片唯一对应，用于关联、管理与该刀片相关的所有信息。由于每个刀片有4个刀刃，每个刀刃的加工内容和破损均独立，因此在刀刃边标刻阿拉伯数字“1”和“3”，代表1#刃和3#刃，与“1”同面但无标号的即2#刃，与“3”同面但无标号的即4#刃，如图2所示。

图2 刀片二维码

1.3 刀片使用跟踪记录

通过刀片使用跟踪模块跟踪记录刀片的使用过程，其流程如图3所示。

图3 刀片使用记录流程

转子嵌线槽加工开始之后，首先在刀片使用记录终端上选择工单，并设置即将加工的部位，然后在盘铣刀上安装刀片，安装每一个刀片时均需要通过工业扫码枪扫描刀片上标刻的二维码，选择刀片在盘铣刀上的安装位置，系统默认将1#刀刃作为工作刀刃，安装时将1#刀刃作为工作刀刃安装在盘铣刀上，将全部36个刀片安装完毕之后开始加工。

每一条嵌线槽加工完成后，在刀片使用记录终端上切换即将加工的部位，根据换刀策略更换刀刃(片)：

(1)更换刀片时需要先扫描被替换的刀片二维码，若需替换的刀刃号小于4，即所在刀片上还有新刀刃，系统默认替换为下一个刀刃，例如现在使用2#，则替换为3#，直接将下一个刀刃作为工作刀刃安装至盘铣刀上即可完成该刀刃的替换；

(2)若需替换的刀刃号为4#，即该刀片所有刀刃均已使用，则再扫描新刀片二维码，系统默认替换为新刀片的1#刀刃，将新刀片的1#刀刃作为工作刀刃安装至盘铣刀上即可完成该刀片的替换。

由于替换的刀片在盘铣刀上的安装位置与原刀片的位置相同，因此在替换过程中无需再次选择刀片的安装位置，完成刀刃(片)更换后再次进行嵌线槽铣削加工。当所有嵌线槽加工完毕后，将所有刀片拆下，完成本道工序的加工。

1.4 刀片破损测量

在刀片完成加工后，通过刀片破损测量模块测量刀片的破损情况。测量工具是视频显微镜，其放大倍数为160倍，测量精度为1μm，测量流程是先通过工业扫码枪扫描刀片上的二维码，然后按照1#至4#的顺序依次测量4个刀刃的后刀面破损量，每次测量后点击保存即可将测量值与测量图片上传至刀片管理数据库。破损量通过破损宽度和破损深度进行度量，其中破损宽度指破损沿着刀刃方向的最大长度，破损深度指破损在垂直刀刃方向的最大长度，如图4所示。

图4 磨损测量方法

1.5 信息查询维护

采用信息查询维护模块查询和维护刀片管理系统数据库中的信息，包括刀片安装位置、加工部位、加工刀数、破损测量结果在内的所有信息均可通过信息查询维护模块进行查看、导出和分析。

从刀片采购后打码标记，到使用跟踪记录，到破损测量，刀片的整个使用周期均由刀片管理系统进行跟踪记录，确保刀片按照工艺流程使用，由系统保证操作的规范性，并且可以通过统计分析数据改进刀片的使用工艺。

2 实验及数据分析

2.1 实验条件

发电机转子长6250mm，嵌线槽加工采用直径1100mm的盘铣刀，工艺复杂，价值高昂，无法在实验室条件下进行加工实验，本实验平台由应用刀片管理系统的发电机厂提供。

实验对象为某型号600mW转子嵌线槽加工，转子的材料为25Cr2Ni4MoV，如图5所示，加工机床为Ingersoll定制转子槽铣机床，铣削刀具为Ingersoll Φ1100 W40型盘铣刀，安装SNC55型硬质合金刀片，如图6所示。

图5 实验转子 图6 实验刀具

嵌线槽深度为110mm，分为2刀加工，第一刀称为粗1，第二刀称为粗2，其切削参数如表1所示。

表1 切削参数

共进行6次完整的嵌线槽加工实验，实验过程中切削参数保持不变，转子的材料相同，但其供应商和力学性能存在差异，其中供应商有2个，分别以A和B代替，材料性能采用屈服强度和抗拉强度进行衡量，测试3次取平均值，6次实验的实验条件如表2所示。

表2 材料的力学性能

2.2 刀片破损影响因素分析

实验结束后将所有刀片的加工信息和破损测量结果导出，过滤加工过其他嵌线槽和未发生过破损的刀片，并以刀刃为单位进行分析，共273条破损数据，其加工内容和破损参数如表3所示，由于数据量过多只列出10条数据。

其中编号的前12位是刀片编号，即二维码信息，最后1位是刀刃编号，取值范围1～4；刀座号和位置代表刀片安装的位置，刀座号取值范围1～36，位置有上、中、下3种；总刀数是粗1刀数和粗2刀数的和；破损深度和破损宽度由显微镜测量得到。

首先，将包含所有可能影响破损的因素数据导入SPSS软件，进行统计学分析，初步确定在统计学上与刀片破损具有相关性的因素，再进行进一步分析。

在分析之前需要定义变量类型和变量尺度，在SPSS软件中变量类型有字符型、数值型和日期型3类，变量尺度有3类：只能用于描述事物分类或属性的定类尺度，其选项为“名义”；用于描述事物等级或顺序的定序尺度，其选项为“有序”；用于描述测量值的定比尺度，其选项为“标度”。将刀座号、位置的变量尺度设置为“名义”，即用来分类，将粗1刀数、粗2刀数、总刀数、切削量、破损宽度、破损深度的变量尺度设置为“标度”，然后采用协方差分析的方式分析各因素对破损的影响，首先以破损宽度作为衡量破损的标准分析其相关性，其结果如表4所示。

表3 刀刃的详细信息

表4 各因素对破损宽度的影响

第1行“修正模型”是对模型的检验，零假设是“模型中所有的因素对因变量均无影响”(这里包括刀座号、总刀数、供应商、位置、抗拉强度、屈服强度及他们的交互作用)，其P<0.001，拒绝零假设，说明存在对因变量有影响的因素；

第2行“截距”是回归分析的常数项，没有实际物理意义；

第3～8行是对刀座号、总刀数、供应商、位置、抗拉强度、屈服强度的检验，若显著性P≤0.05，说明该项对因变量具有显著影响，若P≤0.01，说明该项对因变量的影响非常显著，否则说明该因素对因变量没有显著影响，由此可以看到只有抗拉强度对破损宽度有显著影响，其余均无显著影响。

同理再以破损深度作为衡量破损的标准分析其相关性，其结果如表5所示。

可以看到以破损深度作为破损衡量标准的结果与以破损宽度作为破损衡量标准的结果有很大差别，其中“校正模型”的P值依然小于0.001，说明存在对因变量有影响的因素，总刀数的P值为0.000说明总刀数对破损深度的影响极其显著，抗拉强度和屈服强度的P值为0.000说明抗拉强度和屈服强度也对破损深度产生显著影响。

表5 各因素对破损深度的影响

表4和表5对比说明以破损深度作为衡量破损的标准更为合理，同样也说明材料的力学性能中的抗拉强度对破损深度和破损宽度都显著有影响，可以将抗拉强度作为衡量材料力学性能对破损影响的标准。

进一步分析总加工刀数和材料的抗拉强度对刀片破损的影响，由于二者均对破损影响显著，因此一起分析。6组实验数据中材料的抗拉强度取值分别集中在808MPa、814MPa和825MPa附近，因此将抗拉强度分为三组，分别为X<810、810≤x<820和x≥820三组，并分别计算每组的破损深度随总刀数变化的均值和标准差，其结果如表6所示，为了更直观的观察其变化，绘制分组均值-标准差曲线，如图7所示。

图 7 破损深度与总刀数

由图中可以看出4条曲线的形式相同，材料的力学性能变化不会影响破损随加工刀数的变化规律，但是抗拉强度的增加会导致破损的增大，因此从降低刀片破损的角度考虑，应该尽可能降低材料的抗拉强度。

在总加工刀数小于等于5刀之前，破损的增大幅度比较小，属于正常使用阶段，当总加工刀数大于5刀后，破损的增大幅度显著增加，出现破损加剧的情况，因此为了避免严重破损的发生，应将总加工刀数控制在5刀或者5刀以下。

国际标准ISO 8688-1:1989推荐的硬质合金刀具的磨钝标准是选择下列的一种：

①后刀面磨损量VB=0.3mm；

②如果后刀面是无规则的磨损，取VBmax=0.6mm；

③前刀面磨损量KT=0.06+0.3f，其中f为进给量。

发电机转子加工过程中对加工质量要求高，而后刀面磨损或者破损会直接影响到加工质量，所以以后刀面破损作为衡量标准，参考磨钝标准的第二条，应将破损深度控制在0.6mm以下，由图7可以看出总加工刀数超过5刀后平均破损深度超过600μm，因此从磨钝标准的角度考虑也应该将加工刀数控制在5刀或者5刀以下。

表6 分组破损深度均值

在综合分析破损的影响因素时发现刀座号对破损深度的影响不显著，但是刀座号类别达到36个，每一类里面的样本数量较少，最少的甚至不足3个，可能由此导致显著性计算不够准确，因此进一步分析刀座号是否对破损产生影响。考虑到加工刀数和材料的力学性能均对破损深度产生显著影响，因此通过分析不同刀座号对应的破损刀片个数确定刀座对破损的影响，表7所示即为各刀座对应的破损的刀刃个数。

表7 各刀座对应破损刀刃数

对以上5个刀座进行检查发现其圆跳动公差偏大，修整后重新安装，恢复正常状态。在后续的2次转子加工过程中，以上5个刀座对应的刀刃破损数量下降至平均水平，如表8所示，这5个刀座的平均破损数量为2.8，略低于所有刀座的平均破损数量3.3。

表8 修整后的破损刀刃数

2.3 工艺系统优化方法及效果

根据上述数据分析，提出并应用工艺系统优化方法，具体如下：

(1)在刀片管理系统中设置单一刀刃加工刀数(即刀片寿命)限制，默认将数值设置为5，当该刀刃已经加工5刀后提醒操作人员更换刀刃，由此可避免产生严重破损，平均破损深度由1253.5μm减小至498.7μm；

(2)限制转子材料的力学性能，将抗拉强度限制在810MPa以下，则平均破损深度由498.7μm进一步减小至279.1μm；

(3)修复容易导致刀片破损的5个刀座，使总体的刀刃破损数量降低约20%。

3 结束语

为了解决发电机转子嵌线槽加工过程中刀片更换缺乏数据支持，难以规范化管理，容易发生破损的问题，本文首先开发了刀片管理系统，实现刀片二维码标刻、使用过程跟踪记录、使用完毕测量破损的功能；然后通过分析6次实验数据，确定用破损深度作为评价刀片破损的依据，得到加工刀数和材料的力学性能对破损大小的影响规律，并且通过限制加工刀数不超过5刀、降低材料的抗拉强度、修复存在问题的刀座三种方法减小刀片破损程度，降低刀片破损发生数量。