文 | 三楼的猫头鹰
编辑 | 三楼的猫头鹰
在车削过程中，切削刀具通常被固定在平移托架、转塔或尾座上，这些托架或转塔可以沿着与被加工零件轴线（Z轴）平行的床身行进。
垂直于零件轴线的运动由X轴或安装在托架上的横向滑块提供， 工件则通过卡盘、夹头、面板或心轴固定在旋转主轴上，或者夹持在尖锥中心之间。
在车削加工过程中，由于工件对刀尖施加的切削载荷，切削刀具可能会发生偏转，因此刀具状态的监测在车削加工中具有重要意义。
01
材料和方法
任何切削刀具上的不均匀性或未对准都可能引起微小振动，这些振动会受到外界干扰， 这些干扰会影响切屑形成机制和切削力的变化，进而导致刀具和工件之间的相对运动引发自激振动现象。
切削刀具在车削过程中被视为悬臂梁加载，以估算其在切削载荷下的允许挠度，建立了刀具偏转动态加工模型，研究者使用单自由度 (SDF) 振荡器分析工具的振动特性，在此模型中工件被假设为刚性。
切削刀具的力与加工条件密切相关，这种力被分解为不同方向的分量，包括沿z轴、y轴和x轴的分力，分别表示为FZ、F和FX，这些分力的合力记为FC，考虑实际情况，刀具的右侧通过夹具牢固固定，而左侧则因刀具的悬伸而自由。
由于切削刀具的偏转，其相对于工件表面的位置会不断变化， 在不稳定的情况下，切削屑的形成会导致激励切削力的变化，从而引发再生性颤振现象。
切屑的厚度是切削刀具当前位置与前一转位置之间的差值，再生性颤振的切削力分量是通过多次车削实验获得的数据推导而来的。
在车削过程中，切削力作用于刀尖上，并被分解成三个分量，以便于分析，文章中选择刀尖半径为0.2毫米，以减小其对再生性颤振机制的影响。
切削动力学被建模为SDF弹簧质量缓冲振子与切削刀具有效质量的结合，同时考虑了刀具的非线性刚度和等效运动阻尼系数。
在模型建立方面，有限元分析技术（FEMA）被用于结构的表示， 这种方法将结构的几何和非几何信息表示为数学描述和图形图像。
考虑到所分析结构的材料特性对FEMA模型构建非常重要，人们长期以来一直对将FEMA应用于加工分析产生了浓厚的兴趣。
LISA FEA软件提供了一套完整的工具，适用于模拟、分析、优化和验证工业领域中各种材料的应用，该软件能够解决与FEMA相关的广泛问题，也能处理设计几何形状方面的挑战。
在LISA有限元分析技术的模拟过程中，可以分为构建模型、解决模型和显示结果三个阶段， 构建模型阶段涵盖了几何建模、网格划分以及材料和工艺条件的设置，解决模型阶段执行各种控制方程，应用于模型进行分析。
模型考虑了刀具的变形，但尚未考虑温度影响，通过对切削载荷和相关挠度的测量，建立了刀具的有限元模型，模型考虑了约束以固定刀具的非切削侧，以及使用精细网格以提高模拟效果。
02
实验过程
切削力在金属车削过程中具有重要作用，它影响着刀具的偏转并表征了整个车削操作的特性，金属车削是一个复杂的过程。
其中涉及到多种非线性效应，例如材料的本构关系（涉及应力、应变、应变率和温度）、刀具的结构非线性、刀具与切屑界面的摩擦，以及机床驱动单元对切削流速的影响。
由于金属切削涉及多种复杂的非线性现象，传统的解析力模型无法准确预测切削力的动态分量，尤其是涉及重要现象的情况， 为了更准确地了解切削力的变化，并区分稳定条件和颤振条件下的切削情况，实验方法被采用，考虑了所有非线性参数。
实验在两轴数控车床机床上进行，旨在最大程度地减少影响切削刀具偏转和振动的各种因素。
为了达到这个目的，选择了最少流体应用的直接硬车削方法，因为它在减少刀具振动和切削力方面具有优势，相比传统的湿式和干式车削，这种方法在切削性能方面表现更好。
实验选取了低碳钢作为工件材料，这是一种广泛应用于工业领域的重要材料，通过对直径为D = 40 mm、长度为L = 400 mm的圆柱形样品进行加工，实验分析了不同切削参数下的影响。
在实验中，使用高速钢制成的整体式单点切削刀具进行切削，高速钢在钢材切削中具有广泛应用，因为它能够抵抗切削过程中的高压缩应力，从而减少刀具的变形和损坏。
刀具参数包括刀尖半径、后前角、端切削刃角和侧前角，刀具长度和悬伸量也被考虑进去，以最大限度地减少振动频率。
在实验中，采用直接测力法，通过将三分量压电测力计安装在数控车床上来测量切削力，使用预加载力进行安装，并使用数据采集系统将模拟信号转换为数字信号，实验数据记录在PC上。
03
动态模型振动结果分析
在描述具有单个自由度的单点切削刀具的动态特性时，刀具的偏转会导致动态切屑厚度的变化，预期的切屑厚度为F0，由于刀具的偏转，实际的动态切屑厚度为F。
使用等式中的参数激励进行切割，得到了不同情况下的切割结果，以w=700 rad/s作为参数激励的切割结果，这对应于刀具的小挠度， 研究结果表明切削过程的波动较小，在这种情况下假设切屑切削与稳态切屑厚度F0相当。
在w=800 rad/s的高频率不稳定切削过程中，激励切削力变大，刀具的挠度增加，导致系统动力学中出现了较大的切削波动，系统中产生的振动呈准周期性，显示了混沌运动间歇机制的基准。
当频率w=900 rad/s时，出现了粗切削频率，工件与切削刀具的相对运动对初始条件非常敏感，微小变化会导致快速发散的行为，形成混沌运动，系统的振荡能量通过阻尼耗散， 如果切削过程中产生的能量大于系统的阻尼能力，振幅将增大，直到足够大。
这种情况出现在大进给量和切削深度下，这会导致大的未切削切屑横截面积，进而导致切削力增大和切屑的大幅偏转，在此过程中，切削刀具以及刀具与工件之间的非线性相互作用变得更加明显。
通过使用非线性时间序列分析，识别了可能导致混沌运动的频率，这种识别对于开发控制策略和最小化颤振现象的可靠方法非常有帮助。
对于频率较小时，系统的响应呈现简谐振动，相平面为椭圆形，而在大频率情况下，除了基波外，还会出现附加的谐波，导致相平面从简单的椭圆形变为扭曲形状，方程中的非线性效应会显著放大系统初始条件下的误差。
04
3D FEMA 结果
在这项研究中，切削刀具被视为一端固定的悬臂梁，其悬伸量为40毫米，研究旨在通过对切削刀具在切削载荷下的稳态响应进行动态分析，来确定刀具的偏转情况。
为了实现这一目标，研究者使用了实验获得的载荷数据，并将其应用于模型的指定位置，瞬态响应分析用于分析模型的动态行为， 实验结果表明模型承受着时变载荷，并确定了这些载荷导致的总偏转量。
在实验中，切削力在模型中施加，以了解切削刀具的偏转方向，通过在切削力的变化范围内（从100到400牛顿，步长为50）进行计算，得到了偏转的大小。
实验中采用300牛顿大小的切削负荷，并施加在向下方向的刀具尖端，经过模态分析，最大的偏转量为0.064毫米。
3D有限元分析结果表明，最大的偏转位于切削刀具的端切削刃处，这表明在切削过程中，刀具和工件之间存在非线性相互作用，尤其在刀具偏转的情况下。
切削偏转主要影响刀具的悬臂部分，对于夹持在刀架中的刀柄部分而言，偏转几乎可以忽略，3D有限元分析的结果进一步证实了这一点 ，这些结果基于仿真软件提供的多个彩色轮廓图。
分析切削刀具的机械特性的目的是为了了解其在承受切削颤振和偏转方面的能力，研究者定义了加工过程的几何形状和测量量的描述，包括切削力的方向（x、y和z方向）。
实验测得的切削力分为三个分量：FX（进给力）、FY（径向力）和FZ（主切削力），通过改变切削参数，如转速、进给量和切削深度，进行了一系列实验，在所有实验中，工件的直径保持恒定。
从时程结果可以明显看出，主切削力分量在切削过程的动态行为中起着重要作用 ，主切削力分量对切削稳定性有较大影响，为了进一步分析稳定和颤振情况，研究者对主切削力分量的信号进行了处理，并将时程图转换为频域图，采用了快速傅里叶变换（FFT）。
主切削力分量的频域图，清楚地观察到颤振频率和振幅，通过处理测得的切削力数据，得到了切削力的平均值，分别是FZ、FY和FX，这些结果显示主切削力分量在z方向（主切削力）的平均力最大，而在x方向（进给力）的平均力最小。
进一步的实验结果表明，进给量和切削深度的增加会导致切削力的显著增加，从而在系统动力学中引发切削波动。
这种波动的存在表现在时程图中，同时在频域图中也呈现出具有高峰值的特征，这些现象表明切削刀具的非周期性振动频率随之增加。