在切削加工過程中，如果刀具發(fā)生了嚴重破損，通常會損壞被加工零件，有時甚至還會損壞加工機床。航空零件通常具有復雜的形狀，并采用價值不菲的特殊材料制造，加工這些零件需要耗費大量工時。因此，如果工件報廢，無論在原材料成本上，還是在加工附加值上，都會造成巨大的損失。
　　
　　在航空制造業(yè)，單件小批量加工的情況并不鮮見，因此，損壞一件工件會對生產(chǎn)效益造成很大的損失。由于一個飛行器零件失效可能會導致災難性的后果，因此，在航空制造業(yè)，合規(guī)控制和降低風險的機制使得對損壞了的工件進行再加工比在其他行業(yè)更為復雜。因刀具破損而造成的工件或機床損壞可能會嚴重影響制造商的盈利能力和客戶滿意度。
　　
　　航空制造業(yè)使用的許多機床擔負著至關重要的加工任務。由于這些機床成本昂貴，加工準備時間很長，因此它們很可能是制造商的“瓶頸資產(chǎn)”，如果這些機床因刀具破損而被損壞，就會對企業(yè)的生產(chǎn)能力造成重大影響。
　　
　　在切削加工中，有許多原因會導致刀具破損，但還沒有一種解決方案能夠確保100％地檢測出或*避免刀具破損的發(fā)生。專門制定的刀具破損恢復循環(huán)程序可以挽救工件和生產(chǎn)損失。鑒于航空制造業(yè)的機床、材料成本以及在制品附加值的特點，為了保護企業(yè)的投資，制定不同層次的刀具破損預防及檢測策略很有必要。
　　
　　在航空制造業(yè)，工件的價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量的刀具。但是，即使使用了的刀具，如果在加工編程時，對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整過程中出現(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，使得在加工編程時很難準確地確定每一種被加工零件的*切削參數(shù)。
　　
　　航空發(fā)動機零件通常采用耐熱超級合金（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零件。由于零件用途所需要的材料結構特性各異，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。
　　
　　在加工這些強韌的材料時，會產(chǎn)生很大的切削力和很高的切削溫度。耐熱超級合金材料結構中硬質碳化物具有的磨蝕性以及表面硬化傾向，可能會造成刀具的刻劃磨損。如果在加工中采用了不正確的進給量、切削速度和切削深度，也可能會導致其他刀具失效模式（如月牙洼、熱裂紋、崩刃、積屑瘤和變形），以及造成機床損壞。
　　
　　因此，航空零件加工的特性可能會造成刀具的不均勻磨損和高應力，這是刀具提前失效的根本原因。不過，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，這些問題是*可以避免的。然而，即使工藝參數(shù)正確無誤，在刀具安裝和刀具磨損補償?shù)恼{整過程中也很容易出錯。測量、計算和數(shù)據(jù)輸入錯誤是刀具破損和機床損壞的常見原因。
　　
　　鑒于航空制造業(yè)的加工機床和在制品通常具有很高價值，因此，執(zhí)行不同層次的刀具破損預防措施，對于保護企業(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)射或振動監(jiān)測技術，以及在刀具安裝和調整過程中使用檢測和對刀測頭消除誤差。數(shù)據(jù)采集和失效模式及后果分析（FMEA）技術可以提供對刀具失效以及相關機床損壞的根本原因的寶貴洞見。這種分析有助于針對特定的加工任務選擇zui有效的加工策略。
　　
　　磨料磨損是一種理想的刀具失效模式，因為它往往具有可重復性和可預見性（圖1）。當磨損過程平穩(wěn)而均勻時，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)災難性的刀具失效之前采取正確的行動。也可以采用刀具管理系統(tǒng)來提示操作者對刀具進行定期維護。
　　
　　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)的計算機輔助制造（CAM）系統(tǒng)采用的是一臺普通的后處理器，從生產(chǎn)車間反饋回來的優(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)尚未編入每一個工件的加工程序中。
　　
　　刀具制造商通常會為其刀具產(chǎn)品的應用提供免費咨詢服務。他們可以基于特定的刀具技術提出各種不同的加工模式，例如，采用較大的進給量、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)范圍內使用。
　　
　　一旦所有的切削參數(shù)都被確認，一個電子換刀管理系統(tǒng)可以確保對加工過程的控制，該系統(tǒng)可以同時管理工件加工程序和刀具設置表。
　　
　　更新刀具的幾何參數(shù)和磨損補償量是很容易出錯的一個步驟，有可能引起刀具失效、工件損壞，或許還會危及加工機床。
　　
　　為了完成一次典型的刀具磨損補償更新，操作者首先要對刀具或工件進行測量。然后，操作者必須分析測量結果的影響，并計算出需要輸入機床數(shù)控系統(tǒng)的補償值。計算時，符號常常會混淆，半徑與直徑換算的問題也會使計算復雜化。將補償值輸入數(shù)控系統(tǒng)也提供了額外的出錯機會。小數(shù)點和符號輸入錯誤相當常見，有時補償值還會被輸入到錯誤的補償位置。
　　
　　使用檢測和對刀測頭是防止刀具幾何尺寸及磨損補償出現(xiàn)錯誤的一種傳統(tǒng)解決方案，這些測頭在航空制造業(yè)已被廣泛應用。
　　
　　不過，通過利用大多數(shù)機床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)防錯問題。數(shù)控系統(tǒng)可以提示操作者進行測量，并將測量值輸入到數(shù)控系統(tǒng)中一個容易記住的補償位置。該參數(shù)可以是一個與刀座位置相匹配的補償數(shù)字，也可以是一個恒定的補償數(shù)字，例如99或999。
　　
　　工件加工程序宏語言可以執(zhí)行一系列檢查，防止輸入的數(shù)據(jù)出錯。它可以檢查預期補償位置的變化情況，確認操作者已將測量值輸入到正確的位置。它可以確保輸入的測量值處于合理的范圍之內。然后，它可以在考慮輸入值、尺寸和公差以及現(xiàn)有補償值的基礎上，計算出正確的補償值。它還可以對考慮了刀具磨損范圍規(guī)定的zui大合理補償值設置上限。如果一切正常，正確的刀具補償就會自動更新，從而避免了所有的手工計算和數(shù)據(jù)輸入錯誤。
　　
　　在對復雜形狀工件進行輪廓加工時，很多時候刀具需要進行部分切削。如果刀具的切削負荷很大，就難以保持正確的切屑成形，并可能會引起摩擦。在切屑無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。
　　
　　自適應控制技術通常被認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荷恒定。如果自適應系統(tǒng)檢測到刀具的切削負荷下降，它就會通過增大進給率來維持設定的目標負荷。如果切削負荷增大，超過了目標負荷，切削速度就會相應降低。保持刀具切削負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、切屑二次切削等問題。
　　
　　如果對某種加工的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，刀具就能顯示出可靠的、可預測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更換刀具，以防止刀具破損造成嚴重后果。
　　
　　機床的CNC數(shù)控系統(tǒng)能監(jiān)測刀具的使用情況（包括加工時間和加工循環(huán)數(shù)）。它可以設定刀具磨鈍標準，提示操作者及時更換刀片，如果發(fā)出警告后操作者仍未采取行動，它就會自動關停機床。為了延長對刀具進行維護檢查的周期，對于使用頻率很高的刀具，可以采用“姊妹刀具”策略（如果刀庫中有多余刀座的話）（圖2）。如果一臺機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，或由外部刀具供應商管理，那么在刀具整個生命周期中跟蹤其使用參數(shù)可能比較困難?？梢岳蒙漕l識別（RFID）電子標簽來預設刀具負荷，或測量CNC系統(tǒng)中設定的刀具幾何參數(shù)，以及更新刀具壽命表。當?shù)毒邥簳r不使用時，可以將刀具壽命值和所有已更新的磨損補償值重新寫入嵌裝在刀柄中的RFID芯片中，以在下次使用時供機床讀取。如果操作者決定越過CNC刀具管理系統(tǒng)，在達到預定的刀具壽命之前命令更換刀具，也可以將這些信息標記在RFID芯片上。
　　
　　離線系統(tǒng)也可以監(jiān)測RFID芯片中存儲的刀具數(shù)據(jù)。這些信息可用于在工具室對刀具進行定期維護，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、加工機床或其他因素有關。
　　
　　當?shù)毒咴诩庸み^程中發(fā)生破損時，操作者停止加工可能需要幾分鐘的時間。如果刀具在粗加工時發(fā)生破損，從理論上說，恢復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后正常位置重新開始加工。但在實際生產(chǎn)中，刀具破損的恢復并不會如此簡單。
　　
　　一種選擇是退回到工件加工程序中一個便于重新開始的程序塊。該步驟可能需要使加工中斷幾分鐘或幾小時，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，因此新刀具可能會二次切削工件，而切削負荷很輕的刀具可能會引起切屑成形不良，從而有可能導致刀具再次失效。
　　
　　更好的解決方案是利用專門開發(fā)的CNC數(shù)控功能來管理刀具破損恢復。啟動退刀功能將刀具從工件表面快速移開。然后可將機床軸緩慢移動到一個刀片更換檢查點。可利用刀具補償移動及存儲功能更新主動補償，清除在刀具破損的時間點與操作者退刀的時間點之間不能實現(xiàn)正確加工的所有軌跡。然后，可以觸發(fā)刀具退刀－恢復循環(huán)（圖3），將刀具移回退刀點。接下來，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)錯誤軌跡的某一點。zui后，再次利用刀具補償移動及存儲功能，（用手輪）移動刀具，直到它與工件材料表面接觸。此時，刀具已*處于具有新的、適當?shù)牡毒哐a償值的正確位置。

　　
　　在某些情況下，刀具破損尤其可能會造成災難性的后果（例如，如果在鉆削基礎孔的加工失敗后，試圖在一臺機床上對其進行攻絲）。如果切斷刀具在雙主軸車床的軸與軸轉換之前發(fā)生破損，就可能會對機床造成嚴重損壞。在這種情況下，每次加工后對刀具進行檢查，以確認其仍然完好無損是*的。
　　
　　多年來，人們一直使用接觸式和非接觸式刀具測量裝置來檢測刀具破損。非接觸式測量裝置通常測量速度較快，由于不存在機械接觸，意味著被檢刀具能高速通過激光束。不過，此類測量系統(tǒng)很難安裝在移動工作臺上，并且由于立式加工中心的工作臺通常是一個可移動的托盤，因此在此類機床上的加工更為復雜。
　　
　　雷尼紹（Renishaw）公司新開發(fā)的TRS1刀具破損檢測傳感器（圖4）在刀具破損的高速檢測上具有很多優(yōu)勢。這種單面測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刀具進行監(jiān)測，而無需將刀具下移到安裝在工作臺上的傳感器處。它的采樣算法能準確區(qū)分刀具與冷卻液滴，實現(xiàn)快速、可靠的檢測。它還能在雙主軸車床加工中主軸轉換的情況下，用于對已經(jīng)通過切斷加工而分離的工件進行檢測。

　　
　　無論在加工中采取了多少防錯措施，仍有可能發(fā)生始料不及的問題，而且刀具可能會根據(jù)程序指令向工件或某個機床部件高速運動而造成碰撞。對于昂貴的工件和擔負關鍵使命的加工機床而言，監(jiān)測伺服電機產(chǎn)生的扭矩，及時發(fā)現(xiàn)異乎尋常的高扭矩值是很有意義的。
　　
　　與正常的機床快速移動或切削進給相比，發(fā)生機械碰撞和刀具破損會使作用于伺服電機和主軸電機上的負載轉矩異常增大。為此，可以在工件加工程序中設置zui大扭矩上限，使CNC數(shù)控系統(tǒng)能實時檢測出超限負載。如果CNC系統(tǒng)檢測到一個突然出現(xiàn)的大扭矩擾動值，它就可以立即關停伺服電機，乃至通過指令值使電機反轉，以盡量減小對工件和機床可能造成的損害。
　　
　　為了更全面地保護工件和機床，精密扭矩傳感裝置可以感知被加工零件的特定扭矩波形，并將其存儲在內存中。以后再加工相同的零件時，精密扭矩傳感裝置通過監(jiān)測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)，對在制品和加工設備的投資非常高。通過采用*做法、防錯措施和其他自動化策略，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。