切削振動是切削加工中一種不可避免的現象。目前人們對金屬切削中刀具及機床系統的振動規律已進行了較深入的研究，但對花崗巖、陶瓷等硬脆材料切削加工中的振動問題研究還不多［1］。本文通過對金剛石刀具切削硬脆材料時刀具振動情況的系統分析，探討刀具振動對硬脆材料切削力變化的影響規律。
一、試驗條件及方法
1．試驗條件
切削對比試驗所選工件材料為花崗巖、陶瓷、鑄鐵和鋼，材料的機械物理性能指標如表1～表3所示。其中鋼選用45鋼，淬火硬度為55。試驗用刀具采用美國通用電氣公司生產的PCD-1500系列復合片制成的聚晶金剛石刀具，其幾何參數及機械物理性能如表4、表5所示。切削試驗在CA6140普通車床上進行。采用KISTER三向壓電測力儀測量切削力，用PCL-81數據采集板采集切削力信號。采用大連理工大學振動研究所研制的PDW2000型數據采集分析儀測量并記錄切削過程中的刀具振動信號。切削力測量采集系統示意圖如圖1所示。
表1 花崗巖機械物理性能指標*
| 材料 |
普容重
（kN／m3） |
平均硬度
（HSD） |
抗壓強度
Re（MPa） |
抗拉強度
Rt（MPa） |
抗折強度
Rf（MPa） |
| 花崗巖 |
26.2 |
10 |
120.5 |
5.51 |
19.03 |
|
*表中數據由大連理工大學巖石試驗室鑒定
表2 氮化硅陶瓷機械物理性能指標* |
| 材料 |
密度
（g／cm3） |
硬度（HV） |
抗彎強度
（kg／mm2） |
破壞韌性
（MN／m3／2） |
抗壓強度
（kg／mm2） |
縱彈性率
（×104kg／mm2） |
| 25℃ |
1000℃ |
| Si3N4陶瓷 |
3.27 |
1600 |
1100 |
95 |
7 |
420 |
3 |
|
*陶瓷機械物理性能指標由大連耐酸泵廠提供
表3 鑄鐵機械物理性能指標 |
| 材料 |
狀態 |
抗拉強度
（MN／m2） |
延伸率
（％） |
斷裂強度
（J／cm2） |
硬度
（HB） |
金屬基強度
利用率（％） |
| 鑄鐵 |
鑄態 |
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） |
負倒棱寬度
br（mm） |
| 0° |
9° |
9° |
50° |
50° |
－10° |
1 |
0．5 |
| 材料 |
硬度
（HK） |
導熱系數
（×10－6／F） |
抗彎強度
（MPa） |
彈性模量
（GPa） |
抗壓強度
（MPa） |
熱膨脹系數
（W／m.k） |
| PCD－1500 |
6500～8000 |
3～3．6 |
2800 |
560 |
4200 |
100～109 |
圖1 切削力測量采集系統示意圖
2．試驗方法
為了提高試驗數據的可靠性，在數據采集板采集切削力信號的同時，利用TEAC磁帶記錄儀記錄切削力模擬信號，并用ST16型示波器對切削力信號進行實時監測。利用切削力數字信號處理軟件分別在時域和頻域內對硬脆材料切削力信號和刀具振動信號進行數據分析處理［2］。
二、試驗結果及分析
1．刀具振動信號的對比分析
切削花崗巖、鑄鐵和鋼三種材料時刀具振動時域、頻域信號的對比如圖2所示，在時域內與刀具振動信號相對應的切削力信號如圖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
時域單位：1／1000秒 頻域單位：Hz
圖2 切削不同材料時刀具振動時域、頻域信號對比
（a）花崗巖
（b）鑄鐵
（c）鋼
切削條件：v＝50m／min，f＝0．3mm／r，ap＝1．0mm
時域單位：1／1000秒 頻域單位：Hz
圖3 切削不同材料時切削力時域、頻域信號對比
由圖2可知，切削花崗巖和鑄鐵時刀具振動信號頻譜的低頻成分較為復雜，而切削鋼時刀具振動信號頻譜的低頻成分單一。這表明切削花崗巖和鑄鐵時刀具所受低頻振動的干擾比切削鋼時更為復雜，切削平穩性較差，在一定程度上會使切削幅值發生波動，這一點在圖3所示三種材料的切削力對比中也得到了證實。在圖3中，塑性材料鋼的切削力在整體上雖有波動，但切削力信號非常集中，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則出現了許多小尖峰，分散性很大。這說明材料本身的性質對切削力的波動有一定影響［3］。此外，由圖2可看出，切削花崗巖和鑄鐵時刀具振動信號呈多峰頻譜，而切削鋼時則為單峰頻譜，這與圖3所示切削力頻譜主峰情況相一致。由此可見，工件材料性質不同，切削中的切削力信號和刀具振動信號的頻譜就會有不同的分布規律，材料的性質（如脆性或塑性等）是導致硬脆材料切削力波動的一個因素。
2．振動信號與切削力信號的相關分析
花崗巖、陶瓷和鋼三種材料的切削力信號與振動信號的相關對比如圖4所示。
軸向切削力Fx 徑向切削力Fy 切向切削力Fz
（a）花崗巖切削力信號與振動信號的相關圖
軸向切削力Fx 徑向切削力Fy 切向切削力Fz
（b）陶瓷切削力信號與振動信號的相關圖
軸向切削力Fx 徑向切削力Fy 切向切削力Fz
（c）鋼切削力信號與振動信號的相關圖
圖4 切削不同材料時切削力信號與振動信號的相關圖
由圖4可知，工件材料的性質不同，切削力信號與振動信號的相關性也明顯不同。圖4c表明，鋼的三向切削力信號與其振動信號之間的相關性都高度一致，且相關信號的周期性特別顯著。相比之下，花崗巖和陶瓷相關信號的分散性較大，周期性也不明顯。花崗巖的三向切削力中，軸向切削力和徑向切削力信號與其振動信號的相關性比切向切削力信號與振動信號的相關性強。陶瓷的徑向切削力信號與振動信號的相關信號周期性較其它兩向切削力更明顯一些。
以上相關分析表明，鋼的切削力波動主要來自切削過程中的刀具振動；而花崗巖、陶瓷等硬脆材料的切削力波動則受工件材料性質、刀具振動等多種因素的影響。另外，硬脆材料的徑向切削力對振動的敏感性要大于其它兩向切削力。
三、結 論
（1）切削不同工件材料時，切削力信號時域波形和頻域頻譜具有不同特征：時域內硬脆材料的切削力波動大，而鋼等塑性材料的切削力波動小；頻域內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與振動信號相關性很強，且三向切削力信號與振動信號的相關性非常一致，周期性顯著；硬脆材料的切削力信號與振動信號相關性不明顯，且三向切削力中徑向切削力對振動信號最敏感。
