金刚石刀具切削硬脆材料时切削力与刀具振动的关系
k' d( l+ ]6 `$ |0 p" u二、试验结果及分析+ o8 G6 i, [1 P; Z
1．刀具振动信号的对比分析
" Y ~3 p4 `& f8 ]; H: ?& x 切削花岗岩、铸铁和钢三种材料时刀具振动时域、频域信号的对比如图2所示，在时域内与刀具振动信号相对应的切削力信号如图3所示。 （a）花岗岩 （b）铸铁 （c）钢 9 `2 }. S% I% K/ @1 g5 R# v/ ^) k
切削条件：v＝50m／min，f＝0．3mm／r，ap＝1．0mm 0 v$ f5 l4 o8 J8 ^
时域单位：1／1000秒 频域单位：Hz 4 o% X E( R* ` M$ k
图2 切削不同材料时刀具振动时域、频域信号对比 （a）花岗岩 （b）铸铁 （c）钢
/ l% L- {, [1 i' E3 M, N. o切削条件：v＝50m／min，f＝0．3mm／r，ap＝1．0mm ' r4 F5 V3 j3 K
时域单位：1／1000秒 频域单位：Hz # p# e! Z1 h' A* A# d# N
图3 切削不同材料时切削力时域、频域信号对比 由图2可知，切削花岗岩和铸铁时刀具振动信号频谱的低频成分较为复杂，而切削钢时刀具振动信号频谱的低频成分单一。这表明切削花岗岩和铸铁时刀 具所受低频振动的干扰比切削钢时更为复杂，切削平稳性较差，在一定程度上会使切削幅值发生波动，这一点在图3所示三种材料的切削力对比中也得到了证实。在 图3中，塑性材料钢的切削力在整体上虽有波动，但切削力信号非常集中，分散性很小；而硬脆材料花岗岩和半脆半塑性材料铸铁的切削力信号则出现了许多小尖 峰，分散性很大。这说明材料本身的性质对切削力的波动有一定影响［3］。此外，由图2可看出，切削花岗岩和铸铁时刀具振动信号呈多 峰频谱，而切削钢时则为单峰频谱，这与图3所示切削力频谱主峰情况相一致。由此可见，工件材料性质不同，切削中的切削力信号和刀具振动信号的频谱就会有不 同的分布规律，材料的性质（如脆性或塑性等）是导致硬脆材料切削力波动的一个因素。 [+ w* g1 l- w( J
2．振动信号与切削力信号的相关分析
# z# l8 J. o- H3 f1 k 花岗岩、陶瓷和钢三种材料的切削力信号与振动信号的相关对比如图4所示。( Z" q" m, i3 p3 }- k. h( K8 |0 o
轴向切削力Fx 径向切削力Fy 切向切削力Fz ! I' L/ L/ ~/ U7 J
（a）花岗岩切削力信号与振动信号的相关图 轴向切削力Fx 径向切削力Fy 切向切削力Fz / ?* u/ H/ P0 P6 O* s2 k: U
（b）陶瓷切削力信号与振动信号的相关图 轴向切削力Fx 径向切削力Fy 切向切削力Fz ' h. P. k0 q& F8 M" F5 Y
（c）钢切削力信号与振动信号的相关图
% m( D$ P: `* \图4 切削不同材料时切削力信号与振动信号的相关图 由图4可知，工件材料的性质不同，切削力信号与振动信号的相关性也明显不同。图4c表明，钢的三向切削力信号与其振动信号之间的相关性都高度一 致，且相关信号的周期性特别显著。相比之下，花岗岩和陶瓷相关信号的分散性较大，周期性也不明显。花岗岩的三向切削力中，轴向切削力和径向切削力信号与其 振动信号的相关性比切向切削力信号与振动信号的相关性强。陶瓷的径向切削力信号与振动信号的相关信号周期性较其它两向切削力更明显一些。 . M+ U3 f* d- Q
以上相关分析表明，钢的切削力波动主要来自切削过程中的刀具振动；而花岗岩、陶瓷等硬脆材料的切削力波动则受工件材料性质、刀具振动等多种因素的影响。另外，硬脆材料的径向切削力对振动的敏感性要大于其它两向切削力。6 e. w4 p/ \/ H- y' y6 n
三、结 论6 B! P* H3 M" p; _4 D& T V# S) ~1 a
（1）切削不同工件材料时，切削力信号时域波形和频域频谱具有不同特征：时域内硬脆材料的切削力波动大，而钢等塑性材料的切削力波动小；频域内硬脆材料的切削力频谱呈多主峰，而钢则为单主峰。 8 E: E3 U& M$ h. j
（2）塑性材料的切削力信号与振动信号相关性很强，且三向切削力信号与振动信号的相关性非常一致，周期性显著；硬脆材料的切削力信号与振动信号相关性不明显，且三向切削力中径向切削力对振动信号最敏感。 | 
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发表于 2008-10-5 16:34:56
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