动态信号检测振动攻丝刀具磨损研究

1 动态切削力信号分析原理

图1 振动攻丝扭矩

任何切削力信号都是静态切削力与动态切削力的叠加，如图1所示。Fm为静态切削力，是切削力信号的均值；ΔFm为动态切削力，是切削力的波动部分。由于在力传感器输出中，静态力是一个变化缓慢的直流电压分量，动态力是一个交变电压分量，直流电压分量可以通过高通滤波器滤掉，只得到交变电压分量，即动态切削力信号。对于动态切削力信号可以用傅立叶积分表示为

式中：

X(jw)称为动态切削力信号x(t)的傅立叶积分变换。

根据维纳-辛钦关系式，动态切削力自功率谱Sx(jw)为

式中：

Rx(τ)称为动态切削力信号x(t)的自相关函数。

根据巴什瓦定理，时域内的总功率与频域内的总功率满足下列关系式，即

若在有限长度T内考虑动态切削力信号，则有

式(6)反映了功率谱与幅值谱之间的关系，实际应用中采用单边功率谱，即功率谱的频率范围为(0，+ ∞)。考虑到能量等效，单边功率谱Gx(jw)应为 Gx(jw)=2Sx(jw)

综上所述，得到动态切削力信号功率谱可以通过两种途径：一种是求信号的幅值谱；另一种是求信号的自相关函数，然后求其功率谱。实际应用中采用计算机分析，通过采样将切削力信号离散化，用时序方法得到其功率谱。

2 试验装置

试验装置组成原理图如图2所示。切削力(攻丝扭矩和轴向力)通过四向精密测力仪测量，切削力信号经过动态应变仪放大后，一路通过X-Y记录仪记录，另一路经过抗频混滤波后送计算机数据采集与分析系统，得到动态切削力的时域信息，将时域样本记录进行FFT处理，得到相应的频域特性，即动态切削力信号的功率谱，并通过打印机记录。

图2 试验装置组成原理图

3 试验分析

试验的目的是研究在频域内动态切削力随丝锥磨损的变化规律。试验条件如下：机床：作者研制的数控振动攻丝机床；丝锥：M3mm×0.5 mm，高速钢材料，经过修磨，2级精度；工件材料：钛合金TC4，供应状态，棒材；工件底孔：φ2.6 mm×15 mm，通孔；切削液：自配；润滑方式：浸泡；振动攻丝转速：39r/min；振幅：0.275 mm；频率：8.2 Hz；振型：22-3-8-5。

试验中其中一只丝锥共攻出16个孔，丝锥经历了初期磨损、正常磨损和剧烈磨损阶段，最后出现攻丝过程不平稳，产生明显振动。攻第16个孔时，攻丝过程中出现抱锥，间歇切削，即丝锥时转时停，后刀面磨损值达0.27mm，出现刀齿局部微小崩刃，有两个校正齿完全崩掉，失去切削能力。图3为攻第2个孔时，动态攻丝扭矩的时域图(a)和频域图(b)。

图3 动态攻丝扭矩时域图(a)和频域图(b)

从FFT分析仪CF-920得到的攻丝全过程动态攻丝扭矩时域图和频域图可以看出，尽管动态攻丝扭矩时域图形差别很大，但是其功率谱图有极其相似的形状，只是在主要频率处谱峰变化不同。进一步分析知：动态攻丝扭矩的功率谱有两个主要峰值，一个在低频段5Hz左右，另一个在较高频率段350 Hz左右，谱峰的能量随着丝锥的磨损逐渐增加。表1为主要谱峰频率功率值(采用线性谱表示，为功率谱值的平方根)随丝锥磨损的变化情况。攻丝初期，主要峰值的功率值较小，而且整个动态信号的全功率值也较小。随着攻丝个数的增加，丝锥逐渐磨损，主要峰值的功率值明显上升，整个动态信号的全功率值也增加，说明刀具磨损后，刀具与工件的摩擦面积增加，影响到各种频率信号的能量增加。刀具产生崩刃时，高频段主要峰值能量迅速增加，而且整个信号的全功率值上升。

表1 主要峰值频率功率值

攻丝个数频率5 Hz
左右功率值/V频率350 Hz
左右功率值/V10.229 90.102 930.293 80.098 270.308 30.110 4100.332 90.135 2140.434 00.158 5160.277 80.408 3

在其他条件不变，只将振幅变为0.49 mm，频率变为5.8Hz，所做丝锥磨损试验与上述试验有相同的变化规律，说明振动攻丝刀具磨损与攻丝扭矩功率谱存在着特定关系。在丝锥严重磨损至崩刃，较高频率段的主要谱峰值明显增加，而且在整个频域的全功率值增加。由于对于任何攻丝条件下，主要谱峰的频率数少，因此，计算量大大减少，为实际监控提供了方便，工程应用完全是可行的。

4 结束语