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高速加工机床是基于现代刀具材料的发展,为满足航空,航天,汽车和模具等行业的发展需要而在数控铣床, 加工中心的基础上发展起来的高效,高性能加工机床,因此,它的基本特征不仅是切削速度高(是常规切削速度的5～10倍),进给/快移速度快(达40m /min至180m/min),加减速度大(现多为1g～2g),而且还包含有刀具和或工件交换的时间短(在数秒至1秒以内)以及常常具有多轴联动功能等 特点.

图1 五轴联动高速加工中心机床示例

一,高速加工机床的优点

高速加工机床具有诸多优点,如:

1.生产效率高,材料去除率是常规切削加工机床的3～6倍,从而可大大缩短零件的加工时间和制造周期;

2.切削力比常规速度时少30%～50%和约30%以上的切削热将被切屑所带走,所以工件温升和变形少,有利于进行薄壁件切削和提高加工精度;

3.由于切削速度高,切削过程中产生的强迫振动频率一般远离了机床工艺系统的固有频率,故切削过程更平稳,有利于提高加工表面质量和刀具寿命,免掉许多费时费工的人工顺序作业;

4.许多机电产品所用的零部件,无论是单件或批量需求的,都可在相应的高速加工机床(如多轴联动的高速加工中心和车铣中心)上进行多工序复合加工甚至一次装夹实现全部加工.

因 此,高速加工机床自上世纪八十年代中期出现以来,便受到人们普遍的重视.随着有关技术,如高速电主轴,直线电机,功能强,性能好的数控伺服系统等 的快速发展和日益完善,高速加工机床的生产与应用,现已变得很普遍;不仅大的国际有名的机床制造厂商能生产,一般的国内外机床厂也在开始制造,而且成了世 界机床业中争先开发的主导产品,不仅模具,航天,航空等行业在进行单件或小批生产中应用,在汽车乃至一航机械制造业中进行批量生产时也在广泛使用,从而成 了这些行业中的主流加工装备.

然而,为了更好地成功开发和充分地合理地应用高速加工机床,本人以为,高速加工机床的设计,制造者和应用者仍应对下列诸方面的问题有更多,更深刻的理解和研究,并善于学习,总结和创新

图2 人造花岗岩整体浇注的床身结构

二,高速加工对机床结构的基本要求和设计原则

由于高速加工中的切削速 度,进 给速度和加减速度都大,因此机床的发热量,运动部件的惯量也大,容易导致机床结构的过量温升,热变形和产生冲击振动,最终会影响到加工精度,质量乃至机床 和刀具的工作寿命和可靠性.所以,高速加工对机床结构的基本要求,首先是要三高,即静刚度高,动刚度高和热刚度高,也就是说,"三刚"特性要好;其次是运 动部件要轻量化,即要尽量减少传动系统的惯量.为此,机床结构设计应采取的原则措施是:

1.为了提高结构的静刚度,首先是选择弹性模量大 的材料,如钢,铸铁等作为结构件的基本材料;其次是根据受力的性质(拉,压或扭)和条件(力的大 小,方向和作用点)选择合理的结构截面形状,尺寸,筋壁布置和机床的总体布局;三是结构件间的接合面要平整,面积大小要适当,接触点在接合面上的分布要均 匀,连接要牢固等;四是尽量采用箱形和整体型结构.

2.为了提高结构的动刚度,首先是在保证静刚度的前提下,选择阻尼系数大的材料,如人 造花岗岩,铸铁等作为基础结构件的材料;二是通过模型试验或模 态分析合理设计和调整结构的质量分布和结构接合面的刚度值,以改变结构系统本身的固有振动频率,使其远离切削过程中所产生的强迫振动频率,避免产生共振的 可能性;三是有意采用能增加附加阻尼的结构设计,如带夹芯的双层壁铸件和非连续焊接的焊件等;四是直线运动部件的支承导轨面间距离要尽可能宽阔,驱动力的 作用线要居中并尽可能靠近运动部件的重心,传动链中应无反向间隙,以保证运动平稳,无冲击.

3.为了提高结构的热刚度,原则上首先应采用 热容量大,热胀系数小的材料和热胀系数相近的材料作为结构材料;其次是根据机床上的热源和温度场的分布 情况,尽量采用热对称和方便散热或强迫冷却的结构,包括采用热补偿措施的结构等,以减少热变形带来的对机床几何精度和工作性能的影响.

4.为了减少运动部件的重量和传动系统的惯量,一是选用比重小的材料,如铝合金和复合材料等,作为运动部件的结构材料;二是在保证刚度和承载能力的前提下,尽量去除多馀的材料;三是采用直接传动,简化传动系统,缩短传动链,以提高机床的运动品质.

现实中能同时满足上述条件要求的材料和结构是没有的,只能按实际要求进行综合评估后选取.

三,高速电主轴单元

高 速加工的典型应用是以小直径的硬质合金铣刀来对各种材料的模具,模型和铝合金件进行铣削,机床主轴转速是根据现代刀具材料所能达到的经济合理切削 速度范围(图3)和按此速度及不同的铣刀直径所计算得的刀具/主轴转速(图4)来确定.可见除切削钛或镍合金时,由于刀具所能达到的合理切削速度较低 (300m/min以下),刀具主轴最高转速可在10000r/min以下外,其他材料的切削所要求的刀具/主轴最高转速都在10000r/min以上, 甚至要求达到50000r/min至80000r/min.如此高的主轴转速,采用一般机床用的主传动结构(电机加皮带轮和齿轮传动)方式是不可能实现 的,一般都需采用由变频调速电机和机床主轴集成在一起的所谓"电主轴"直接驱动来实现

图3 现代刀具加工不同工件材料时可选用的切削速度和进给率范围

图4 不同刀具直径和不同切速下所要求的刀具/主轴转速

电主轴是通过交流变频调速和矢量控制来实现主轴的宽调速的.它的优点不仅是简化了主传动结构,减少主传动系统的转动惯量,而且降低了功耗,提高了实现更高主轴速度和加减速度的能力,从而也可实现定角度的快速准仃(C轴控制)功能,这对高速加工机床是十分重要的.

当 然,高速主轴本身的设计制造会涉及许多特殊问题,如主轴(电机转子)支承的结构型式和润滑方式,电机的发热和冷却措施,主轴和刀具的连接以及动平 衡问题等,好在这些问题已有许多科研单位进行了研究和解决,高速电主轴单元在国内外均有了专门的生产厂家进行了专业化,系列化的生产,机床设计制造者只需 根据加工对象要求,确定所需的主轴转速和扭矩范围来合理地选用就是了.

四,高速进给系统

高速进给系统是高速加工机床极其重要的组成部份,对它的设计要求,首先应当是能提供高速切削时所要求的高的进给/快移速度和加减速度;其次是应具有所要求的调速宽度和轨迹跟踪精度;同时还应有很好承受动,静载荷的能力和刚度,从而保证高速加工应有的效率和质量.

决定高速进给系统上述性能要求的因素主要有三个方面:即进给运动的传动方式,各轴进给运动间的相互结构联系和数控伺服控制系统.

1.进给运动的传动方式

高速进给运动的传动方式,目前广为应用的主要有两种:一种是回转伺服电机通过滚珠丝杠的间接传动,另一种是采用直线电机直接驱动.

通 过滚珠丝杠间接传动方式的优点是技术成熟,结构相对简单,加速度特性受运动部件载荷变化的影响较小,且目前已有许多国内外厂家进行标准化,系列化 和模块化的专业化生产.但是普通传动用的滚珠丝杠,由于存在惯量大,导程小,又受到临界转速的限制等,其所能提供的进给/快移速度只有10～20m /min,加速度为0.3g,满足不了高速加工的要求,因此,高速加工用的进给滚珠丝杠普遍采取如下的改进措施.

加大丝杠的导程和增加螺 纹的头数,前者为提高丝杠每转的进给量(即进给速度),后者则为弥补丝杠导程增大后所带来的轴向刚度和承载能力的下降. 将实心丝杠改为空心的,这既是为减少丝杠的重量和惯量,也是为便于对丝杠采取通水内冷,以利于提高丝杠转速,提高进给/快移速度和加速的能力,减少热影 响; 改进回珠器和滚道的设计制造质量,使滚珠的循环更流畅,摩擦损耗更少; 采用滚珠丝杠固定,螺母与联结在移动部件上的伺服电机集成在一起完成旋转和移动,从而避开了丝杠受临界转速的限制等.

经过采取这些改进措 施后,滚珠丝杠传动的进给方式可提供的进给/快移速度达60m/min～90m/min,加速度可达1～2g.但是由于受到原理 结构的限制,要想进一步提高滚珠丝杠传动的运动速度和加速度很难了,而且受丝杠的可制造长度限制,滚珠丝杠传动所能提供的运动行程也是有限的.

与 上述的通过滚珠丝杠间接传动的方式相比,采用直线电机直接驱动的主要特点和优点是将伺服电机的定子和动子分别直接与机床床身及移动部结合在一起, 没有了中间环节,传动链的长度缩短为零,即实现了所谓的"零传动",从而大大提高了机械刚度,减少了传动系统的惯量,获得更高的速度和加速度能力,并易于 控制系统的阻尼力和动态特性,直线电机最高的进给/快速度可达120m/min乃至240m/min,加速度可达2~10g;行程长度可不受限制;适应性 强,灵敏度高,随动性好,不存在反向间隙,可利用直线光栅尺作为测量反馈元件,实现全闭环控制,以获得更高的定位精度和跟踪精度等.

但 是,直线电机直接驱动也存在一些缺点:如效率低,功耗大,结构尺寸和自重也相对较大;工作过程温升高,要求强冷却;因受磁场力影响易于吸引铁屑和 金属物,故需考虑防磁措施等,特别是要注意的是它的加速度值直接反比于运动部件的载荷量(工作台/滑座自重加上工件及其他外载荷),即对运动载荷较敏感, 故宜用于运动件载荷恒定或变化量不大的场合,在载荷变化重大的情况下,必需能在数控编程时予以考虑,否则不能保证加工所要求的效率和质量.另外,直线电机 直接驱动不具自锁能力,设计和使用中应注意考虑外加制动措施,特别是在垂直轴进给系统中使用时,尤要注意.

五,各轴进给运动的相互结构联系

如同一般加工机床一样,高速加工机床一般都有2个以上,多至5个进给运动轴,这些运动轴间的相互结构联系,目前存在着串联,并联和混联三种型式.

串 联结构是传统机床普遍采用的型式,其特点是各运动轴的布局采用笛卡尔直角坐标系,机床床身,立柱,溜板,工作台/转台和主轴箱等部件分别通过相应 的导轨支承面串联在一起的,各轴运动均可单独地独立进行,由于是串联,各运动部件的重量往往都较大,且不一致,需特殊调整方可保持各轴加速度特性的一致 性;进给系统的结构件不仅受拉,压力,而且受弯,扭力矩的作用,变形复杂,后运动部件受到先运动部件的牵动和加速,加工误差由各轴运动误差线性迭加而成, 且受导轨精度的影响等,这些都是串联结构的缺点.然而由于串联结构较传统,有长期设计,制造和应用的经验,技术较成熟,故迄今仍为大多数高速加工机床所采 用.但串联结构中还有着不同的各运动轴的相互组合配置方式,其所获得的应用效果是不一样的,设计时应以高速加工的特点及其对机床结构设计的要求出发来确定


图5 Stewart平台式并联结构机床

并联结构的典型代表是Stewart平台式的所谓虚拟轴机床(图5).它的特点是运动部件是一个由伺服电机分别控制的6根可自 由伸缩的杆子所支承的 动平台,该平台可同时作6个自由度的运动,但没有像串联结构那样的物理上固定的X,Y,Z轴和相应的运动支承导轨,而且任何一轴运动都必须由6根可伸缩杆 的协同运动来完成.一般刀具/主轴头就安装在该动平台上,工件则固定在机床的机架上,此外就不再有溜板,导轨等支承件了.与传统串联结构的机床相比,并联 结构型式的机床主要有如下优点:

运动部件重量轻,惯量小,更有利于实现进给运动高的速度和加速度; 刀具主轴头可同时实现5轴联动,结构简单,且主要的6根伸缩杆具有相同的结构和驱动方式,便于模块化,标准化和系列化生产; 伸缩杆的两端分别由球铰和虎克铰链与相关件连结,使杆子只受拉,压力,不受弯扭力作用,刚度高,并易于通过预加载荷来提高整个进给系统的综合刚度.

理论精度高,因为它不像串联结构那样,各轴运动误差有可能被累积和放大,故并联结构的进给运动的综合误差一般不会大于6根伸缩杆运动误差的平均值.

并联结构的缺点是:

在 同一台机床上,其进给的行程随着各伸缩杆的伸出长度和动平台的位姿角变化而变化,故由行程所决定的可加工空间是非规则形,不方便应用; 因受球铰和虎克铰转角的限制,带主轴头的动平台所能倾斜的角度较小(一般只有±40.)从而影响了机床的可加工范围; 运动编程较复杂,而且在任一轴向上的简单直线运动,也要有6根杆的协调伸缩运动才能完成等.

由于有这些问题的存在,并联结构的应用,目前 尚不十分广泛,还有待于进一步研究和发展. 混联结构是在一台机床上同时采用有串联和并联结构型式的进给运动的结构联结,通常的做法是:3个移动坐标仍采用并联结构来完成,主轴加工时所需的另外2个 转动坐标则由串联到固定工作台上的回转和可倾斜的工作台或由串联到并联结构的动平台上的旋转和摆动主轴头来实现.但是此时的并联结构的6根伸缩杆改成了3 副定长杆,除杆的一端仍通过球铰与动平台相联外,杆的另一端则通过球铰成组地与滑座联结,滑座由伺服电机控制的滚珠丝杠(或直线电机)驱动在机床导轨上移 动(图6),从而改变动平台(主轴头)在三维空间中的位置,即X,Y,Z轴的运动行程.这样既克服了纯并联结构存在的加工空间不规则和动平台可倾角度过小 的缺点,而且也减少了三套伺服驱动电机和滚珠丝杠,简化了结构,降低了成本.这应是并联机床结构改进的一个方向.

图6 混联结构机床示意图

六,数控,伺服控制系统

数控, 伺服控制系统是保证实现 高速加工的核心技术装置,对它的要求是:既能实现所需的高进给速度和加减速度的控制,又要保证所需的轨迹跟踪精度和加工质量.因此,数控伺服系统首先应具 有很高的运算速度(即更短的单个程序段的处理时间)和数据存贮及传输的能力,以处理大量的插补和控制数据;二是强大的前瞻功能,以保持最佳的进给速度和加 速度,最佳的路径变换,识别拐角,及时调整,保证规定的动态精度曲线,使加工速度不超过机床的运行特性范围;三是有效的速度,加速度稳定功能和自适应加工 轮廓变化的能力,因为加工平滑轮廓和非平滑轮廓时,施加在机床驱动系统上的力量不一样的,因此系统必需具有自调节能力,以保证机床永不过载,又能保持最佳 的加工效率和质量,四是系统要力求具有开放性,包括人机界面开放(即具有标准的软硬件平台,如PC硬件,Windows操作系统,人机界面开发工具等), 控制逻辑开放(即具有可编程的机床逻辑控制,网络功能等)和数控内核开放(如供几何坐标系统与数控轴直连的接口等),以使机床生产厂和用户可以集成自己的 人机界面,设计高效,高可靠性的控制逻辑和专有的坐标变换及补偿控制软件等;五是系统应有足够的(如0.1μm)分辨率和多轴联动控制的功能,以保证高 精,高速,高效加工的实现.目前德国西门子公司生产的Sinumerik840D和日本FANUC公司生产的FS16i/18i/21iMODELB等系 统,都是具有一定开放性的系统,能基本满足上述功能要求

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一、伺服技术
伺服系统是机电产 品中的重要环节，其控制性能反映了机电设备的控制质量。伺服系统的发展经历了由液压到电气，电气伺服又经历了由模拟到模拟•数字混合再到全数字化伺服的演 进过程。伺服系统根据所驱动的电机对象，又分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。到90年代初期，随着微处理技术、高性能半导体功率器件等制 造工艺的发展及性价比的日益提高，交流伺服技术逐渐成为主导产品。
交流伺服系统按其驱动电动机的类型，主要有两大类：交流永磁同步（SM型）电动机伺服系统和交流感应式异步（IM型）电动机伺服系统。感应式异步电动机伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固、制造容易、价格低廉，具有良好的发展前景，是未来伺服技术的发展方向之一。
随着市场竞争的日趋激烈，用户对所需产品提出了更高的技术和更合理的性能价格比的要求。交流伺服系统以其出色的性能完成了对产品的加工过程、加工工艺和综合性能的改造，在工业领域中得到了日益广泛的应用。

二、技术进步造就效率和节省
自2003年，时光科技有限公司推出了全数字交流异步伺服控制器系列产品，并成功应用到机床、油田机械、电梯、塑料机械行业，为客户赢取了显著经济效益。
在产品的推广过程中，我们深切体会到，企业效益升级的本源来自于其自身产品技术含量的提升。时光公司产品具有交流化、数字化、集成化和智能化 的技术内 涵，为用户产品提高了技术含量，并充分提高了客户产品的生产效率、系统传动效率和原材料使用效率，带来了对产品安装、调试、维护的节省，以及最终用户能耗 成本支出的节省。

三、数控机床主轴改造案例
（一）改造要点
CYNC-500P机床（采用西门子802C数控单元）是两坐标（纵向Z、横向X）连续控制卧式数控机床，能自动完成内外圆表面、圆锥面、圆弧面、端面、多种螺纹（公英制螺纹、锥螺纹、端面螺纹）、钻、铰、镗孔等车削加工。
改造要点：主轴驱动采用本公司11KW伺服控制器驱动11KW电机，取消变速箱，保留一级皮带传动。原设计是机械变速3档6级 / 变频调速3档无级，改造后的主轴为伺服主轴，实现无级变速（不必每次机床上电时，必须在MDA方式下用S代码输入确定主轴档位，手动方式下的转速才能以参 数设定的数值转动），实现恒线速切削，可以长时间高、低速运行，主轴可以定位。

（二）系统选型及配置
1. 伺服控制器

2. 主轴电机


3. 码盘： LF-102.4-BM-C05D
4. 皮带轮：110mm/245mm 减速比：2.2273
5. 皮带：1600*4*2
6. 制动电阻： RXHG-1100W 50Ω

（三）改造方案
机床数控单元为西门子802C，主轴驱动为连续直流电压（0～10V和－10V～＋10V可变），精度相当于12位D/A输出。伺服控制按脉冲列和模拟量两种输入方式实施：
方案一：脉冲列方式
·原理：将NC侧的模拟量输出信号（－10V～＋10V）通过F/V转换单元（输出频率0～250KHZ）转换为脉冲列信号后经过控制器内部运算，转化为频率进行速度控制。
·接线方式：按照控制器单脉冲列方式接线。
·试验结果：运行状况比较理想，考虑到此方法需要外接电路，而用模拟量直接连接更加简洁，如果可以达到精度要求，选择模拟量控制为佳。
方案二：模拟量方式
·原理：将+10V和-10V信号分开，接口板经过改造后，模拟量接口为0～－10V和0～＋10V分别对应相应地址，精度由原来的准十位提高到十一位。
·接线方式：只需引入模拟量信号和相应I/O信号即可。
·试验结果：实现正向6～2500rpm、反向4～2500rpm平稳调速，可达到定位、恒线速度加工的要求。
分析比较
方案一、二经试验证明均为可行方案：方案二连接简单、控制方便；但由于本控制器A/D精度为11位，如果不能达到客户要求、可选用方案一（需要外加转换模块）

（四）结论
1. 伺服主轴与机械变速主轴、变频变速主轴相比在调速范围、速度精度、定位功能、机械结构的简化方面具有较明显的优势。
2. 机械结构简化，节省了金属材料。
3. 操作简化，降低了机械故障率及维修成本。
4. 控制范围增大，控制精度提高，控制电机效率提高。
5. 提高了机床的加工精度和生产效率。
时光科技有限公司致力于与机床制造商紧密配合，为提高行业技术水平做出贡献。

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Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace cutting tool、hss drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

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弊社は専門なエンド・ミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ、

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弊社は各領域に供給できる内容は：

（１）精密ＨＳＳエンド・ミルのＲ＆Ｄ

（２）Carbide Cutting tools設計

（３）鎢鋼エンド・ミル設計

（４）航空エンド・ミル設計

（５）超高硬度エンド・ミル

（６）ダイヤモンド・エンド・ミル

（７）医療用品エンド・ミル設計

（８）自動車部品＆材料加工向けエンド・ミル設計

弊社の製品の供給調達機能は：

（１）生活産業～ハイテク工業までのエンド・ミル設計

（２）ミクロ・エンド・ミル～大型エンド・ミル供給

（３）小Ｌｏｔ生産～大量発注対応供給

（４）オートメーション整備調達

（５）スポット対応～流れ生産対応

弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。

Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.

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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^*

*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^*

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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