车刀振动信号研究及磨损工况的识别研究

摘要 本文首先对车刀振动信号进行分析，随后对车刀磨损工况的识别进行研究。期望通过本文的研究能够为车刀切削过程中的在线监测提供可靠的理论依据，从而延长车刀的使用寿命。

关键词 车刀；振动信号；磨损；识别

中图分类号TG7 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）120-0065-02

1 车刀振动信号分析

相关实验结果显示，当车刀出现破损时的振动变化原因不但与破损形态有关，同时，还与刀杆振动系统的频率有所关联。为了使分析过程得以简化，可将车刀刀杆的振动系统从切削系统当中分离出来，然后对其单独进行观察，这样便可将振动系统简化成为一个弹性质量系统受到压迫振动的过程。刀杆所受到的切削力大体上可分解成为两个部分，一部分是静态切削力，可用F1表示，另一部分则是动态切削力，可用F2表示。其中F1决定着刀杆振动的平衡位置，而F2则决定着刀杆的振动模式。当整个切削过程保持正常、稳定时，F1基本上不会发生任何变化，其一般只会受到车刀磨损的不断发展而出现较为缓慢的变化，却并不会对振动加速度有所影响。但在车刀出现破损时，F1便会出现阶跃性的变化，并在极短的时间内从一个水平迅速变化至另一个水平，在这个过程中F2也会随之发生相对较大的变化，破损块从刀片上裂开，势必会对刀杆振动造成一定程度的影响。

在弹性质量振动系统当中，可将切削力信号作为输入变量，并将刀杆的振动位移作为输出变量，其传递函数可用下式表示：

从式（2）与式（3）中可以看出，加速度对单位冒充信号的响应要比对阶跃信号的响应滞后一个，而且，加速度信号属于衰减的正弦振荡信号，它的频率是。通常情况下，大部分切削系统的谐振频率都在几十至几百赫不等，也就是说，相对较小，而车刀破损时的低频成本能量较大。

当车刀出现破损后，刀杆一般会受到双重作用，即阶跃信号和脉冲信号，并且在这一过程中的输入信号强度相对较大，因而，刀杆折叠弄加速度势必会出现较大幅度的变化，该信号经过阻抗变换器之后，会引起带通滤波器的振荡，其振荡频率主要与滤波器的频率范围有关。在一个正常的切削过程中，以人为的方式对刀杆进行敲击后经1.5Hz～40Hz带通滤波器输出的信号的振荡频率与刀具破损时的振荡频率相一致。由于切削处于正常状态时，刀杆的振动信号在该区段内的分量较小。所以，破损时的变化就十分显著。同时，受滤波器的阶跃或是脉冲响应的作用，刀具出现破损时的低频范围信号会出现一定程度的变化，在较宽的频率范围内，该振动信号的变化主要与破损前的高频成分能量大小有关，如果刀具破损前的高频成分能量大，那么刀具破损时的信号变化就会被全部淹没。

由上述分析结果可知，当车刀破损时，刀杆的加速度变化仅仅与阶跃力和脉冲力的作用有关，需要强调的一点是，若加工的工件材料不同，或是切削用量不同，则会使刀杆的振动信号强度出现变化，但是刀具破损前和破损后低频范围内的时域信号强度的比值却会始终保持不变。故此，可将之作为车刀破损在线监测与报警的一种依据。

2 车刀磨损工况的识别研究

2.1 导致车刀磨损的主要原因

在正常切削的过程当中，车刀的切削条件与磨损原因关系密切，不同的切削条件会导致不同的磨损原因。相关研究结果表明，车刀磨损的主要原因为机械、热、化学等作用的综合结果。截止到目前，业内的专家学者在不断地研究中发现，造成车刀磨损的根本原因有以下几个方面：化学磨损、硬质点磨损、扩散磨损、黏结磨损以及热电磨损。当车刀出现磨损之后，对正常的切削加工造成影响，并且随着切削过程的持续，车刀的磨损速度也会随之不断增大，同时磨损会造成切削力增大、温度升高，由此会引起加工工件表面的质量下降，磨损严重时，会对整个切削加工过程造成影响。

2.2 车刀磨损工况的识别方法

近年来，随着计算机技术、传感器技术的不断发展，使得传统的人工判别刀具磨损的方法无法满足实际应用要求。现如今的刀具磨损识别全部都是基于电子传感技术，大体上可将之分为以下两种形式：

1）直接测量识别

该方法具体是指对刀具材料体积损失的变化量进行直接测量，如测量刀具径向尺寸变化、后刀面磨损带宽度检测、加工工件尺寸变化等等。比较常用的直接测量法有放射性技术、光学图像法、电阻测量法、接触检测法等等。其中应用较多的为光学图像法，这是因为该方法能够直观、具体地呈现出刀具的磨损程度，其测量精度较高。但直接测量识别也存在一定的缺陷，其无法实现在线监测，换言之，很难对刀具磨损的动态变化进行识别，局限性较大。

2）间接测量识别

通常情况下，在对金属进行切削的过程中，刀具磨损区会对工件、切屑遮盖，为了实现在线测量，常采用间接测量的方法，通过相关物理量的变化，识别刀具的实际磨损状态。比较常用的间接测量识别法有以下几种：切削力在线检测法、声发射检测法、功率与电流测量法、切削振动和温度测量法等等。具体采用何种方法，可根据实际工况而定。

3结论

总而言之，在切削的过程中，车刀的质量优劣直接关系到生产效率，为了提高车刀的整体质量，本文对车刀的振动信号进行了研究，同时，又针对车刀的磨损工况提出了相应的识别方法，这对于确保加工工件的品质和提高生产效率具有非常重要的现实意义。在未来一段时期，还应当重点加大对车刀磨损在线监测的研究力度，借此来延长车刀的使用寿命。

参考文献

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