低頻振動(dòng)鋼筋磨切系統(tǒng)試驗(yàn)研究

李 慨，劉慶輝，侯書(shū)軍，王 坤

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300131）

1 引言

近年來(lái)，隨著高層建筑與公路運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的快速發(fā)展，與之相關(guān)的人體與結(jié)構(gòu)高速撞擊的事故呈多發(fā)事態(tài)。其中，鋼筋等金屬物貫入人體，而幸運(yùn)地未傷及人體主要器官和動(dòng)脈，從而需要緊急救援的案例自然也就不在少數(shù)。

鋼筋插入人體后，一般被人體的軟組織包圍，其間的相互接觸狀態(tài)，十分不清。其中最危險(xiǎn)的情況是，鋼筋傷及動(dòng)脈并使之處于壓迫止血狀態(tài)，一旦鋼筋與人體之間的壓迫狀態(tài)失去，會(huì)加速失血，引發(fā)生命危險(xiǎn)。因此，比較好穩(wěn)妥的救治辦法，就是以較低擾動(dòng)與損傷切斷人體外的鋼筋，盡力保持人體與鋼筋當(dāng)前較為安全的接觸狀態(tài)，迅速移送至醫(yī)院進(jìn)行急救處理。

目前負(fù)責(zé)處理該類(lèi)事故救援的消防部門(mén)切斷鋼筋的工具有兩類(lèi)：（1）剪斷；（2）磨斷。剪斷類(lèi)工具包括液壓剪和沖擊式剪斷器，工作時(shí)都會(huì)在剪斷瞬間，釋放很大的沖擊能，從而有傷及人體組織器官的危險(xiǎn)。而磨斷類(lèi)工具，則一般采用手持式砂輪切割機(jī)進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 鋼筋插入人體示意圖及磨削切割Fig.1 Schematic Diagram of Steel Bar Inserted into Human Body and Grinding Cutting

手持式砂輪切割機(jī)由工業(yè)下料用砂輪切割機(jī)發(fā)展而來(lái)[1?2]，相比于其它切斷方式，砂輪片切割可以無(wú)需刃磨刀具的情況下，高效切斷包括高硬度材料在內(nèi)的各種材料，因此，不僅在工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛，而且，各種型號(hào)的手持式砂輪切割機(jī)，也成為救援隊(duì)伍的必備工具。

但是，砂輪切割機(jī)也有自身的弱點(diǎn)：磨切作業(yè)時(shí)火花四濺，溫度過(guò)高，而且切割力會(huì)傳給人體，引起鋼筋與人體的相對(duì)位移。因此，從盡力減少對(duì)傷者的二次傷害、提高工具效率和操作性的角度看，砂輪切割機(jī)尚需進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)[3?4]。由日本隈部淳一郎教授提出的振動(dòng)切削，在常規(guī)切削中引入振動(dòng)，可以減小切削力、降低溫升提高切削效率。應(yīng)用于磨削加工研究多采用超聲振動(dòng)[5]，磨削力大幅減小[6]，但是存在當(dāng)工具頭結(jié)構(gòu)較大時(shí)超聲換能器設(shè)計(jì)困難[7]以及溫升較大等不足；低頻振動(dòng)切削（20～150）Hz靠機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，技術(shù)難度小，使用維護(hù)比較方便[8]。低頻振動(dòng)切削最成功的案例，就是法國(guó)Mitis公司把低頻振動(dòng)輔助鉆孔裝備用于航空難加工材料的高精度制孔作業(yè)[9?10]。

本課題組搭建低頻振動(dòng)磨切試驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性以及振動(dòng)強(qiáng)化切削過(guò)程的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲取在較小磨削力下低溫高效磨切的工藝參數(shù)，以研制適用于人體貫穿傷的專(zhuān)業(yè)切割救援工具。

2 試驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)的搭建

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

進(jìn)給方向低頻振動(dòng)輔助磨削切斷試驗(yàn)樣機(jī)，如圖2所示。該裝置將一個(gè)手持式角磨機(jī)彈性支承（主振彈簧）于一個(gè)可以沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的支架上。角磨機(jī)經(jīng)過(guò)改裝，附加了偏心激振裝置，從而可使砂輪切割片在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿直線導(dǎo)軌的進(jìn)給方向產(chǎn)生低頻振動(dòng)。為了保證砂輪片以恒力貼緊被切削的棒狀工件，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)滑輪組，通過(guò)繩索末端的砝碼的重力，穩(wěn)定推動(dòng)繩索另一端的運(yùn)動(dòng)支架沿直線導(dǎo)軌進(jìn)給，從而通過(guò)主振彈簧，頂緊在固定于工件支架的鋼筋上。

圖2 徑向低頻振動(dòng)輔助磨削切斷平臺(tái)Fig.2 Radial Low?Frequency Vibration?Assisted Grinding Experiment System

試驗(yàn)所用刀具為暴龍王牌綠雙網(wǎng)超薄切割片，磨粒種類(lèi)為棕剛玉，粒度60#，結(jié)合劑為強(qiáng)力樹(shù)脂。切割片外徑Φ150mm，內(nèi)徑Φ22mm，厚度1.2mm。切斷過(guò)程中不使用冷卻液。

試驗(yàn)中被切割工件材料為45號(hào)鋼，為保證切斷過(guò)程中切割片的接觸弧長(zhǎng)一致，工件截面為（25×25）mm的正方形。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)的搭建

試驗(yàn)所用的測(cè)試系統(tǒng)主要包括LMS 振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)、OFV?505∕5000 高性能單點(diǎn)激光測(cè)振儀以及Kistler9257B 多分量測(cè)力儀。測(cè)力儀通過(guò)螺栓連接到固定在工作臺(tái)上的L型支架上，并與夾緊工件的平口鉗連接；高靈敏度光學(xué)頭及加速度傳感器放置在設(shè)備的尾部，如圖3所示。

圖3 振動(dòng)磨切試驗(yàn)樣機(jī)原理與測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of Vibration Grinding Prototype

3 試驗(yàn)

3.1 樣機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)的確定

原理樣機(jī)是依賴(lài)外力將砂輪片貼緊在工件上，來(lái)實(shí)現(xiàn)切割作業(yè)的。在砂輪片高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，砂輪與工件之間沿砂輪徑向的切削力實(shí)為一個(gè)以這個(gè)擠緊力為平均值的小幅動(dòng)態(tài)力，動(dòng)態(tài)力的大小，由砂輪的顆粒大小與轉(zhuǎn)速確定。

在砂輪子系統(tǒng)引入偏心激振后，徑向振動(dòng)位移加大，砂輪能否與工件保持有效接觸，是系統(tǒng)能否正常工作的條件。為此，對(duì)于樣機(jī)在改變激振力頻率（偏心激振的偏心距不變）和頂緊力的情況下，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)所受到的頂緊力越大，則其允許的工作頻率越高，而動(dòng)態(tài)切削力自然也越大。

處于非穩(wěn)定工作區(qū)時(shí)，砂輪片與工件之間不是每個(gè)振動(dòng)周期均接觸一次。而處于穩(wěn)定工作區(qū)時(shí)，砂輪片與工件處于周期接觸?分離狀態(tài)，從而為穩(wěn)定的振動(dòng)磨切創(chuàng)造了必要條件。經(jīng)試驗(yàn)，該樣機(jī)在進(jìn)給力（30～100）N，激振頻率在（35～48）Hz范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的振動(dòng)磨切，后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究的振動(dòng)頻率固定為40Hz。

3.2 工作模式與工作參數(shù)對(duì)磨切效率的影響規(guī)律

分別改變進(jìn)給力和主軸轉(zhuǎn)速兩個(gè)參數(shù)來(lái)探究引入低頻振動(dòng)帶來(lái)的影響。為了排除切割片磨損帶來(lái)的差異，每進(jìn)行一個(gè)新的試驗(yàn)參數(shù)時(shí)，更換一次切割片，每個(gè)參數(shù)下進(jìn)行三次試驗(yàn)。對(duì)測(cè)得的結(jié)果取平均值進(jìn)行分析。

3.2.1 進(jìn)給力對(duì)磨切效率的影響規(guī)律

選取設(shè)備的最大轉(zhuǎn)速5500r∕min 為工作轉(zhuǎn)速。進(jìn)給力參數(shù)在（30～100）N之間，且每隔10N選取一個(gè)試驗(yàn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：普通磨切在進(jìn)給力30N時(shí)，磨粒只產(chǎn)生滑擦作用，并不切除金屬；當(dāng)進(jìn)給力增大到40N時(shí)，磨?？梢郧谐饘?，但效率很低，而且切削過(guò)程中極易出現(xiàn)切割片鈍化現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)給力增大到50N時(shí)，切割片可以穩(wěn)定的切斷工件，并隨著進(jìn)給力的增大，效率逐漸提高。而在振動(dòng)磨切時(shí)，進(jìn)給力30N時(shí)就可以穩(wěn)定的切斷工件。

切斷工件所需要的時(shí)間統(tǒng)計(jì)信息，如表1、圖4所示。通過(guò)分析可以得出：（1）振動(dòng)的引入，不僅可以顯著提高切斷效率，而且切斷的最小進(jìn)給力大大減小；（2）無(wú)論普通磨切還振動(dòng)磨切模式下，隨著進(jìn)給力的增加，切斷工件所需要的時(shí)間都呈指數(shù)減少趨勢(shì)。切割效率隨進(jìn)給力增加在不斷提高。

圖4 不同進(jìn)給力下切斷工件所需要的時(shí)間Fig.4 The Effect of Feed Force Cutting on Time Consuming

表1 進(jìn)給力試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical Table of Feed Force Test Result

3.2.2 切割速度對(duì)磨切效率的影響規(guī)律

由上述的進(jìn)給力試驗(yàn)可得，在進(jìn)給力較低時(shí)，普通磨切無(wú)法完成工件的切斷。所以在探究轉(zhuǎn)速對(duì)磨削切斷的影響時(shí)，選取進(jìn)給力的試驗(yàn)參數(shù)為60N；設(shè)備的最大轉(zhuǎn)速為5500r∕min，且調(diào)速原理采用的是調(diào)壓調(diào)速，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，設(shè)備所能產(chǎn)生的扭矩較低，會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速參數(shù)為4500r∕min、5000r∕min、5500r∕min。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的提升，磨削過(guò)程中產(chǎn)生的火花逐漸增大。而且相同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)磨切時(shí)的火花會(huì)比普通磨切時(shí)的火花大。

試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)給力60N時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，切斷工件所需要的時(shí)間逐漸減少，并且轉(zhuǎn)速與效率近似呈線性關(guān)系；低頻振動(dòng)的添加可以提高切削效率，而且提高的效果與轉(zhuǎn)速關(guān)系不大，如表2、圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下切斷工件所需要的時(shí)間Fig.5 The Effect of Speed Grinding on Time Consuming

表2 轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical Table of Rotational Speed Test Result

3.2.3 砂輪磨損與磨切效率

為了全面考察低頻振動(dòng)對(duì)磨切過(guò)程的影響，還對(duì)切割過(guò)程中的砂輪磨損量進(jìn)行了研究，如圖6 所示。可以看出振動(dòng)的引入，進(jìn)給力小于（40～50）N時(shí)，系統(tǒng)可以以較小磨損量獲得較高磨切效率。此處的進(jìn)給力是驅(qū)動(dòng)砂輪擠緊被切割工件的配重的重力。砂輪片與被切割工件的實(shí)際法向力，應(yīng)該是上述重力減去導(dǎo)軌的摩擦力。而振動(dòng)的引入，除了引起砂輪片的振動(dòng)之外，也會(huì)減小導(dǎo)軌的摩擦力，從而增大砂輪片與被切割工件的實(shí)際法向力；振動(dòng)減小導(dǎo)軌摩擦力的規(guī)律，將在以后的研究中做進(jìn)一步的分析。

圖6 不同進(jìn)給力下單位砂輪磨損量切除的鋼筋面積Fig.6 The Area of Steel Bar Removed by Grinding Wheel Wear per Unit Under Different Feed Forces

3.2.4 磨切溫度

對(duì)比工作轉(zhuǎn)速5500r∕min、進(jìn)給力60N條件下，無(wú)振動(dòng)與40Hz振動(dòng)時(shí)的磨切斷面，如圖7所示?？梢钥闯?，無(wú)振動(dòng)輔助磨切的斷面較粗糙，呈暗黃色，為切割溫度較高導(dǎo)致氧化所致；振動(dòng)輔助磨切的斷面較光滑，顏色較淡，未出現(xiàn)氧化后的暗黃色，表明切割溫度較低。因此，切割中引入振動(dòng)也有利于降低切割區(qū)的溫升。

圖7 有無(wú)振動(dòng)輔助磨切斷面圖Fig.7 Cross Section of Cutting Grinding without or with Vibration Auxiliary

4 振動(dòng)強(qiáng)化磨切過(guò)程的機(jī)理分析

由上述樣機(jī)試驗(yàn)可知，振動(dòng)的引入，確實(shí)可以提高切削效率，減小最小進(jìn)給力。為了進(jìn)一步掌握其規(guī)律，下面從切削機(jī)制上對(duì)振動(dòng)引發(fā)的切削效率提高機(jī)制進(jìn)行分析。

4.1 普通磨切與振動(dòng)磨切過(guò)程中的振動(dòng)與切削力分析

普通磨切過(guò)程與振動(dòng)磨切過(guò)程的切削力的頻譜圖，如圖8、圖9所示。表明在普通磨切過(guò)程中，切割片孕鑲的磨粒與工件的摩擦接觸過(guò)程的無(wú)規(guī)律特征，切削力的頻譜為無(wú)規(guī)律的寬頻分布；而振動(dòng)磨切過(guò)程除了出現(xiàn)主頻振動(dòng)，還出現(xiàn)了倍頻成分，說(shuō)明切割片與工件之間發(fā)生了碰撞，引發(fā)倍頻。

圖9 振動(dòng)磨切磨削力頻譜圖Fig.9 Spectrum Diagram of Grinding Force During Vibration Grinding and Cutting

進(jìn)給力50N，轉(zhuǎn)速5500r∕min時(shí)振動(dòng)磨切過(guò)程中，振動(dòng)加速度與切削力的時(shí)域響應(yīng)對(duì)比，如圖10所示。

圖10 振動(dòng)磨切過(guò)程中的振動(dòng)與切削力時(shí)域信號(hào)對(duì)比Fig.10 Comparison of Time Domain Signals between Vibration and Cut?ting Force in Vibration Grinding and Cutting Process

通過(guò)圖10可以發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定振動(dòng)工作區(qū)內(nèi)，切割片確實(shí)與工件之間發(fā)生有規(guī)律的振動(dòng)碰摩，導(dǎo)致振動(dòng)加速度與切削力出現(xiàn)尖點(diǎn)脈沖，頻率與激振頻率相同，而幅值顯著增大。

4.2 磨粒臨界侵入深度與振動(dòng)強(qiáng)化磨切機(jī)理

磨削過(guò)程中磨粒的形狀與分布均處于不規(guī)則的隨機(jī)狀態(tài)，為了方便研究，我們將砂輪進(jìn)行理想化。認(rèn)為磨粒切削刃以間隔L沿砂輪圓周方向均勻排列，磨粒切削刃以相同的切削路徑連續(xù)的切削工件。選取單顆磨粒對(duì)磨削過(guò)程進(jìn)行分析。根據(jù)磨粒的切削厚度，磨削過(guò)程可以分為三種情況，滑擦、耕犁和切削，如圖11所示。在滑擦和耕犁階段，磨粒并不產(chǎn)生磨屑。要使磨粒起切削作用，存在一個(gè)臨界的磨粒侵入深度[11]。

圖11 磨削過(guò)程示意圖Fig.11 Shematic Dagram of Ginding Pocess

由前述實(shí)驗(yàn)可以看到，在普通磨切模式下，磨粒對(duì)于工件的進(jìn)給力基本等于平均進(jìn)給力。當(dāng)該力小于50N 之前，顆粒的侵入深度較小，基本屬于劃擦與耕犁階段，形不成磨屑去除。而當(dāng)平均進(jìn)給力大于50N之后，則開(kāi)始有切削效果，說(shuō)明此時(shí)磨粒的侵深已經(jīng)超過(guò)材料的變形破壞極限。

且隨著進(jìn)給力的增大，切削效率逐漸提高。如果為砂輪片引入進(jìn)給方向的振動(dòng)，在進(jìn)給力小于50N，這個(gè)普通磨切模式的最小進(jìn)給力的情況下，就開(kāi)始出現(xiàn)磨屑去除。這是因?yàn)?，振?dòng)碰磨發(fā)生，使切削區(qū)內(nèi)的磨粒侵深大大超過(guò)普通磨切磨粒的侵入深度，形成磨屑，發(fā)生切削去除，如圖12所示。

圖12 進(jìn)給力與振動(dòng)力復(fù)合作用Fig.12 Compound Action of Feed Force and Vibration Force

振動(dòng)使砂輪與被切金屬產(chǎn)生周期性的侵入和分離。侵入時(shí)提供較大的動(dòng)態(tài)力，產(chǎn)生銳化作用，使砂輪磨粒進(jìn)給速度加大、侵入深度加大，切削去除金屬效率提高；另外，分離時(shí)去除切屑，騰出容屑空間，散發(fā)熱量，有利于下一次切除金屬。這也是雖然低頻振動(dòng)產(chǎn)生斷續(xù)切削，反而提高切削效率的部分原因。但是，隨著進(jìn)給力的增大，兩種磨切模式的切削效率提升幅度，都在呈遞減趨勢(shì)，而其切割片的磨損，也在不斷增大。因此，實(shí)際上也存在一個(gè)最優(yōu)的進(jìn)給力與振動(dòng)強(qiáng)度的組合，希望在以后的研究中，繼續(xù)細(xì)化和深化。

4.3 振動(dòng)磨切與二次損傷的關(guān)系分析

常規(guī)的切割片切斷作業(yè)，切削力偏大，自然容易引起鋼筋與周?chē)梭w軟組織的較大相對(duì)位移。而一般來(lái)說(shuō)，在切削過(guò)程中引入振動(dòng)，不僅可以減小靜態(tài)切削力，減小鋼筋與周?chē)浗M織的相對(duì)位移量，同時(shí)提高切割效率，降低溫升。另外，鋼筋的小幅振動(dòng)，遠(yuǎn)小于周?chē)浗M織的變形量，不會(huì)引發(fā)新的出血危險(xiǎn)。

5 結(jié)論

針對(duì)鋼筋類(lèi)棒料進(jìn)行快速切斷作業(yè)，設(shè)計(jì)并搭建了低頻振動(dòng)輔助磨削切割樣機(jī)，并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，研究了該振動(dòng)碰磨系統(tǒng)的固有特性，確定了系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)的主要參數(shù)（進(jìn)給力和激振頻率）的選擇范圍。

進(jìn)一步的磨切試驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)，低頻振動(dòng)可以減小完成切斷操作所需要的最小進(jìn)給力，提高切削效率并降低溫升，有效控制切割過(guò)程對(duì)人體組織的熱損傷。而振動(dòng)的引入也使切割過(guò)程中的平均切削力顯著減小，從而使鋼筋與周?chē)M織之間的相對(duì)位移量減小，有利于降低甚至避免周?chē)浗M織因失壓而出血的危險(xiǎn)。

因此，將低頻振動(dòng)引入砂輪切斷作業(yè)，不僅可以提高工作效率，也有利于保護(hù)傷者，可望發(fā)展出一類(lèi)低擾動(dòng)低損傷的高效切割工具，提高救援的速度與質(zhì)量。