■中原大學智慧製造中心 / 魏福勝 助理教授
前言
在全球工業4.0 革命的浪潮下，機械製造產業，除了追求生產效率提升以及降低生產成本、品質穩定外，近年來臺灣廠商紛紛尋求轉型，朝向智慧化生產，自動化、無人化發展，為了達成智慧化生產，加工智慧監控為重要項目。
在加工智慧監控中，刀具監控是其中一項關鍵技術。以切削加工為例，所有加工中都必須使用到刀具，最常發生的切削異常如刃口積屑(Build-Up-Edge,BUE)、斷刀(Cutter Breakage) 與刀具磨耗(Tool Wear)，都與刀具有關，而發生切削異常的原因有許多種，例如當切削條件選擇不適當時，容易發生刃口積屑、斷刀，導致工件及刀具毀損；此外，加工過程中隨著切削次數的累積，刀具會逐漸產生磨耗，若換刀過晚，會影響工件表面粗糙度、產品精度；若換刀時機過早，則易造成刀具成本提升與換刀時間增加，影響產能，因此，刀具磨耗中重要的是如何判斷出刀具臨界壽命，以便選擇正確的更換刀具時機，還有如何避免切削異常也是提升加工效益的關鍵。
刀具監控
刀具切削異常監控方法，其中包括刃口積屑與斷刀監控，接著探討刀具磨耗之型態、各磨耗型態對臨界壽命的影響、切削異常定義，以及刀具臨界壽命定義，以振動訊號處理與暫態訊號分析法分析大量切削振動訊號，找到刀具臨界壽命發生時的訊號特性，歸納建立刀具監控法則，最後完成刀具切削異常診斷方法。
刃口積屑與斷刀
刃口積屑即是BUE，產生原因通常是高速切削過程中進給速率過快，以及切削延伸性較高的工件材料（軟鋼、鋁、黃銅等）產生連續切屑時，切屑與刀刃間的摩擦過大，致使切屑熔著於刀刃之刀尖點，被加工材料受到加工硬化產生之變質硬化物質，包圍刀尖後取代刀尖進行切削之工作，持續增加刀刃口與工件表面的摩擦力，使得刃口處的產生積屑不斷累積，切削阻抗不平衡增大因而發生切削異常振動，刃口積屑（如圖1）導致工件表面精度降低並且造成刀具磨耗與主軸損壞。斷刀發生的原因，通常都是進給過快或者是發生撞機以及刀具壽命到達極限而導致。當斷刀發生時，若無法立即停機換刀，其最主要的影響，除會浪費時間之外，還會因為斷刀而導致成本的增加。
圖1：刃口積屑訊號特性分析 
圖2：斷刀訊號特性分析
刀具臨界磨耗
從銳利的新刀使用到磨耗後需要被更換中間的時間，隨刀具使用次數上升，刀具磨耗沿著一趨緩的曲線上升，直到曲線開始加速往上前，此時為刀具理論壽命，接著曲線會開始加速上升亦即磨耗加速（如圖3）。
一般而言，具有切削刃的刀具破壞型態可分為破裂（崩裂與斷裂）與磨耗兩大類型，這兩大類型破壞通
常都不會單獨存在，並且隨著切削條件、切削方式與加工材料的不同也會有所差異。
上述的刀具破壞機制，通常發生的部位在於刀面、刀腹及刀刃上，並以圓周凹陷痕跡的方式顯現其刀具的磨耗，這是由於刀具表面與加工材料間接觸且不停的摩擦，並產生很高的溫度，高熱流動的加工材料在刀具表面上侵蝕出一至數道凹槽，此種交互作用的結果，會加劇凹陷痕跡逐漸加寬加深。
在刀磨耗至某一定程度後，其磨耗速度會快速增加，之後很快就會不堪使用，此可視為刀具接近臨界壽命。研究定義達到VB=0.3mm 時為刀具的臨界壽命。由驗證發現，臨界壽命發生後，一般可再切削若干次數之後就必須換刀，否則將嚴重影響工件精度。因此為了確保加工精度及刀具使用效益，要能即時診斷找出刀具的臨界壽命以作適時換刀處置。
圖3：刀具理論壽命圖 圖4：刀具磨耗
圖5：A1 刀具銑削三軸方向振動量分佈圖
實驗數據分析
為能採集分析刀具磨耗過程中振動訊號的變化，因此驗證過程設計使用至刀具臨界壽命觀察點，並持續至刀具損壞為止。由圖5 可以得知，當刀具切削至第23筆時，X 軸振動開始有大幅的升高（由原本約0.16g升高至接近0.4g）對照此時刀具磨耗情形（如圖4），可確認刀具已發生大量磨耗，且達到臨界磨耗標準。圖5：A1 刀具銑削三軸方向振動量分佈圖在此實驗裡得知，當刀具切削至23 筆前的這段切削振動為相對穩定的狀態，振動值都落在0.1g~0.2g 內。第23 筆後振動值開始大幅提升接近0.38g，在第32筆後振動值雖有上下跳動，但大多保持在接近0.4g。觀察本實驗可知，磨耗初期振動為相對穩定的成長，達到一定程度時其振動會顯著增加，磨耗後期（第32次後）因刀具已磨耗嚴重，振動雖有跳動但都維持一定的程度，故可將此定為臨界壽命點。■
