BW HSS And Carbide Cutting Too: 2008年10月2日

2008年10月2日星期四

金刚石刀具切削硬脆材料时切削力与刀具振动的关系www.tool-tool.com

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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。
　　关键词：硬脆材料　切削力　刀具振动　相关信号

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．
　　Keywords：hard ＆ brittle material　cutting force　cutter’s vibration　correlation signal

　　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。

一、试验条件及方法

　　1．试验条件
　　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（kN／m³）	平均硬度（HSD）	抗压强度 R_e（MPa）	抗拉强度 R_t（MPa）	抗折强度 R_f（MPa）
花岗岩	26.2	10	120.5	5.51	19.03

*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^*

材料	密度（g／cm³）	硬度（HV）		抗弯强度（kg／mm²）	破坏韧性（MN／m³^／2）	抗压强度（kg／mm²）	纵弹性率（×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

材料	状态	抗拉强度（MN／m²）	延伸率（％）	断裂强度（J／cm²）	硬度（HB）	金属基强度利用率（％）
铸铁	铸态	100～200	0～0．3	0～3	145～250	30～50

表4　PCD刀具几何参数

前角 γ₀	后角 α₀	副后角 α′₀	主偏角 κ_r	副偏角 κ′_r	刃倾角 λ_s	刀尖圆弧半径r_e（mm）	负倒棱宽度 b_r（mm）
0°	9°	9°	50°	50°	－10°	1	0．5

表5　PCD刀具材料的机械物理性能指标

材料	硬度（HK）	导热系数（×10^－6／F）	抗弯强度（MPa）	弹性模量（GPa）	抗压强度（MPa）	热膨胀系数（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
　　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］。

二、试验结果及分析

　　1．刀具振动信号的对比分析
　　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
切削条件：v＝50m／min，f＝0．3mm／r，a_p＝1．0mm
时域单位：1／1000秒　频域单位：Hz
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
切削条件：v＝50m／min，f＝0．3mm／r，a_p＝1．0mm
时域单位：1／1000秒　频域单位：Hz
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。

　　2．振动信号与切削力信号的相关分析
　　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。

轴向切削力F_x　　　　　　　径向切削力F_y　　　　　　　切向切削力F_z
（a）花岗岩切削力信号与振动信号的相关图

轴向切削力F_x　　　　　　径向切削力F_y　　　　　　切向切削力F_z
（b）陶瓷切削力信号与振动信号的相关图

轴向切削力F_x　　　　　　径向切削力F_y　　　　　　切向切削力F_z
（c）钢切削力信号与振动信号的相关图
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。
　　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。

三、结　论

　　（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。
　　（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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单晶金刚石刀具的选料与定向www.tool-tool.com

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　1 金刚石刀具的研磨方法

　　单晶金刚石刀具的制造工序一般包括选料、定向、锯割、开坯、装卡、粗磨、精磨和检验。将选定的金刚石原石经定向后沿最大平面锯割开，可得到两把刀具的坯料，这样既能提高金刚石材料的利用率，又可减少总研磨量。通过开坯可使刀具形状达到装卡(镶嵌或钎焊)要求。开坯和粗、精磨加工均采用研磨的方法。

　　金刚石的研磨加工在铸铁研磨盘上进行。研磨盘的直径约为300mm，由材料组织中孔隙的形状、大小和比例均经过优化的研磨金刚石专用高磷铸铁制成。研磨盘的表面镶嵌有金刚石研磨粉，其颗粒尺寸可从小于 1µm直到40µm。粗颗粒的金刚石粉具有较高的研磨速率，但研磨质量较差，因此粗磨时一般采用粗粉，而精磨时则采用尺寸小于1µm的细粉。研磨前，首先将金刚石粉与橄榄油或其它类似物质混合成研磨膏，然后涂敷在研磨盘表面，放置一段时间使研磨膏充分渗入研磨盘的铸铁孔隙中，再用一较大的金刚石在研磨盘表面进行来回预研磨，以进一步强化金刚石粉在铸铁孔隙中的镶嵌作用。研磨时，一般将被研磨的金刚石包埋在锡斗中，只露出需研磨的面。研磨时的研磨盘转速约为 2500r/min，研磨压力约为1kg/mm2。
金刚石的研磨与其它刀具材料的加工有很大区别，其研磨机理至今尚未得到令人信服的阐释，影响研磨质量的因素也是多方面的。下面就金刚石刀具研磨的一些工艺问题进行讨论。

　　2 磨削量的影响因素

　　通过实验发现，磨削量与研磨条件的关系为
　　V=kvp
　　式中　V——研磨体积
　　k——磨削率
　　v——磨削速度
　　p——研磨压力

　　此外，金刚石的磨向、磨料的粒度、磨粒在铸铁孔隙中的镶嵌状况等因素也会改变磨削率的大小，从而影响磨削量。

　　3 研磨质量的影响因素

　　金刚石硬度高、脆性大，研磨时虽然刀具表面粗糙度较易保证，但刀刃容易出现崩口，刀刃锯齿度不易降低。超精密加工要求刀具刃口在500倍显微镜下观察无崩口，因此需要从各方面优化研磨过程，以获得平直完美的刀刃。

　　研磨粉粒度和研磨盘表面状态对研磨质量的影响

　　可以看出，由于粗粉对刀刃的冲击性较大，研磨后刀刃锯齿度也较大，基本上难以研磨出无崩口的刀刃；而采用细粉时，经过几分钟的研磨后刀刃即变得平直，锯齿度趋向于零。

　　新制造的研磨盘因加工精度的限制，其盘面不平度较大，对于研磨的稳定性有一定影响。此外，刚涂敷在盘面上的磨粒本身的等高性也较差。经过一段时间的研磨后，盘面上的高点被研平，磨粒中的较大颗粒也被打碎或铲离盘面，从而使磨粒的等高性得到改善，刀刃锯齿度稳定减小。所以对于金刚石刀具的开刃或精磨等关键工序，必须在稳定的研磨盘盘面上进行。

　　由于研磨过程中磨粒会被不断打碎或损失，若不及时加以补充，将导致因盘面磨粒密度不够而使金刚石直接与铸铁接触，不但会影响刀具研磨质量，还会因金刚石的挤刮作用破坏或堵塞盘面上的孔隙，从而降低研磨盘的使用寿命。因此，在研磨过程中需要经常向盘面添加新的研磨膏。

　　此外，在涂粉之前对研磨盘盘面的预处理也至关重要，一般需用油石或较粗的SiC研磨粉对盘面进行推磨，以去除车削沟纹，提高盘面的平整性。通过用各种油石和SiC粉研磨盘面的比较试验，发现用TL280ZY1油石推磨盘面1小时后再涂以W1细金刚石粉，可获得最理想的研磨盘面，此时盘面达到稳定的时间最短，研磨后的刀刃锯齿度最小。而采用游离的SiC研磨粉则容易堵塞盘面上的孔隙，使金刚石粉难以大量而牢固地镶嵌于研磨盘上。

　　刃磨角对研磨质量的影响

　　刃磨角q是研磨的线速度方向与刀刃的夹角。当q>0°时，研磨方向从刀体指向刀刃，称为顺磨；当q<0°时，研磨方向从刀刃指向刀体，称为逆磨。图2所示为刀刃锯齿度与刃磨角的关系。由于金刚石的抗拉强度极高，顺磨时，刀刃承受拉应力，因此磨后锯齿度较小；逆磨时，刀刃承受压应力，因此磨后锯齿度较大。从图2可看出，当q大于且接近于0°时刀刃可获得最小的锯齿度，此时刃口处的应力方向与刀刃基本平行,而刀刃在此方向上有最高的抗拉应力强度。平行于刀刃研磨的另一个好处是刀面的磨痕也与刀刃平行，在切削加工中不会复映到已加工表面，有助于提高切削加工质量。

　　盘面端跳和机床振动对研磨质量的影响

　　研磨盘面的端跳和机床的振动会引起研磨时盘面对刀刃的冲击，从而破坏刀刃的平直性，其中尤以盘面端跳的影响更为直接，这是因为由端跳引起的冲击方向垂直于盘面。图3和图4分别为刀刃锯齿度与盘面端跳和机床振动的关系。从图中可见，盘面端跳和机床振动对刀刃锯齿度的影响都分别存在一个临界值，当小于临界值时，刀刃锯齿度趋向于零；而当大于临界值时，刀刃锯齿度急剧上升。

　　为了减小盘面端跳，在用油石研磨盘面时，应同时检测盘面的端跳情况，并尽可能通过研磨消除端跳。然后还需进行研磨盘的在线动平衡，以减小运转时因机构不平衡而产生的振动。

　　端跳和振动还与研磨机的精度及减振性能有关。传统的木制顶尖研磨机因顶尖与转轴之间需要垫以纤维衬垫，同时由于木材刚性的限制，会导致研磨盘在高速旋转时产生0.05～0.1mm的动态跳动；此外，木材和纤维物质的耐热性差，在高速滑动条件下很容易磨损而使转轴与顶尖之间产生间隙，因此需要经常调整间隙、更换衬垫或木制顶尖。由于使用此类设备时不稳定因素较多，只有在设备状态最佳的某些不长的时间段内才能研磨出基本合格的天然金刚石刀具，即使是技术熟练的操作人员，也只能达到30%～50%的加工合格率。

　　静压空气轴承的精度高于0.5µm，旋转平稳，且承托主轴的高压空气具有较强的吸振能力。所以采用静压空气轴承的研磨机即使研磨刀刃楔角只有45°的金刚石刀具，也能获得完美无缺的刀刃。对于一般的民用金刚石刀具，基本上可以达到100%的加工合格率。

　　偏向角对研磨质量的影响

　　偏向角w是在金刚石的被研磨面上实际研磨方向与最好磨方向之间的夹角。对于(1 1 0)面，当在最好磨方向(w=0°)研磨时，金刚石表面非常光洁，且表面有较大起伏，这是因为在最好磨方向上，研磨盘面的不平度在金刚石表面得到了充分复映；当w=45°时，金刚石表面仍然相当光洁，但起伏程度变小，并出现细小沟痕；当w=60°时，金刚石表面产生密集的深沟，研磨速率变得很低；在最难磨方向，金刚石表面充满一个个凹坑，研磨速率基本为零。w<45°的区域均可认为是好磨方向，可以获得光洁的表面。对于(1>

　　在好磨区域内锯齿度趋向于零，当w>45°后，刀刃上迅速出现较大崩口。对于(1 0 0)面同样可得到类似结果。

　　偏向角对表面质量的影响规律还可用于判断金刚石的最好磨方向，因为在最好磨方向研磨时，金刚石表面光亮且有较大起伏。

　　综上所述，金刚石刀具的研磨质量对各种加工条件都相当敏感，特别在研磨小刀刃楔角的金刚石刀具(如眼科手术刀、光纤切割刀和生物切片刀等)时尤其如此。因此，在研磨时必须仔细处理研磨盘表面，使用极细的金刚石研磨粉，找到最好磨方向，并采用精度高、运转平稳且振动小的研磨机床(如空气静压轴承研磨机)，在保证各种加工条件处于较理想状态时，即可研磨出无崩口、刀刃锯齿度小的高质量金刚石刀具。