刀具磨損過程中的切削力特征研究*

張家梁 李蓓智 龐靜珠

(東華大學紡織裝備教育部工程研究中心,上海 201620)

隨著加工過程自動控制技術的發展,切削力己成為適應和控制切削過程的一個重要反饋參數。切削力的變化直接決定著切削熱的產生、分布,并影響刀具的磨損狀況和使用壽命,進而影響工件被加工表面的加工精度和已加工表面質量。另一方面,刀具的磨損量不僅對切削力的大小有影響,而且是影響加工工件精度和表面質量的重要因素,嚴重的刀具磨損還會引起切削顫振,損壞制造系統等。

國內外對切削力影響因素的研究大多數都著眼于轉速、切削深度等參數的選擇,而刀具磨損對切削力影響的研究相對較少。因此,研究刀具磨損過程中的切削力特征具有一定的現實意義,能為刀具磨損狀態監測提供一定的理論依據[1-4]。

1 實驗方案設計

除了刀具本身的特性和機床狀態外,從理論上,刀具磨損和工藝參數都對切削力產生影響。因此,有必要研討在工藝參數不變的情況下,同一刀具的磨損狀態對切削力的影響。

實驗選用CM6250普通機床,工件材料為45鋼,刀具為硬質合金刀片(主偏角kr=75°,前角γ0=12°,后角α0=8°,刃傾角λs=-5°)。測量系統由三維力測量儀、PCI-9118數據采集卡、電荷放大器、PC機等構成,如圖1所示。

在切削試驗過程中保持切削參數固定不變(n=800 r/min,ap=0.3 mm,f=0.056 mm/r),刀具狀態用后刀面磨損量VB值來描述。通過實際的切削磨損來改變刀具的VB值,取四種不同狀態刀具VB=0.1,0.2,0.3,0.4 mm進行實驗。三向力各采樣500000個點,為了避免采樣信號發生混疊,采樣頻率的設定必須滿足香農采樣定理,采樣頻率設定為100000 Hz。

2 實驗分析

切削過程中的切削力包括兩部分:一是切削力的穩態分量,也就是切削力的平均值,它是切削變形所必需的力;二是切削力的動態分量,表現為圍繞切削力平均力的上下波動。動態分量則是由切削過程中的各種隨機振動引起,這些激振源主要來自地基、機床、工件、刀具、夾具、切削形成以及測力儀本身。各種不同的自激頻率和激振頻率的振動疊加后,不僅會引起刀尖的強迫振動,而且還會引起自激振動,以刀尖上的力和位移的變化形式表現出來,這就是切削力產生的原因。當刀具出現磨損和破損時,刀具與工件的接觸面積增大,摩擦力也增大,從而引起動態切削力的變化。

2.1 切削力穩態分量分析

圖2顯示Fx和Fy的穩態分量隨刀具磨損的變化情況,從中可以看出Fx和Fy的穩態分量變化是一致的,開始都隨磨損量的增加而增加,但進入后期磨損階段后隨磨損量的增加而變小;而Fz恰恰相反。另外,刀具磨損從VB值為0.1 mm到VB值為0.4 mm過程中,切削力變化不大,這與切削參數有很大的關系。由于切削參數是基于精加工選定的,切削力比較小,切削力變化也小一些。

從理論上,在刀具的磨損過程中,后刀面的磨損會使切削力變大,但前刀面的磨損會使切削力變小。因此,在早期磨損階段,對Fx和Fy而言,后刀面的磨損起決定性作用使其變大;對Fz而言,前刀面的磨損起決定性作用使其變小。在后期磨損階段,對Fx和Fy而言,前刀面的磨損起決定性作用使它們變小;而對Fz而言,后刀面的磨損起決定性作用使它們變大。

2.2 動態切削力分析

2.2.1 動態切削力傅立葉分析

將得到的四組切削力數據減去其平均值得到其動態切削力,再利用MATLAB軟件編制快速傅立葉變化(FFT)程序,將每種刀具狀態的 Fx、Fy、Fz三個方向動態切削力進行快速傅立葉變化(FFT),得到其頻譜幅圖如圖3～圖5所示。

每個力的頻譜圖都是有主頻的,并有著相同的頻譜結構。處于Fx的能量主要集中在0～5 kHz的低頻分量和10～20 kHz中頻分量;Fy的能量主要集中在0～8 kHz的低頻分量和10～20 kHz中頻分量;Fz的能量主要集中在0～8 kHz的低頻分量和10～20 kHz中頻分量。在切削力的動態成分里,切削的形成及刀具彎曲振動分別對應的主要頻率為13.96 kHz和16.9 kHz。從對比分析來看,在低頻頻段內和刀具彎曲振動對應的力信號隨刀具磨損表現出一定的隨機性,沒有明顯的變化趨勢。因此,它們與刀具磨損的相關性不強,并且16.9 kHz對應的力信號優于低頻分量力信號。但是,三個方向力的刀具彎曲振動頻率具有清晰的譜峰值,峰值的變換在刀具正常磨損階段呈緩慢上升趨勢,而在后期磨損階段,上升趨勢有所加快,這與刀具磨損變化規律相符合。因此,可以考慮將13.96 kHz的譜幅值作為判斷刀具磨損的特征量,即可認為當14 kHz的譜幅值超過某一閾值時,刀具已經嚴重磨損。應該指出,切削力的頻譜特性必然與切削條件及刀具-工件-機床加工系統的振動模態有關,如果切削條件和加工系統不同,則其頻譜特征將有區別。2.2.2 動態切削力功率譜分析

對切削力信號進行功率譜分析可以在有限切削力數據頻域內提取被淹沒在噪聲中的有用信號,從而得到有用頻率內的能量情況。經典功率譜估計法是由Fourier變換作為理論基礎的。19世紀末 Schuster直接利用Fourier級數去擬合某類信號時所提出的周期圖法,又稱直接法。即對給定的有限長的觀測序列x(ω)(0≤n≤N-1),作 Fourier變換

可得到周期圖ⅠN(ω)即序列x(n)真實功率譜估計的計算公式為

將四組切削力數據進行功率譜分析,得到其13000～15000 Hz頻段的平均能量隨刀具磨損狀態變化情況(圖6)。

在刀具磨損過程中,13000～15000 Hz頻段的平均能量在逐漸加大。這表明刀具磨損狀態迫使刀桿相對工件的振動幅度不斷增加,直接導致動態切削力在這一頻段周期性力的幅值增大,而且使其變化越來越劇烈。

3 結語

(1)在一定的磨損范圍內,刀具前刀面磨損和后刀面磨損使Fx,Fy方向的切削力的穩態分量先增后減;使Fz方向的切削力的穩態分量先減后增大。

(2)刀具磨損狀態迫使受動態切削力的刀具彎曲振動頻率幅值和局部頻率能量增大。

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