數控刀具幾何量測量技術進展

具有高性能、高精度、高可靠性及專業化的數控刀具在現代切削加工技術上的重要性，已成為機械制造業界的共識?！袄麧櫝鲈诘都馍稀背蔀椴粻幍氖聦崱６鴶悼氐毒邷y量技術在數控刀具制造和使用中的重要性，也隨之逐漸得到人們更為清晰的認同和密切的關注——“測量也是生產力”在制造信息化時代進一步得到驗證體現。隨著對于現代先進切削理論和加工技術的不斷探索、實踐和發展，人們對數控刀具幾何量測量的研究探索和技術的開發實踐也在不斷深化、擴展和創新，以滿足日新月異機械加工制造業的更高要求?！靶抵圃?025”為我國機械制造業指明了“數字化、網絡化和智能化”的發展方向和目標，這同樣也是我國數控刀具測量技術的發展方向和道路。本文對近年來國內外在數控刀具測量領域內所取得的進展與成果進行總結。

數控刀具幾何量的測量要素/參數及評定指標不斷擴展、深化，測量精確度、細微化和整體性進一步提升

就數控刀具幾何量要素/參數測量技術而言，近年來在不斷提高測量精度、推進實時在線全數測量、實現非接觸高效化三維測量、網絡化測量數據傳輸和數據處理分析的同時，已經從宏觀幾何尺度測量領域向微觀幾何尺度測量領域擴展和深化。也就是說從傳統的切削刀具幾何量宏觀尺度領域、與數控刀具切削性能基本特性直接相關聯的、數控刀具幾何尺寸和形狀位置參數的“宏觀精度”測量，向切削刀具幾何量微觀尺度領域、與數控刀具切削壽命、可靠性等使用性能密切相關的、數控刀具微觀幾何形貌和結構特征參數的“微觀形貌”測量擴展深化。對具體測量參數而言，前者往往是對刀具上特定幾何特征點/位置的測量，其測量結果通常為確定的單一數值（如刀具的各種切削角度、直徑長度、夾持定位基準垂直度等的測量）；而后者往往是對隨機選定的點位/局部區域的測量，其測量結果更具有統計數值表征的意義（如刀具切削刃口形貌、刃口鈍化形狀、刃口鈍化半徑大小、刃區微織構形貌及三維刃口表面粗糙度等的測量

哈工大很早就對超精密切削刀具，尤其是超精密金剛石刀具的刃區/刃口微觀幾何形狀和形貌進行過長期深入、持續的研究，在切削刃微觀幾何參數的定義、評定以及測量方法等領域都做出了開創性的貢獻。

數控刀具測量對象，由“個體、局部”向整體化、系統化、綜合化擴展

(1)數控刀具/刀片的三維幾何量測量

數控刀具/刀片的幾何量測量，經歷了從1維、2維測量向3維實體掃描測量的發展歷程，從而使數控刀具/刀片個體測量與質量評價的完整性和精確度得到了很大的提升和強化。

值得提出的是在數控刀片輪廓形狀的三維測量上，哈理工于2001-2003年與哈量合作，成功開發出了我國首臺數字化三維輪廓檢測儀及相應軟件（見圖3），用于數控刀片切屑成形理論、斷屑機理和斷屑槽型的研究和開發中。（哈理工“切屑成形及斷屑機理”相關科研成果曾榮獲國家科技進步二等獎）

(2)數控刀具的幾何量測量，從刀具個體的“單件”測量向刀具切削組合系統的“系統”測量擴展；從刀具/刀片的單項幾何精度，走向刀具-軸切削系統的綜合幾何精度測量擴展

數控刀具的測量對象，從傳統的、以單個數控刀具/刀片幾何尺寸精度測量為主，進展到對用于安裝有不重磨數控刀片的、復雜刀體的精確幾何量測量，最終發展到向包括定位、預調、裝夾精度在內的、整體式/裝配式數控刀具的整體綜合精度的精確測量。

考慮到為適應高速高效高精度高性能切削的要求，近年來除了重視對數控刀具的測量，人們特別關注夾持刀具連接機床主軸的工具系統的幾何量精度檢測。以德國德寶測量系列量具量儀為典型的國外儀器等都常見諸于市場；國內則有成都工具研究所、哈量及江蘇理工大學等單位在這方面也做了不少研究與開發工作。圖4左上為江蘇大學近二年成功研制的數控工具系統及刀柄檢測儀器，該產品可檢測HSK63、HSK100等不同規格刀柄的錐體大端直徑、小端直徑，特別是還能檢測刀柄30°夾緊斜面位置尺寸、卸刀面位置尺寸等多種參數，其測量結果可供統計分析，受到市場關注和歡迎。

近年來人們將測量范圍擴展，更加注重針對由數控機床軸（刀具安裝錐孔-端面）、工具系統及數控刀具所構建而成的、精確定位夾緊聯結在一起的、機床軸-工具系統-刀具組合體的測量（簡稱為“刀具-軸切削系統”或“刀具-軸系統”）。將該“刀具-軸系統”視為一個整體測量對象來考慮，對各個組件的單項幾何量參數精度和組合體整體的綜合幾何量參數精度分別進行精確測量，即對影響到刀具軸組合體連接性能（如連接強度、連接精度）、系統綜合機械強度、配合質量狀態和定位精度等使用性能指標相關的幾何尺寸、形位公差以及綜合精度等各項幾何量要素/參數都進行測量、分析與判定。值得提出的是，隨著過定位雙面接觸夾緊工具系統的廣泛普及，以及由多種形狀復雜的、高精度-可靠性-一致性的不重磨刀片、形狀結構復雜的高精度刀體及高強度緊固螺釘刀墊等連接件組成的、復雜型面成型專用數控刀具的大量推廣應用，大大提升了對數控刀具裝夾組合件“刀具-軸系統”的各相關配合和綜合尺寸靜態和動態精度測量的難度和迫切性。

總之，就現階段而論數控刀具幾何量的測量范疇至少應包括：數控刀具/刀片切削幾何要素參數的測量，刀片/刀體/刀柄/刀具系統的定位裝夾幾何要素參數的測量，刃口微觀切削幾何要素參數的測量，刀具切削工作區（前面、切削刃、后面等）微觀形貌幾何量參數的測量、數控刀具及“刀具系統”綜合幾何量/參數測量等所涉及的五個范疇。這些測量領域近年來都得到了較快發展。

與之相適應的是，數控刀具切削過程中的在線在機“刀具-軸切削系統”綜合精度幾何量測量也得到快速發展。測量傳感器原理有激光、紅外、平行光源或聚焦點測量，形式特點各異，性能也略有差異。但迄今在這個領域尚未見到國產的。

當今數控刀具測量儀器的發展，令人耳目一新。由通用化向專業化發展，從采用傳統的通用機械光學精密儀器對刀具的測量（如光學萬能工具顯微鏡、投影儀等），發展到如今專用的、機光電計算機技術集成一體的數控刀具測量儀器（如數控刀具調整測量儀即對刀儀等）。機械手/機器人已經用于刀具制造的生產和檢測工序中，由于在機械手或機器人手臂上安裝了檢測傳感器，因此不但可以完成被檢測刀片/刀具工件的上下料，還升級成為自動化檢測機器人或檢測儀器。它將融入數控刀具生產線，成為生產制造過程不可或缺的組成部分（見圖7）。英國 Renishaw 觸發式側頭在國外數控刀具磨床加工中早就得到了普及應用，成為機床標配附件.

（1）數控刀具測量信息的集成融合，以實現數控刀具制造過程的在線實時監測及遠程診斷，構建數字化網絡化的數控刀具集成測量系統。

數控刀具/刀片制造過程的測量技術/儀器，由遠離一線、實施“抽樣”、“被動”質量判定。如由在傳統的計量室/站，用測量儀器對數控刀具抽樣檢測判定質量合格與否的離線測量，發展到在刀具生產現場/在機/在線的、以非接觸式、工業視覺/圖像數字化測量技術、虛擬或實體化數控測量儀器為主的、數控刀具/刀片百分之百的全數檢測，實現對制造過程的“主動”監測控制，對批量測試結果實時統計分析，及時有效進行質量評定比對與故障診斷。我國數控刀具最大的生產廠商株洲鉆石近年和高校合作，成功開發了硬質合金刀片自動檢測分選機。該儀器已在車間現場工作并融入生產工序。它采用了機器視覺系統，在機械手的協助下對批量生產的各種硬質合金刀片進行100%的檢測和自動分組分級，大大提高了刀片質量檢測的效率和準確性。廈門大學等院校曾為加工硬質合金可轉位刀片、配有機械手自動上下料的數控工具磨床開發了一種在線、非接觸式機器視覺測量技術，對刀片毛坯裝夾后進行中心定位與尺寸檢測。根據所測參數實際數據計算得到實際加工余量，實現了數控刀片的高效高精度磨削加工