数控刀具几何量测量技术进展

具有高性能、高精度、高可靠性及专业化的数控刀具在现代切削加工技术上的重要性，已成为机械制造业界的共识。“利润出在刀尖上”成为不争的事实。而数控刀具测量技术在数控刀具制造和使用中的重要性，也随之逐渐得到人们更为清晰的认同和密切的关注——“测量也是生产力”在制造信息化时代进一步得到验证体现。随着对于现代先进切削理论和加工技术的不断探索、实践和发展，人们对数控刀具几何量测量的研究探索和技术的开发实践也在不断深化、扩展和创新，以满足日新月异机械加工制造业的更高要求。“械制造2025”为我国机械制造业指明了“数字化、网络化和智能化”的发展方向和目标，这同样也是我国数控刀具测量技术的发展方向和道路。本文对近年来国内外在数控刀具测量领域内所取得的进展与成果进行总结。

数控刀具几何量的测量要素/参数及评定指标不断扩展、深化，测量精确度、细微化和整体性进一步提升

就数控刀具几何量要素/参数测量技术而言，近年来在不断提高测量精度、推进实时在线全数测量、实现非接触高效化三维测量、网络化测量数据传输和数据处理分析的同时，已经从宏观几何尺度测量领域向微观几何尺度测量领域扩展和深化。也就是说从传统的切削刀具几何量宏观尺度领域、与数控刀具切削性能基本特性直接相关联的、数控刀具几何尺寸和形状位置参数的“宏观精度”测量，向切削刀具几何量微观尺度领域、与数控刀具切削寿命、可靠性等使用性能密切相关的、数控刀具微观几何形貌和结构特征参数的“微观形貌”测量扩展深化。对具体测量参数而言，前者往往是对刀具上特定几何特征点/位置的测量，其测量结果通常为确定的单一数值（如刀具的各种切削角度、直径长度、夹持定位基准垂直度等的测量）；而后者往往是对随机选定的点位/局部区域的测量，其测量结果更具有统计数值表征的意义（如刀具切削刃口形貌、刃口钝化形状、刃口钝化半径大小、刃区微织构形貌及三维刃口表面粗糙度等的测量

哈工大很早就对超精密切削刀具，尤其是超精密金刚石刀具的刃区/刃口微观几何形状和形貌进行过长期深入、持续的研究，在切削刃微观几何参数的定义、评定以及测量方法等领域都做出了开创性的贡献。

数控刀具测量对象，由“个体、局部”向整体化、系统化、综合化扩展

(1)数控刀具/刀片的三维几何量测量

数控刀具/刀片的几何量测量，经历了从1维、2维测量向3维实体扫描测量的发展历程，从而使数控刀具/刀片个体测量与质量评价的完整性和精确度得到了很大的提升和强化。

值得提出的是在数控刀片轮廓形状的三维测量上，哈理工于2001-2003年与哈量合作，成功开发出了我国首台数字化三维轮廓检测仪及相应软件（见图3），用于数控刀片切屑成形理论、断屑机理和断屑槽型的研究和开发中。（哈理工“切屑成形及断屑机理”相关科研成果曾荣获国家科技进步二等奖）

(2)数控刀具的几何量测量，从刀具个体的“单件”测量向刀具切削组合系统的“系统”测量扩展；从刀具/刀片的单项几何精度，走向刀具-轴切削系统的综合几何精度测量扩展

数控刀具的测量对象，从传统的、以单个数控刀具/刀片几何尺寸精度测量为主，进展到对用于安装有不重磨数控刀片的、复杂刀体的精确几何量测量，最终发展到向包括定位、预调、装夹精度在内的、整体式/装配式数控刀具的整体综合精度的精确测量。

考虑到为适应高速高效高精度高性能切削的要求，近年来除了重视对数控刀具的测量，人们特别关注夹持刀具连接机床主轴的工具系统的几何量精度检测。以德国德宝测量系列量具量仪为典型的国外仪器等都常见诸于市场；国内则有成都工具研究所、哈量及江苏理工大学等单位在这方面也做了不少研究与开发工作。图4左上为江苏大学近二年成功研制的数控工具系统及刀柄检测仪器，该产品可检测HSK63、HSK100等不同规格刀柄的锥体大端直径、小端直径，特别是还能检测刀柄30°夹紧斜面位置尺寸、卸刀面位置尺寸等多种参数，其测量结果可供统计分析，受到市场关注和欢迎。

近年来人们将测量范围扩展，更加注重针对由数控机床轴（刀具安装锥孔-端面）、工具系统及数控刀具所构建而成的、精确定位夹紧联结在一起的、机床轴-工具系统-刀具组合体的测量（简称为“刀具-轴切削系统”或“刀具-轴系统”）。将该“刀具-轴系统”视为一个整体测量对象来考虑，对各个组件的单项几何量参数精度和组合体整体的综合几何量参数精度分别进行精确测量，即对影响到刀具轴组合体连接性能（如连接强度、连接精度）、系统综合机械强度、配合质量状态和定位精度等使用性能指标相关的几何尺寸、形位公差以及综合精度等各项几何量要素/参数都进行测量、分析与判定。值得提出的是，随着过定位双面接触夹紧工具系统的广泛普及，以及由多种形状复杂的、高精度-可靠性-一致性的不重磨刀片、形状结构复杂的高精度刀体及高强度紧固螺钉刀垫等连接件组成的、复杂型面成型专用数控刀具的大量推广应用，大大提升了对数控刀具装夹组合件“刀具-轴系统”的各相关配合和综合尺寸静态和动态精度测量的难度和迫切性。

总之，就现阶段而论数控刀具几何量的测量范畴至少应包括：数控刀具/刀片切削几何要素参数的测量，刀片/刀体/刀柄/刀具系统的定位装夹几何要素参数的测量，刃口微观切削几何要素参数的测量，刀具切削工作区（前面、切削刃、后面等）微观形貌几何量参数的测量、数控刀具及“刀具系统”综合几何量/参数测量等所涉及的五个范畴。这些测量领域近年来都得到了较快发展。

与之相适应的是，数控刀具切削过程中的在线在机“刀具-轴切削系统”综合精度几何量测量也得到快速发展。测量传感器原理有激光、红外、平行光源或聚焦点测量，形式特点各异，性能也略有差异。但迄今在这个领域尚未见到国产的。

当今数控刀具测量仪器的发展，令人耳目一新。由通用化向专业化发展，从采用传统的通用机械光学精密仪器对刀具的测量（如光学万能工具显微镜、投影仪等），发展到如今专用的、机光电计算机技术集成一体的数控刀具测量仪器（如数控刀具调整测量仪即对刀仪等）。机械手/机器人已经用于刀具制造的生产和检测工序中，由于在机械手或机器人手臂上安装了检测传感器，因此不但可以完成被检测刀片/刀具工件的上下料，还升级成为自动化检测机器人或检测仪器。它将融入数控刀具生产线，成为生产制造过程不可或缺的组成部分（见图7）。英国 Renishaw 触发式侧头在国外数控刀具磨床加工中早就得到了普及应用，成为机床标配附件.

（1）数控刀具测量信息的集成融合，以实现数控刀具制造过程的在线实时监测及远程诊断，构建数字化网络化的数控刀具集成测量系统。

数控刀具/刀片制造过程的测量技术/仪器，由远离一线、实施“抽样”、“被动”质量判定。如由在传统的计量室/站，用测量仪器对数控刀具抽样检测判定质量合格与否的离线测量，发展到在刀具生产现场/在机/在线的、以非接触式、工业视觉/图像数字化测量技术、虚拟或实体化数控测量仪器为主的、数控刀具/刀片百分之百的全数检测，实现对制造过程的“主动”监测控制，对批量测试结果实时统计分析，及时有效进行质量评定比对与故障诊断。我国数控刀具最大的生产厂商株洲钻石近年和高校合作，成功开发了硬质合金刀片自动检测分选机。该仪器已在车间现场工作并融入生产工序。它采用了机器视觉系统，在机械手的协助下对批量生产的各种硬质合金刀片进行100%的检测和自动分组分级，大大提高了刀片质量检测的效率和准确性。厦门大学等院校曾为加工硬质合金可转位刀片、配有机械手自动上下料的数控工具磨床开发了一种在线、非接触式机器视觉测量技术，对刀片毛坯装夹后进行中心定位与尺寸检测。根据所测参数实际数据计算得到实际加工余量，实现了数控刀片的高效高精度磨削加工