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金剛石刀具的磨損在石材加工中對(duì)切削力的影響 S.Tuchetta 摘要 用金剛石刀具進(jìn)行石材加工是一種廣泛使用的方法，主要用于制造工藝標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和設(shè)計(jì)形狀，例如瓷磚、厚板、側(cè)石等等。切削力和切削能量可以用來(lái)檢測(cè)石材加工過(guò)程，但我們需要實(shí)證模型來(lái)選擇切削條件。在這方面，切削條件對(duì)切削力和切削能量的影響與理想切屑厚度有關(guān)，這些影響同樣與金剛石刀具的磨損有關(guān)。這篇文章中建立的實(shí)證模型可以用來(lái)預(yù)測(cè)切削能量的變動(dòng)。因此，這些模型可以指導(dǎo)切削條件的選擇并且預(yù)測(cè)何時(shí)應(yīng)該更換刀具。切屑的產(chǎn)生和清除過(guò)程應(yīng)當(dāng)分別滿足以下要求，一是符合刀具制造的參數(shù)要求，二是滿足切削過(guò)程參數(shù)的要求。 關(guān)鍵詞 石材 加工 電鍍金剛石磨盤(pán) 切削力 切削能量 術(shù)語(yǔ) b 切削寬度（mm） d 磨機(jī)直徑(mm) 切削深度（mm） 當(dāng)量磨削厚度（mm） 切削速度（m/min） 進(jìn)給速度（m/min） 切削力沿進(jìn)給方向的分量 （N） 切削力沿垂直于進(jìn)給方向的分量（N） 徑向切削力（N） 切向切削力（N） 和的合力（N） β 和之間的夾角（°） ? 和之間的夾角 （°） θ 軋機(jī)和工件之間的接觸角（°） 1 介紹 切削力和切削能是能夠更好理解機(jī)械加工工藝的重要參數(shù)，因?yàn)樗鼈兣c刀具磨損、切削溫度和表面完整性直接相關(guān)。在石材加工過(guò)程中，由去除石材的礦物成分使磨粒通過(guò)加工表面。了解石材加工過(guò)程中磨料之間相互作用的現(xiàn)行機(jī)制是有效使用切削過(guò)程的必要步驟。對(duì)切削現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)能使模型體現(xiàn)切削性能和控制參數(shù)的關(guān)系。 為了更好地控制切削過(guò)程，一個(gè)模型需要確定切割和控制參數(shù)之間的關(guān)系，同時(shí)相同的模型也應(yīng)該考慮金剛石刀具的磨損。 在石材切割文學(xué)中的研究比較少，Jerro展示了一個(gè)用來(lái)定義和推導(dǎo)理論切削幾何的數(shù)學(xué)方法[1]。由圖1，得知理論切削形狀、切削范圍和平均切屑的關(guān)系。徑向切削力和所獲得的切屑厚度的關(guān)系得到實(shí)證的研究。Brach 研究了在功率消耗中特定切削能的問(wèn)題來(lái)轉(zhuǎn)換測(cè)力計(jì)讀數(shù)[2]。Asche 顯示了刀具磨損的過(guò)程參數(shù)的實(shí)證結(jié)果[3]。Tonshoff開(kāi)發(fā)了一個(gè)由盤(pán)狀金剛石刀具工作地切割石模型，雖然沒(méi)有完全測(cè)試，但卻被廣泛地使用[4]。這個(gè)模型顯示了刀具的機(jī)械作用和工件的彈性及塑性變形，石材與金剛石之間的摩擦，石材與模型之間的摩擦。根據(jù)金剛石刀具的循環(huán)框架，Konstanty提出了一個(gè)天然石材的理論模型[5]。這些模型看起來(lái)并沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。Pai收集和觀察了在掃描顯微鏡下的石材樣本，并且把他們聯(lián)系到比切削能[6]。Wang用單點(diǎn)切削刀具模擬了金剛石的切削過(guò)程，并且證明了切削力和字符凹槽有相似的趨勢(shì)[7]。Di Ilio展示了一個(gè)分析模型，用來(lái)預(yù)測(cè)谷物和石材的最大磨損率，它為磨損機(jī)理提供了證據(jù)[8]。它是基于刀具磨損率取決于兩個(gè)因素的假設(shè)：前者只有一個(gè)矩陣的特征，而后者只是一粒特性，兩者都需要實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。Ersoy建立了一種比切削能、金剛石磨損和不同類型巖石的關(guān)系[9]。這些研究并不打算利用在石材加工過(guò)程中發(fā)生在工件表面的現(xiàn)象來(lái)給出一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)論。 圖1 測(cè)力計(jì)測(cè)量的和 這些文獻(xiàn)提供了許多關(guān)于韌性和脆性材料在研磨方面的數(shù)據(jù)。Malkin提出了一個(gè)有趣的模型，它是關(guān)于磨削功率和速率之間的關(guān)系，以及切削表面磨粒生成和陶瓷件的相互作用[10]。他通過(guò)在特定的磨削部位，舍入三角形頂端的影響，來(lái)加深這個(gè)模型[11]。對(duì)金屬材料的磨削工作顯示了許多模擬切削力的方法[12]。他們基于經(jīng)驗(yàn)主義[13]或是物理學(xué)的考慮[14,15]。 圖2 和力的組成 表1 Coreno Perlato Royal 和White Carrara石材的機(jī)械性能 材料性質(zhì) Coreno Perlato Royal White Carrara 密度[kg/] 2740 2705 吸水性[%] 4.0 0.06 耐壓強(qiáng)度[MPa] 163 131 楊氏模量[MPa] 72000 75000 撓曲強(qiáng)度[MPa] 12.8 16.9 抗磨損性 0.95 0.52 沖擊阻力[cm] 32 61 努普強(qiáng)度[MPa] 2001 1463 當(dāng)前的通過(guò)電鍍金剛石加工的工作模型被廣泛應(yīng)用在石材加工中，包括磨機(jī)和磁盤(pán)。刀具以一個(gè)恒定的速度繞其軸轉(zhuǎn)動(dòng)并勻速切入工件。刀具表面的金剛石磨粒通過(guò)石材的縫隙去除石材體積。切削過(guò)程主要受石材的機(jī)械—物理性能影響，例如粒度和強(qiáng)度：不同的礦石對(duì)切削機(jī)理、粘結(jié)劑的磨損和金剛石的磨損有不同的影響。影響這一過(guò)程的其他因素包括金剛石和原料之間的應(yīng)力、應(yīng)力在石材中的分布以及刀具和工件接觸表面的溫度。 這項(xiàng)工作地目的是研究切削力和切削能以及相關(guān)切削因素之間的關(guān)系，例如切削深度、進(jìn)給速度，因此提供關(guān)于刀具磨損的不同看法。特別地是，這個(gè)加工條件是那些被證實(shí)得產(chǎn)業(yè)觀點(diǎn)中最有趣的一個(gè)。切削力和能量被建模成一個(gè)等效切屑厚度的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)是一個(gè)刀具在不同階段磨損情況的簡(jiǎn)單通用的冪函數(shù)。 在以下的模型中，為切削力和等效切削厚度以及切削能與當(dāng)量磨削厚度或材料去除率的模型中，都可以通過(guò)磨機(jī)或磁盤(pán)體現(xiàn)。然后，他們測(cè)試了不同的工藝條件。 2 金剛石刀具在石材加工中的切削力 為了預(yù)測(cè)在金剛石磨削加工過(guò)程中切削力而提出的模型[17]。在石材加工過(guò)程中，切削力可以由放置在工件下的測(cè)力計(jì)測(cè)量出，如圖1所示。一個(gè)測(cè)力計(jì)可以分別測(cè)量出作用在工件上沿進(jìn)給速度方向和沿垂直于進(jìn)給方向的切削力的分量和。 由切向力和徑向力組成的切削力可以由結(jié)果計(jì)算所得。（見(jiàn)圖2） =Rsin? (1) =Rcos? (2) 其中： ?=β-Z×θ (3) 公式（3）中的參數(shù)Z取決于在在刀具A和工件C的接觸面上，弧線上合力R的應(yīng)用點(diǎn)的位置。 因此： Z= (4) 在由測(cè)量和的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定分量和之前，必須找到一些估計(jì)Z值標(biāo)準(zhǔn)的方法。如果切削深度是一個(gè)小的值，那么徑向切削力和法向切削力大致相同（見(jiàn)圖2）。對(duì)參數(shù)Z更準(zhǔn)確的估計(jì)可以能通過(guò)實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)，例如在[16]中的發(fā)現(xiàn)。在這項(xiàng)工作中，對(duì)于1mm的切削深度，采用0.5的值是可行的。 表2 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃 因素 級(jí)別編號(hào) 級(jí)別 切削深度 3 0.1—0.5—1.0 進(jìn)給速度 3 200—400—600 切削速度 1 3000 磨機(jī)磨損階段 5 1—2—3—4—5 復(fù)制 3 總切削 135 圖3 五種刀具不同階段的磨損值 切向切削力和徑向切削力對(duì)當(dāng)量磨削厚度由一個(gè)冪函數(shù)成比例。 =× （5） =× （6） 其中：和是切削力系數(shù)，和是常數(shù)。 當(dāng)量切屑厚度等于： = （7） 它是由切削深度、提供能量和切削速度與分別確定。 可以得出結(jié)論，通過(guò)定義四個(gè)參數(shù)（，，，），由公式（5）和（6），可以模擬兩個(gè)切削力和。這些是大體上的方程，他們適用于不同切削因素和磨損階段。以下部分將給與證明。 3 切削力模型的驗(yàn)證：金剛石球磨機(jī)磨損的影響 與磨機(jī)進(jìn)行石材切削相關(guān)的模型驗(yàn)證的詳情見(jiàn)[17]。 圖4 切削力分力的趨勢(shì)（進(jìn)給速度=200mm/min） 圖5 切削力分力的趨勢(shì)（=200mm/min） 實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái) Brembana Macchine數(shù)控加工中心上進(jìn)行的，鉆石磨機(jī)通常用來(lái)加工直徑和高度分別為20mm和37.5mm的觀賞性石材。工件材料是Coreno Perlato Royal大理石，它主要由包含海藻化石的碳酸鈣組成，從藝術(shù)的角度來(lái)看，它有一種光點(diǎn)和暗斑。與眾所周知的White Carrara大理石相比，它的機(jī)械特性見(jiàn)表1。 試驗(yàn)計(jì)劃如表2所示。它利用五個(gè)刀具磨損的典型條件，在刀具表面測(cè)量一個(gè)重要取樣標(biāo)準(zhǔn)的峰值。（圖3） 切削條件由當(dāng)量切屑厚度體現(xiàn)。為了減小系統(tǒng)誤差的影響，實(shí)驗(yàn)的切削按照一個(gè)隨機(jī)的順序進(jìn)行。切削力和已經(jīng)由 Kistler 壓電測(cè)量?jī)x（9257型）測(cè)出。 在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)提出的模型來(lái)分析刀具磨損的影響。具體來(lái)說(shuō)，為了測(cè)量在不同刀具磨損條件下切削力的組成，我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。切削力分量得到了各自條件下的測(cè)量：在切向方向的和正常方向的。 在公式5和6中對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析的恒定值與刀具磨損有關(guān)。特別是對(duì)于不同的磨損條件，它可能驗(yàn)證已提出模型的適用性。所有的回歸分析滿足假設(shè)殘差的正態(tài)性和均勻性。圖4顯示的是在五個(gè)不同的磨損條件下，當(dāng)量且屑厚度的切削力分量。從圖中可以得知，在測(cè)試條件為的最大值時(shí)，隨著磨損的增加，切削力分量大約從30N上升到60N。 圖7 切削力分力的趨勢(shì)（=400mm/min） 圖5顯示的是在五個(gè)不同的磨損條件下，當(dāng)量且屑厚度的切削力分量。從圖中可以得知，在測(cè)試條件為的最大值時(shí)，隨著磨損的增加，切削力分量大約從70N上升到300N。圖6、7、8和9顯示，在五種磨損條件下，以當(dāng)量切屑厚度為基礎(chǔ)的，進(jìn)給速度為400mm/min和600mm/min時(shí)的切削力大小。同樣在這種情況下，我們可以注意到，隨著刀具磨損的增加，切削力的分量有一個(gè)急劇的上升。 回歸分析通過(guò)考慮其他的“線性和非線性模型有關(guān)力和工藝參數(shù)，認(rèn)為所提出的模型更好并且更簡(jiǎn)單。 圖8 切削力分力的趨勢(shì)（進(jìn)給速度=600mm/min） 圖9 切削力分力的趨勢(shì)（進(jìn)給速度=600mm/min） 4 切削機(jī)理和表面質(zhì)量 加工后的表面在光學(xué)顯微鏡下檢查裂紋和碎屑。通常如圖10所示的缺陷報(bào)告圖用于樣品。 金剛石磨粒的主切削過(guò)程如圖10所示。在較小切削深度的條件下，大理石的破壞變形主要為塑性變形。隨著切深的增加，塑性變形變?nèi)?，然而切削表面的橫向裂紋增加。一些小的橫向裂紋出現(xiàn)在鱗片狀的凹槽底面，帶有碎石粉末的塑性變形區(qū)仍然在切槽的底部。破碎帶作為一個(gè)連續(xù)的部分，同時(shí)剪切裂紋沿著破碎帶的邊界。 沿著相對(duì)于刀具正價(jià)方向，對(duì)每一個(gè)已加工表面進(jìn)行粗糙度測(cè)量。圖11顯示的是在進(jìn)給速度為200mm/min時(shí)，五種刀具磨損條件下徑向切深下的粗糙度讀數(shù)。由圖11得知，粗糙度不取決于切削深度，并且隨著磨損的加劇它的假定下降值。這是因?yàn)槭聦?shí)上隨著磨損加劇，表面不規(guī)則度減小，磨損的鉆石投影更少的矩形，投影更多的圓形。進(jìn)給速度為400mm/min和600mm/m 圖10 進(jìn)行磨粒切削的大理石的切削機(jī)理 圖11 五種刀具磨損值的Ra值 5 結(jié)論 本研究建立的在天然石材加工上的模型，用于計(jì)算切削功率和能量，具體來(lái)說(shuō)，提出的模型驗(yàn)證了先前關(guān)于用金剛石刀具加工天然石材的研究。為了測(cè)試切削模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試取決于刀具的磨損情況，回歸模型顯示了在不同刀具磨損情況下的適用性?？偠灾狙芯渴谷藗冇勉姶埠徒饎偸繉哟疟P(pán)加工工作天然石材時(shí)確定簡(jiǎn)單模型來(lái)預(yù)測(cè)切削力和能量稱為可能，該模型還可以預(yù)測(cè)與刀具磨損相關(guān)的切削功率。 感謝 本研究由意大利 M.I.U.R.資助進(jìn)行。 參考文獻(xiàn) 1. 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