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金刚石刀具切削硬脆材料时切削力与刀具振动的关系2 J! q3 Y7 `2 u: S/ i0 ~) W9 c2 [
摘 要：通过用金刚石刀具对花岗岩、陶瓷、铸铁和钢等不同材料进行切削对比试验，对切削力信号和刀具振动信号的变化关系进行了相关分析。结果表明：材料性质不同，相关信号的周期性明显不同，切削力信号频谱的主峰分布也有所不同。 $ E6 \( }% ?: w, ^) ~ f* K. T
关键词：硬脆材料 切削力 刀具振动 相关信号3 _) w- B! P$ O% ]
Relationship Between Cutting Force and Cutter’s Vibration in Cuttings of Hard ＆ Brittle Materials Using Diamond Cutters Li Yuhe et al Abstract：Based on the correlation tests of cutting different materials such as granite，ceramics，cast-iron and steel by using diamond cutters，the varying relationship between cutting force signals and cutter’s vibration signals is correlatively analyzed．The results show that the periodicity of correlation signals and the distribution of main peaks in the cutting force spectrum are different as the change of characteristics of materials． 0 F( r% ^# f- e+ W9 Z
Keywords：hard ＆ brittle material cutting force cutter’s vibration correlation signal; T% H, N7 V! {; b, Y
切削振动是切削加工中一种不可避免的现象。目前人们对金属切削中刀具及机床系统的振动规律已进行了较深入的研究，但对花岗岩、陶瓷等硬脆材料切削加工中的振动问题研究还不多［1］。本文通过对金刚石刀具切削硬脆材料时刀具振动情况的系统分析，探讨刀具振动对硬脆材料切削力变化的影响规律。
% Y/ x$ s# q1 u3 [( l. e一、试验条件及方法
! p }( J/ L; q } 1．试验条件
5 B Z: T" I7 [, a: z4 b/ n) j 切削对比试验所选工件材料为花岗岩、陶瓷、铸铁和钢， 材料的机械物理性能指标如表1～表3所示。其中钢选用45钢，淬火硬度为55。试验用刀具采用美国通用电气公司生产的PCD-1500系列复合片制成的聚 晶金刚石刀具，其几何参数及机械物理性能如表4、表5所示。切削试验在CA6140普通 车床上进行。采用KISTER三向压电测力仪测量切削力，用PCL-81数据采集板采集切削力信号。采用大连理工大学振动研究所研制的PDW2000型数据采集分析仪测量并记录切削过程中的刀具振动信号。切削力测量采集系统示意图如图1所示。 表1 花岗岩机械物理性能指标* | 材料 | 普容重
4 \; s. I/ G3 d（kN／m3） | 平均硬度
' {) v& f3 @2 g" p' ?（HSD） | 抗压强度
( l* i, h- D! e8 ~) l dRe（MPa） | 抗拉强度
9 B# V; h& H) n- E& mRt（MPa） | 抗折强度 * E0 P5 c/ c4 l' V, o2 l, I
Rf（MPa） | | 花岗岩 | 26.2 | 10 | 120.5 | 5.51 | 19.03 |
# v3 d# p5 H2 D* k8 n
*表中数据由大连理工大学岩石试验室鉴定 表2 氮化硅陶瓷机械物理性能指标*
: e- a, H4 F- z% {: ~1 l: O| 材料 | 密度 6 n8 ~7 r+ U* X g6 f5 s
（g／cm3） | 硬度（HV） | 抗弯强度
1 M4 ]; ~' N/ F5 b. A) T8 {- i（kg／mm2） | 破坏韧性 x! ]$ e8 C- h4 N0 b
（MN／m3／2） | 抗压强度 1 s+ u' A; [% r1 b3 k$ V
（kg／mm2） | 纵弹性率
9 B: c9 t7 Q0 K; f9 p0 ]1 |（×104kg／mm2） | | 25℃ | 1000℃ | | Si3N4陶瓷 | 3.27 | 1600 | 1100 | 95 | 7 | 420 | 3 |
*陶瓷机械物理性能指标由大连耐酸泵厂提供 表3 铸铁机械物理性能指标 |
( C u+ H! z5 v8 ^( A! v$ j- w| 材料 | 状态 | 抗拉强度
) e/ [) e3 T. ?# T（MN／m2） | 延伸率 : U, O" l `! ?+ l7 K! M& v
（％） | 断裂强度 & w% U% o9 k" ~# x3 |
（J／cm2） | 硬度 . W& o2 U+ v2 D& _
（HB） | 金属基强度
% H' T& q8 ~, K0 E; c利用率（％） | | 铸铁 | 铸态 | 100～200 | 0～0．3 | 0～3 | 145～250 | 30～50 |
. S: I7 x& u0 O, C5 l1 \/ R7 a前角 , e3 m$ ~; P2 p% b) m
γ0 | 后角
7 V, m3 M- H0 Q; u U$ @2 ?α0 | 副后角
2 r x$ \+ C8 E$ C5 _* gα′0 | 主偏角 6 ], z$ u' Y$ B8 [! s. b# l$ W
κr | 副偏角
% t& S. z( r; Hκ′r | 刃倾角 ( |4 ^: k% e2 c* ]6 {7 I
λs | 刀尖圆弧半
# d$ t; E# {- v$ _' g) b! t径re（mm） | 负倒棱宽度
0 N9 Q8 c& f7 B) p8 Abr（mm） | | 0° | 9° | 9° | 50° | 50° | －10° | 1 | 0．5 |
! z0 a0 Z6 P' U4 \; I
| 材料 | 硬度
- t/ I3 d* l A+ ]（HK） | 导热系数
0 j- `1 g% S5 A6 ~# `$ x( p$ w5 y. E+ C（×10－6／F） | 抗弯强度
& q3 m# `2 r" d（MPa） | 弹性模量
, o* {! j% X/ f& w- l（GPa） | 抗压强度 * X1 K* i* p/ {8 z& J
（MPa） | 热膨胀系数 4 l# r+ J I3 t1 Z
（W／m.k） | | PCD－1500 | 6500～8000 | 3～3．6 | 2800 | 560 | 4200 | 100～109 |
图1 切削力测量采集系统示意图 2．试验方法 0 X. C# n+ \7 r" m( U5 i# c0 V% m$ b
为了提高试验数据的可靠性，在数据采集板采集切削力信号的同时，利用TEAC磁带记录仪记录切削力模拟信号，并用ST16型示波器对切削力信号进行实时监测。利用切削力数字信号处理软件分别在时域和频域内对硬脆材料切削力信号和刀具振动信号进行数据分析处理［2］。 | 
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发表于 2008-10-5 16:34:56
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