金刚石工具与石材摩擦磨损动态特性分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Study on Dynamic Characters of Friction andW ear Between Diamond Tool and StoneZhao Min Cao Ruiyuan Zhang Yunfeng W u Bin(School of Traffic and Mechanical Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 1 10168，China)Abstract：The friction and weal"properties of electroplated diamond tools against stone were studied on MMW-1 verticaluniversal friction and wear tester under room temperature and dry sliding condition.The hardness of the stone was meas-ured by Hv-1000 microscopic hardness tester.By applying the correlation in stochastic process，the self-correlation analysisand power spectra density analysis was made for the measured friction coefficient.The resuhs show that the frictional coeffi-cient between the diamond tool and stone is increased with the increase of stone hardness，and also increased along with theincrease of load and spindle speed.When the spindle speed is more than 200 r/min，the friction coeficient is in a station-ary random process.The load has less influence on the power spectral density of friction coefficient，but the spindle speedbigger influence on the power spectral density of friction coeficient。

Keywords：diamond tool；stone；friction coefficient；autocorelation function；power spectral density function随着石材加工设备向着数控加工中心方向发展，石材数控加工设备中金刚石工具的制造和合理使用成为-项关键技术问题。随之而来对金刚石工具的性能要求不断提高 。

影响金刚石工具寿命的因素很多，除了其本身的结构和成分外，还包括所加工石材的特性和加工工艺参数 。目前 ，对金刚石工具的研究主要集中在提高金刚石工具的耐磨性，降低成本等方面，对于降低基金项目：住房和城乡建设部研究开发项目 (2012-K3-44；2012-K4-29)。

收稿 日期 ：2012-11-14作者简介：赵民 (1958-)，男，博士，教授，主要从事石材脆性材料加工和材料表面改性技术 .E-mail：zhao58min###yahoo。

金刚石工具表面摩擦因数，减小切削力，降低使用成本等方面研究较少 。本文作者以电镀金刚石工具与石材为摩擦副，研究各加工参数对金刚石工具摩擦因数的影响，探讨了金刚石工具的动态摩擦特性。通过实验得到的金刚石工具与石材之间的摩擦因数可以确定工具所受的切削力，为石材加工设备设计提供参数。

1 实验部分实验采用的金刚石工具长度为33 mm，直径为6mm，金刚石粒度为 120目。所磨削的石材为大理石(米黄)，花岗岩 (黑金沙)，其 中大理石主要含50% ～75%碳酸钙，花岗岩含 二氧化硅 70% 以上。

采用 HV-1000显微硬度计测量石材表面硬度，加载 1N，保持时间为 10 S，所测得的石材硬度值及均值和52 润滑与密封 第 38卷方差如表 1所示。

表 1 石材硬度Table 1 Stone hardness金刚石工具与石材之间的摩擦磨损实验在 MMW-1立式万能摩擦磨损试验机上进行，以金刚石工具为销，石材板为盘，构成销 -盘式摩擦副。通过改变主轴转速和载荷来研究金刚石工具与石材的摩擦因数的变化趋势。实验在2种条件下进行： (1)固定转速为300 r/min，载荷分别为20、40、60和80 N；(2)固定载荷为20 N，转速分别为200、300、400、500和600 r/min。实验时间均为 1 min。

2 实验结果与分析2.1 转速和载荷对摩擦因数的影响摩擦因数是衡量材料摩擦磨损性能的重要指标之- 。 金刚石工具与2种石材的摩擦因数随主轴转速变化的曲线如图 1所示∩见，随着主轴转速的增加，摩擦因数呈现增大的趋势。磨削花岗岩时的摩擦因数为 0.6～2.3，磨削大理石时的摩擦 因数为0.43-1.13，表明石材硬度越大，金刚石工具的摩擦因数变化范围越大。

2.52豁1.5日糍掰 10.50200 300 400 500 600转速n，(r-min )图1 不同转速下金刚石工具的摩擦因数曲线Fig 1 The friction coeficient of diamond toolunder diferent spindle speeds根据不同转速下所对应的平均摩擦因数来计算2种石材平均摩擦因数的方差，其中大理石的平均摩擦因数均值为 0.690 22，方差为0.101 32，花岗岩的平均摩擦因数均值为 1.197 083，方差为0.432 5，大理石的均值与方差均小于花岗岩。

金刚石工具磨削2两种石材的摩擦因数随载荷的变化曲线如图2所示∩见，金刚石工具磨削2种石材时的摩擦 因数随着载荷的增加总体呈现增大的趋势。磨削花岗岩时的摩擦因数为0.27～0.45，磨削大理石时的摩擦因数为 0.24～0.39。根据不 同载荷下所对应的平均摩擦因数来计算2种石材曲线的方差，其中大理石的平均摩擦因数均值为 0.274 112，方差为 0.003 67，花岗岩的平均摩擦因数均值为0.300 733，方差为0.006 4。

0.4S0.40.35骚 O·3隧 0.25糍 0.2世 O. 150.10.05040 60 80 100 120转苟P，N图2 不同载荷下金刚石工具的摩擦因数曲线Fig 2 Th e friction coefficient of diamond tool under diferent loads从均值与方差的角度分析表明了转速对金刚石工具摩擦因数影响较大。

2.2 金刚石工具与石材摩擦因数 自相关分析自相关函数反映随机过程内不同时刻之间的相关程度，自相关函数与随机函数在t与t。t 两时刻的值有关 。随机函数的自相关函数定义为 [ (t)-(t)]与 [ (tr) - (tr)]的乘积的平均值，即Rx(t，t )E [ (t) - (t)][ (tr) -，础 (tr)]由于本次试验时间为60 s，所以每隔5 S取-个数据，共12个数据建立磨削摩擦因数的自相关函数曲线。

图3示出了根据公式计算得到的不同转速下金刚石工具磨削大理石和花岗岩的摩擦因数自相关函数曲线。

2013年第 5期 赵 民等：金刚石工具与石材摩擦磨损动态特性分析 53时间f，s offot/s(a)磨削大理石 自相关函数曲线 (b)磨削花岗岩 自相关函数曲线图3 不同转速下磨削大理石和花岗岩自相关函数曲线Fig 3 Autocorrelation CUlWeS of marble grinding(a)and granite(b)grinding under diferent spindle speeds主轴转速在200 r/min时，摩擦因数的自相关函数曲线具有周期性 ；主轴转速达到 300 r/min后，摩擦因数的自相关函数曲线都趋于常数，基本为各态历经过程。

磨削大理石自相关函数的最大值为0.876 3，磨削花岗岩自相关函数的最大值为 1.671 6。

图4示出了根据计算得到的不同载荷下金刚石工具磨削大理石和花岗岩的摩擦因数自相关函数曲线。

比较不同载荷时自相关值的大小 ，可以看出，载荷为20 N时无论磨削大理石还是花岗岩，摩擦因数的自相关性较差。当载荷在40～80 N时，2种石材的自相关函数曲线都趋于常数，基本为各态历经过程。自相关函数基本随时间呈周期变化 ，有周期规律性。

时间 s 时间f，s(a)磨削大理石自相关函数曲线 (b)磨削花岗岩自相关函数曲线图4 不同载荷下磨削大理石和花岗岩自相关函数曲线Fig 4 Autoeorrelation curves of marble grinding(a)and granite(b)grinding under diferent loads磨削大理石自相关函数的最大值为0.874，磨削花岗岩 自相关函数的最大值为 1.195 1。

2.3 磨削加工摩擦因数功率谱分析为了进-步研究摩擦因数在频域 中变化的影响，采用功率谱密度函数对相应的摩擦因数进行了分析，研究摩擦因数在频域中的变化情况，探讨各种频率对摩擦因数的影响。

根据功率谱函数计算公式 ，利用 Matlab7.0应用程序开发工具编写功率谱密度程序，通过计算的数据得到功率谱密度图。

图5示出了不同转速下磨削大理石和花岗岩功率谱曲线。从图 (a)中可以看出，转速在 200～400r/min之间时，磨削大理石功率谱密度最大振幅都为5 Hz左右，以后就很快衰减；转速为500 r/min时，最大振幅为6 Hz，随着频率增加，波动仍然较大；在转速为200和500 r/min时功率谱振幅较大，在转速为 300和400 r/min时，功率谱振幅较校从图(b)中可以看出，磨削花岗岩功率谱密度振幅主要集中在低频段 (20 Hz以下)，以后很快衰减；在不同转速下磨削花岗岩最大振幅都在5 Hz左右，磨削花岗岩时转速在200 r/min时振幅最大，随着转速增加振幅依次减校摩擦磨损试验机工作频率在4～9 Hz之间。因此摩擦因数功率谱密度振幅主要由工作频率引起。磨削大理石功率谱密度最大振幅在0.2～1.85之问，磨削花岗岩功率谱密度最大振幅在 1.17～10.73之间54 润滑与密封 第38卷0 20 40 60 0 20 40 60f/Hz f/Hz(a)磨削大理石功率谱曲线 (b)磨削花岗岩功率谱曲线图5 不同转速下磨削花岗岩功率谱曲线Fig 5 Power spectral density curves of marble grinding(a)and granite(b)grinding under diferent loads图6示出了不同载荷下磨削大理石和花岗岩功率谱曲线∩以看出，载荷对石材功率谱密度影响较小，在不同载荷下，功率谱最大振幅在0.3～0.8范围内波动。从图 (a)中可以看出，磨削大理石时在低频时振幅最大，随频率增加振幅逐渐衰减。从图(b)中可以看出，磨削花岗岩功率谱密度振幅主要集中在低频频段 (10 Hz以下)，以后就很快衰减。

f/Hz(a)磨削大理石功率谱曲线由以上分析结果可知，载荷对功率谱幅值影响较小，而主轴转速对功率谱幅值影响较大。

3 结论(1)金刚石工具摩擦 因数与主轴转速，所施加载荷和磨削石材硬度有关。摩擦因数随着主轴转速和所施加的载荷的增加而增加。石材硬度越大，摩擦因数越大，离散性越大。

(2)当转速为200 r/min时摩擦因数自相关函数随时间而成-定周期变化，而其他转速下，相关函数基本趋于零 ，摩擦因数为平稳随机过程。

(3)载荷对摩擦因数的功率谱密度影响较小，而主轴转速对摩擦因数的功率谱密度影响较大。