青龍偃月、大夏龍雀，在武林江湖中，刀是一種僅次于劍的武器，刃向一邊，恩怨分明，至剛尤猛。能擁有一把寶刀的俠客，才配稱之為江湖豪杰，而寶刀，無非就是極其鋒利的刀，吹發(fā)立斷是檢驗寶刀的常用方法，如同《水滸》里的“楊志賣刀”。

我們今天要提的“寶刀”，削鐵斷金，卻與個人豪情壯志無關，展現(xiàn)的是現(xiàn)代工業(yè)中的機械魅力，它叫“數(shù)控刀具”（刀具）。

數(shù)控刀具：是機械制造中用于切削加工的工具，又稱切削工具。廣義的切削工具既包括刀具，還包括磨具；同時“數(shù)控刀具”除切削用的刀片外，還包括刀桿和刀柄等附件。

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切削動作的必然性決定了數(shù)控刀具在機械制造中的絕對地位，就好比吃飯時筷子對于國人的意義。唯一不同的是，一雙用了20年的筷子也許還是好筷子，一把削了半天的刀，刃口已經(jīng)殘缺不全了。

原因是，在切削過程中，加工件材料從變形到以切屑形式被切下來，需要大量的力，刀具會承受多種物理和化學負荷。一段時間后，這些負荷最終會導致刀具由于磨損過于嚴重而損壞。同時，制造過程的復雜性和多樣性, 使得刀具的使用壽命呈“很任性”的離散式分布。

一言不合就罷工的特性（非正常斷刃）+高貴的血統(tǒng)（刀具成本略高）+死后放大招（斷刃后對正在加工零件良品率的影響）=混世魔王刀，用不得當便會使生產(chǎn)商面臨巨大的成本挑戰(zhàn)，腦殼很痛。于是在想方設法延長刀具使用壽命的同時，加強對刀具壽命的監(jiān)控不失為制造商壓縮成本的良策。

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“人肉探測”監(jiān)控術

就像結(jié)繩是早期的計數(shù)方法一樣，早期的刀具監(jiān)控靠的也是更依賴人力的一種形式。上面講到，加工過程中刀具狀態(tài)會發(fā)生變化，隨著刀具壽命的縮減，人們會提前看到征兆，切削力增加、切削溫度升高 、工件表面粗糖度上升 、工件尺寸超出公差 、切屑顏色變化以及切削顫振的產(chǎn)生 。這時，“預感力”極強，經(jīng)驗豐富的加工人員就可以通過辨別切削顏色和加工過程中的噪聲等來判斷 ，（ 當然也可以停機把刀直接拆下來檢測）? 這些方法和加工人員的經(jīng)驗緊密相關 ，無論從效率還是正確率角度出發(fā)都有所詬病，同時它還不適合自動化 、無人化加工，嚴重脫軌《中國制造2025》 。

“掐指一算”監(jiān)控術

數(shù)學總是能夠在必要時刻為一籌莫展的時代帶來轉(zhuǎn)機，隨后很長一段時間，在刀具壽命的監(jiān)控上，科學家和工程師們建立和測試了數(shù)學模型并考慮到刀具所受到的力，以估算預期的刀具壽命，將此作為預算、規(guī)劃的參考依據(jù)，在預估值的80-90%時進行刀具更換。在機械加工專業(yè)理論學科內(nèi)，通常用泰勒（F.W.Taylor）公式來表示刀具耐用度（T）與線速度(V)之間的關系，再將工件材料、刀具材料、切削條件作為不同系數(shù)和指數(shù)來計算最后結(jié)果。當然在實際的運用中也會完善成更“接地氣”的估算方式。這種估算，也體現(xiàn)在我們的日常生活中，就像平均壽命為75歲的我們，將55歲限定為法定退休年齡，勞逸結(jié)合?？上н@種看似有張有弛的制度對于制造商來說并非盡善盡美。

由于機床設計和刀具性能技術的突破，近幾年，在加工生產(chǎn)效率方面已經(jīng)看到了巨大的提高。盡管機床和刀具的生產(chǎn)效率相對從前已經(jīng)翻了幾番，但它們的損耗成本也明顯提高。

為了盡可能提高這些高成本刀具的回報，制造商需要優(yōu)化工藝，以便讓每把刀都能夠物盡其用，完成更多的加工件。但更實際的是，他們必須以高得多的緊固控制工藝，避免折斷這些昂貴的刀具。這種憑借工人經(jīng)驗和刀具壽命估算指南已經(jīng)不再足夠有效。

“點刀成精”監(jiān)控術

這些傳統(tǒng)方法采用保守額安全余量，對新一代刀具的生產(chǎn)效率潛力帶來負面影響，這樣就導致產(chǎn)生不必要的刀具更換停機時間、高額刀具維護成本以及因停機所導致耽誤加工零件的生產(chǎn)效率損失。

理想化的解決方案自然是每把工作到臨界值的刀都會幻化成“小人精”并沖你大喊一聲“老子干不動了，快把老子換下來”。然而基于建國后不能成精的規(guī)定，這個方法顯然是不行的，于是就誕生了大數(shù)據(jù)時代下的產(chǎn)物，一種“精密的實時監(jiān)測系統(tǒng)”，利用人工智能以及大數(shù)據(jù)技術，通過采集、分析制造過程中產(chǎn)生的各種模擬信號檢測和跟蹤刀具磨損狀況，實現(xiàn)刀具崩刃臨界點的判定并進行預警，減少因刀具崩刃導致的次品率增高，同時通過對刀具磨損信號的分析，監(jiān)測并預判刀具壽命，降低刀具消耗成本。

這種“你不能直接告訴我，那就間接告訴我”的監(jiān)控方法，目前市面上分為這么幾種類型，以切削力監(jiān)測、主軸電流信號監(jiān)測、聲發(fā)射信號監(jiān)測為主的主流方法以及以震動、切削溫度、表面光潔度信號監(jiān)測等為主的偏方。

切削力監(jiān)測原理：切削力信號作為加工過程中最穩(wěn)定和最可靠的信號 ，和刀具磨損和破損密切相關 。隨著刀具的磨損 ，刀具與工件之間的摩擦力將會增加 ，切削力會隨之而增加。

聲發(fā)射信號監(jiān)測原理：聲發(fā)射是一種物理現(xiàn)象 ，是指固體材料在變形、破裂時迅速釋放應變能而產(chǎn)生的一種彈性應力波。聲發(fā)射作為加工過程中的基本物理現(xiàn)象 、與刀具材料 、工件材料 、刀具參數(shù) 、工件參數(shù)等密切相關 。

主軸電流信號監(jiān)測原理：刀具磨損時，切削力增大，造成的切削功率和扭矩增加，使得機床電流增大，同時在刀具破損時切削電流會發(fā)生急劇變化，便于觀察損毀臨界點。

作為應用價值較高的三種方法，卻仍有利弊。切削力監(jiān)測法靈敏度高 ，但如果用于在線監(jiān)測 ，就需要拆解機床，增加測力系統(tǒng)，而改造后的機床很有可能產(chǎn)生術后“后遺癥”，不僅拆機成本高且對后面的加工也會造成不必要的影響；聲發(fā)射信號監(jiān)測，對刀具磨損敏感度高，信息量豐富，但是聲發(fā)信號從產(chǎn)生到衰減時間短暫，僅有幾個毫秒，并不易察覺，以及從目前來看人們對不同信號源所產(chǎn)生的聲發(fā)信號辨識度較低；主軸電流信號監(jiān)測法方便易于實施，能實現(xiàn)自適應加工，成本低還不破壞機床本體，然而在面對特別小的刀具破損監(jiān)測時，經(jīng)常毫無招架之力。這也表明，在工業(yè)大數(shù)據(jù)和智能制造的大道上，我們還有很長的路要走。

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就目前的主流市場而言，大部分的制造商還處于“掐指一算”的階段，筆者主觀認為，一部份原因在于機床設備還未完全實現(xiàn)自動化，以輕重緩急來分刀具壽命的管理也許還在未來規(guī)劃中的某處，另一部分，大數(shù)據(jù)主導下的刀具壽命管理仍是猶抱琵琶，還未完全走進人們的視野。

最后，“工欲善其事，必先利其器"，刀具壽命管理并不是一種純學術追求，它的價值是不容否定的，它可以幫助制造商提高生產(chǎn)率和控制成本。制造業(yè)重點考慮的是需要花費多少時間和成本才能生產(chǎn)出特定數(shù)量的合格工件。了解在需要更換刀具之前刀具能夠準確、高效地切削多長時間非常重要。工藝可靠性以及對刀具成本和停機時間進行的控制取決于是否能夠準確地預測刀具壽命。切削刀具壽命管理的進一步發(fā)展能夠幫助制造商精密調(diào)整自己的工藝并實現(xiàn)自己的生產(chǎn)目標。