切削振動(dòng)是切削加工中一種不可避免的現(xiàn)象。目前人們對(duì)金屬切削中刀具及機(jī)床系統(tǒng)的振動(dòng)規(guī)律已進(jìn)行了較深入的研究，但對(duì)花崗巖、陶瓷等硬脆材料切削加工中的振動(dòng)問(wèn)題研究還不多［1］。本文通過(guò)對(duì)金剛石刀具切削硬脆材料時(shí)刀具振動(dòng)情況的系統(tǒng)分析，探討刀具振動(dòng)對(duì)硬脆材料切削力變化的影響規(guī)律。
一、試驗(yàn)條件及方法
1．試驗(yàn)條件
切削對(duì)比試驗(yàn)所選工件材料為花崗巖、陶瓷、鑄鐵和鋼，材料的機(jī)械物理性能指標(biāo)如表1～表3所示。其中鋼選用45鋼，淬火硬度為55。試驗(yàn)用刀具采用美國(guó)通用電氣公司生產(chǎn)的PCD-1500系列復(fù)合片制成的聚晶金剛石刀具，其幾何參數(shù)及機(jī)械物理性能如表4、表5所示。切削試驗(yàn)在CA6140普通車床上進(jìn)行。采用KISTER三向壓電測(cè)力儀測(cè)量切削力，用PCL-81數(shù)據(jù)采集板采集切削力信號(hào)。采用大連理工大學(xué)振動(dòng)研究所研制的PDW2000型數(shù)據(jù)采集分析儀測(cè)量并記錄切削過(guò)程中的刀具振動(dòng)信號(hào)。切削力測(cè)量采集系統(tǒng)示意圖如圖1所示。
表1 花崗巖機(jī)械物理性能指標(biāo)*
| 材料 |
普容重
（kN／m3） |
平均硬度
（HSD） |
抗壓強(qiáng)度
Re（MPa） |
抗拉強(qiáng)度
Rt（MPa） |
抗折強(qiáng)度
Rf（MPa） |
| 花崗巖 |
26.2 |
10 |
120.5 |
5.51 |
19.03 |
|
*表中數(shù)據(jù)由大連理工大學(xué)巖石試驗(yàn)室鑒定
表2 氮化硅陶瓷機(jī)械物理性能指標(biāo)* |
| 材料 |
密度
（g／cm3） |
硬度（HV） |
抗彎強(qiáng)度
（kg／mm2） |
破壞韌性
（MN／m3／2） |
抗壓強(qiáng)度
（kg／mm2） |
縱彈性率
（×104kg／mm2） |
| 25℃ |
1000℃ |
| Si3N4陶瓷 |
3.27 |
1600 |
1100 |
95 |
7 |
420 |
3 |
|
*陶瓷機(jī)械物理性能指標(biāo)由大連耐酸泵廠提供
表3 鑄鐵機(jī)械物理性能指標(biāo) |
| 材料 |
狀態(tài) |
抗拉強(qiáng)度
（MN／m2） |
延伸率
（％） |
斷裂強(qiáng)度
（J／cm2） |
硬度
（HB） |
金屬基強(qiáng)度
利用率（％） |
| 鑄鐵 |
鑄態(tài) |
100～200 |
0～0．3 |
0～3 |
145～250 |
30～50 |
前角
γ0 |
后角
α0 |
副后角
α′0 |
主偏角
κr |
副偏角
κ′r |
刃傾角
λs |
刀尖圓弧半
徑re（mm） |
負(fù)倒棱寬度
br（mm） |
| 0° |
9° |
9° |
50° |
50° |
－10° |
1 |
0．5 |
|
表5 PCD刀具材料的機(jī)械物理性能指標(biāo) |
| 材料 |
硬度
（HK） |
導(dǎo)熱系數(shù)
（×10－6／F） |
抗彎強(qiáng)度
（MPa） |
彈性模量
（GPa） |
抗壓強(qiáng)度
（MPa） |
熱膨脹系數(shù)
（W／m.k） |
| PCD－1500 |
6500～8000 |
3～3．6 |
2800 |
560 |
4200 |
100～109 |
圖1 切削力測(cè)量采集系統(tǒng)示意圖
2．試驗(yàn)方法
為了提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，在數(shù)據(jù)采集板采集切削力信號(hào)的同時(shí)，利用TEAC磁帶記錄儀記錄切削力模擬信號(hào)，并用ST16型示波器對(duì)切削力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用切削力數(shù)字信號(hào)處理軟件分別在時(shí)域和頻域內(nèi)對(duì)硬脆材料切削力信號(hào)和刀具振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理［2］。
二、試驗(yàn)結(jié)果及分析
1．刀具振動(dòng)信號(hào)的對(duì)比分析
切削花崗巖、鑄鐵和鋼三種材料時(shí)刀具振動(dòng)時(shí)域、頻域信號(hào)的對(duì)比如圖2所示，在時(shí)域內(nèi)與刀具振動(dòng)信號(hào)相對(duì)應(yīng)的切削力信號(hào)如圖3所示。
（a）花崗巖
（b）鑄鐵
（c）鋼
切削條件：v＝50m／min，f＝0．3mm／r，ap＝1．0mm
時(shí)域單位：1／1000秒 頻域單位：Hz
圖2 切削不同材料時(shí)刀具振動(dòng)時(shí)域、頻域信號(hào)對(duì)比
（a）花崗巖
（b）鑄鐵
（c）鋼
切削條件：v＝50m／min，f＝0．3mm／r，ap＝1．0mm
時(shí)域單位：1／1000秒 頻域單位：Hz
圖3 切削不同材料時(shí)切削力時(shí)域、頻域信號(hào)對(duì)比
由圖2可知，切削花崗巖和鑄鐵時(shí)刀具振動(dòng)信號(hào)頻譜的低頻成分較為復(fù)雜，而切削鋼時(shí)刀具振動(dòng)信號(hào)頻譜的低頻成分單一。這表明切削花崗巖和鑄鐵時(shí)刀具所受低頻振動(dòng)的干擾比切削鋼時(shí)更為復(fù)雜，切削平穩(wěn)性較差，在一定程度上會(huì)使切削幅值發(fā)生波動(dòng)，這一點(diǎn)在圖3所示三種材料的切削力對(duì)比中也得到了證實(shí)。在圖3中，塑性材料鋼的切削力在整體上雖有波動(dòng)，但切削力信號(hào)非常集中，分散性很小；而硬脆材料花崗巖和半脆半塑性材料鑄鐵的切削力信號(hào)則出現(xiàn)了許多小尖峰，分散性很大。這說(shuō)明材料本身的性質(zhì)對(duì)切削力的波動(dòng)有一定影響［3］。此外，由圖2可看出，切削花崗巖和鑄鐵時(shí)刀具振動(dòng)信號(hào)呈多峰頻譜，而切削鋼時(shí)則為單峰頻譜，這與圖3所示切削力頻譜主峰情況相一致。由此可見(jiàn)，工件材料性質(zhì)不同，切削中的切削力信號(hào)和刀具振動(dòng)信號(hào)的頻譜就會(huì)有不同的分布規(guī)律，材料的性質(zhì)（如脆性或塑性等）是導(dǎo)致硬脆材料切削力波動(dòng)的一個(gè)因素。
2．振動(dòng)信號(hào)與切削力信號(hào)的相關(guān)分析
花崗巖、陶瓷和鋼三種材料的切削力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)對(duì)比如圖4所示。
軸向切削力Fx 徑向切削力Fy 切向切削力Fz
（a）花崗巖切削力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)圖
軸向切削力Fx 徑向切削力Fy 切向切削力Fz
（b）陶瓷切削力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)圖
軸向切削力Fx 徑向切削力Fy 切向切削力Fz
（c）鋼切削力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)圖
圖4 切削不同材料時(shí)切削力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)圖
由圖4可知，工件材料的性質(zhì)不同，切削力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性也明顯不同。圖4c表明，鋼的三向切削力信號(hào)與其振動(dòng)信號(hào)之間的相關(guān)性都高度一致，且相關(guān)信號(hào)的周期性特別顯著。相比之下，花崗巖和陶瓷相關(guān)信號(hào)的分散性較大，周期性也不明顯�；◢弾r的三向切削力中，軸向切削力和徑向切削力信號(hào)與其振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性比切向切削力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性強(qiáng)。陶瓷的徑向切削力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)信號(hào)周期性較其它兩向切削力更明顯一些。
以上相關(guān)分析表明，鋼的切削力波動(dòng)主要來(lái)自切削過(guò)程中的刀具振動(dòng)；而花崗巖、陶瓷等硬脆材料的切削力波動(dòng)則受工件材料性質(zhì)、刀具振動(dòng)等多種因素的影響。另外，硬脆材料的徑向切削力對(duì)振動(dòng)的敏感性要大于其它兩向切削力。
三、結(jié) 論
（1）切削不同工件材料時(shí)，切削力信號(hào)時(shí)域波形和頻域頻譜具有不同特征：時(shí)域內(nèi)硬脆材料的切削力波動(dòng)大，而鋼等塑性材料的切削力波動(dòng)��；頻域內(nèi)硬脆材料的切削力頻譜呈多主峰，而鋼則為單主峰。
（2）塑性材料的切削力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)相關(guān)性很強(qiáng)，且三向切削力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性非常一致，周期性顯著；硬脆材料的切削力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)相關(guān)性不明顯，且三向切削力中徑向切削力對(duì)振動(dòng)信號(hào)最敏感。
