能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员研发出一套刀具状态监测系统，可在机械加工过程中检测切削工具的磨损情况。通过在机床上直接获取反馈，该系统帮助制造企业避免刀具过早报废，减少非计划停机时间。
切削刀具的状态直接关系到机械加工的生产效率和零件质量。机械加工依靠精确去除材料来获得目标形状，对刀具性能高度敏感。随着加工时间推移，刀具不可避免地逐渐磨损，导致工艺不稳定，零件质量下降，甚至出现刀具突然失效的风险。
为规避这些问题，制造商往往选择提前更换刀具。虽然能降低失效风险，但也意味着刀具未被充分利用，换刀频率增加，整体生产成本上升。
现有的刀具磨损监测方法常受传感器噪声不可预测、成像条件不稳定等因素影响，检测效果有限。针对这些挑战，ORNL 团队开发了一种新型监测系统，可快速且高精度地量化刀具磨损情况。相关研究成果已发表在期刊《Wear》上。
ORNL 项目负责人 Ritin Mathews 表示：“这一创新弥合了工厂车间中准确感测与决策之间的鸿沟。它为制造商提供清晰的刀具健康信息，使他们能够更有把握地规划生产并提升整体效率。”
触觉传感带来机床环境下稳定的磨损检测
这套监测系统的核心是一种柔性触觉传感器。传感器通过轻压刀具切削刃来获取其精细轮廓和表面特征图像。由于传感器可以贴合刀具几何形状，它能够记录切削刃上的微小细节变化。
随后，先进的计算机算法对这些图像进行实时分析，识别出哪怕是非常轻微的磨损或损伤迹象。基于这些信息，制造商可以在更合适的时间点安排刀具更换，实现在安全裕度与刀具利用率之间的平衡。借此，系统减少了对经验估算等传统方法的依赖，以更经济高效的方式提升加工性能和产品可靠性。
“通过集成这种触觉传感器，制造商可以降低因刀具失效导致的生产中断，并减少与纠正性维护相关的人工成本。”Mathews 补充道。
这一提升制造效率的技术同样为高价值零件的生产提供了降本途径。此类零件通常采用价格昂贵且难以加工的材料，如钛合金和镍基高温合金，对刀具状态监测的精度和可靠性要求更高。
与传统刀具状态监测方案相比，该方法在磨损检测方面具有多重优势：
- 传感速度快，仅需数秒即可完成一次测量，适合自动化生产线上的实时或近实时监控；
- 检测准确率可达 98%，结果稳定，不受环境光照变化影响；
- 传感器成本相对较低，结构简单，便于集成到现有机床和制造流程中。
ORNL 先进机械加工与机床研究组组长 Chris Tyler 表示：“该系统能够对刀具磨损进程进行主动分析，使制造商在潜在问题影响关键零件加工之前就能及时识别并采取措施。”
参与该项目的其他 ORNL 研究人员包括 Greg Corson、Josh Harbin 和 Scott Smith。
