低頻振動鋼筋磨切系統試驗研究

李 慨，劉慶輝，侯書軍，王 坤

（河北工業大學機械工程學院，天津 300131）

1 引言

近年來，隨著高層建筑與公路運輸等行業的快速發展，與之相關的人體與結構高速撞擊的事故呈多發事態。其中，鋼筋等金屬物貫入人體，而幸運地未傷及人體主要器官和動脈，從而需要緊急救援的案例自然也就不在少數。

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，十分不清。其中最危險的情況是，鋼筋傷及動脈并使之處于壓迫止血狀態，一旦鋼筋與人體之間的壓迫狀態失去，會加速失血，引發生命危險。因此，比較好穩妥的救治辦法，就是以較低擾動與損傷切斷人體外的鋼筋，盡力保持人體與鋼筋當前較為安全的接觸狀態，迅速移送至醫院進行急救處理。

目前負責處理該類事故救援的消防部門切斷鋼筋的工具有兩類：（1）剪斷；（2）磨斷。剪斷類工具包括液壓剪和沖擊式剪斷器，工作時都會在剪斷瞬間，釋放很大的沖擊能，從而有傷及人體組織器官的危險。而磨斷類工具，則一般采用手持式砂輪切割機進行，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

手持式砂輪切割機由工業下料用砂輪切割機發展而來[1?2]，相比于其它切斷方式，砂輪片切割可以無需刃磨刀具的情況下，高效切斷包括高硬度材料在內的各種材料，因此，不僅在工業上應用十分廣泛，而且，各種型號的手持式砂輪切割機，也成為救援隊伍的必備工具。

但是，砂輪切割機也有自身的弱點：磨切作業時火花四濺，溫度過高，而且切割力會傳給人體，引起鋼筋與人體的相對位移。因此，從盡力減少對傷者的二次傷害、提高工具效率和操作性的角度看，砂輪切割機尚需進一步進行改進[3?4]。由日本隈部淳一郎教授提出的振動切削，在常規切削中引入振動，可以減小切削力、降低溫升提高切削效率。應用于磨削加工研究多采用超聲振動[5]，磨削力大幅減小[6]，但是存在當工具頭結構較大時超聲換能器設計困難[7]以及溫升較大等不足；低頻振動切削（20～150）Hz靠機械裝置來實現，其驅動裝置結構簡單，造價低，技術難度小，使用維護比較方便[8]。低頻振動切削最成功的案例，就是法國Mitis公司把低頻振動輔助鉆孔裝備用于航空難加工材料的高精度制孔作業[9?10]。

本課題組搭建低頻振動磨切試驗樣機，并對其動力學特性以及振動強化切削過程的特性進行實驗研究，獲取在較小磨削力下低溫高效磨切的工藝參數，以研制適用于人體貫穿傷的專業切割救援工具。

2 試驗樣機系統的搭建

2.1 試驗設備與材料

進給方向低頻振動輔助磨削切斷試驗樣機，如圖2所示。該裝置將一個手持式角磨機彈性支承（主振彈簧）于一個可以沿直線導軌運動的支架上。角磨機經過改裝，附加了偏心激振裝置，從而可使砂輪切割片在高速旋轉的同時，沿直線導軌的進給方向產生低頻振動。為了保證砂輪片以恒力貼緊被切削的棒狀工件，特別設計了一個滑輪組，通過繩索末端的砝碼的重力，穩定推動繩索另一端的運動支架沿直線導軌進給，從而通過主振彈簧，頂緊在固定于工件支架的鋼筋上。

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

試驗所用刀具為暴龍王牌綠雙網超薄切割片，磨粒種類為棕剛玉，粒度60#，結合劑為強力樹脂。切割片外徑Φ150mm，內徑Φ22mm，厚度1.2mm。切斷過程中不使用冷卻液。

試驗中被切割工件材料為45號鋼，為保證切斷過程中切割片的接觸弧長一致，工件截面為（25×25）mm的正方形。

2.2 測試系統的搭建

試驗所用的測試系統主要包括LMS 振動信號采集分析系統、OFV?505∕5000 高性能單點激光測振儀以及Kistler9257B 多分量測力儀。測力儀通過螺栓連接到固定在工作臺上的L型支架上，并與夾緊工件的平口鉗連接；高靈敏度光學頭及加速度傳感器放置在設備的尾部，如圖3所示。

圖3 振動磨切試驗樣機原理與測試系統圖Fig.3 Diagram of Vibration Grinding Prototype

3 試驗

3.1 樣機穩定工作區的確定

原理樣機是依賴外力將砂輪片貼緊在工件上，來實現切割作業的。在砂輪片高速運轉時，砂輪與工件之間沿砂輪徑向的切削力實為一個以這個擠緊力為平均值的小幅動態力，動態力的大小，由砂輪的顆粒大小與轉速確定。

在砂輪子系統引入偏心激振后，徑向振動位移加大，砂輪能否與工件保持有效接觸，是系統能否正常工作的條件。為此，對于樣機在改變激振力頻率（偏心激振的偏心距不變）和頂緊力的情況下，進行了實驗研究，系統所受到的頂緊力越大，則其允許的工作頻率越高，而動態切削力自然也越大。

處于非穩定工作區時，砂輪片與工件之間不是每個振動周期均接觸一次。而處于穩定工作區時，砂輪片與工件處于周期接觸?分離狀態，從而為穩定的振動磨切創造了必要條件。經試驗，該樣機在進給力（30～100）N，激振頻率在（35～48）Hz范圍內均能實現穩定的振動磨切，后續實驗研究的振動頻率固定為40Hz。

3.2 工作模式與工作參數對磨切效率的影響規律

分別改變進給力和主軸轉速兩個參數來探究引入低頻振動帶來的影響。為了排除切割片磨損帶來的差異，每進行一個新的試驗參數時，更換一次切割片，每個參數下進行三次試驗。對測得的結果取平均值進行分析。

3.2.1 進給力對磨切效率的影響規律

選取設備的最大轉速5500r∕min 為工作轉速。進給力參數在（30～100）N之間，且每隔10N選取一個試驗參數。實驗過程中發現：普通磨切在進給力30N時，磨粒只產生滑擦作用，并不切除金屬；當進給力增大到40N時，磨?？梢郧谐饘?，但效率很低，而且切削過程中極易出現切割片鈍化現象。當進給力增大到50N時，切割片可以穩定的切斷工件，并隨著進給力的增大，效率逐漸提高。而在振動磨切時，進給力30N時就可以穩定的切斷工件。

切斷工件所需要的時間統計信息，如表1、圖4所示。通過分析可以得出：（1）振動的引入，不僅可以顯著提高切斷效率，而且切斷的最小進給力大大減??；（2）無論普通磨切還振動磨切模式下，隨著進給力的增加，切斷工件所需要的時間都呈指數減少趨勢。切割效率隨進給力增加在不斷提高。

圖4 不同進給力下切斷工件所需要的時間Fig.4 The Effect of Feed Force Cutting on Time Consuming

表1 進給力試驗結果統計表Tab.1 Statistical Table of Feed Force Test Result

3.2.2 切割速度對磨切效率的影響規律

由上述的進給力試驗可得，在進給力較低時，普通磨切無法完成工件的切斷。所以在探究轉速對磨削切斷的影響時，選取進給力的試驗參數為60N；設備的最大轉速為5500r∕min，且調速原理采用的是調壓調速，在轉速較低時，設備所能產生的扭矩較低，會發生堵轉現象。因此轉速試驗的轉速參數為4500r∕min、5000r∕min、5500r∕min。

實驗過程中發現，隨著轉速的提升，磨削過程中產生的火花逐漸增大。而且相同轉速下振動磨切時的火花會比普通磨切時的火花大。

試驗結果表明，進給力60N時，隨著轉速的增加，切斷工件所需要的時間逐漸減少，并且轉速與效率近似呈線性關系；低頻振動的添加可以提高切削效率，而且提高的效果與轉速關系不大，如表2、圖5所示。

圖5 不同轉速下切斷工件所需要的時間Fig.5 The Effect of Speed Grinding on Time Consuming

表2 轉速試驗結果統計表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對磨切過程的影響，還對切割過程中的砂輪磨損量進行了研究，如圖6 所示?？梢钥闯稣駝拥囊?，進給力小于（40～50）N時，系統可以以較小磨損量獲得較高磨切效率。此處的進給力是驅動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際法向力，應該是上述重力減去導軌的摩擦力。而振動的引入，除了引起砂輪片的振動之外，也會減小導軌的摩擦力，從而增大砂輪片與被切割工件的實際法向力；振動減小導軌摩擦力的規律，將在以后的研究中做進一步的分析。

圖6 不同進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

對比工作轉速5500r∕min、進給力60N條件下，無振動與40Hz振動時的磨切斷面，如圖7所示?？梢钥闯?，無振動輔助磨切的斷面較粗糙，呈暗黃色，為切割溫度較高導致氧化所致；振動輔助磨切的斷面較光滑，顏色較淡，未出現氧化后的暗黃色，表明切割溫度較低。因此，切割中引入振動也有利于降低切割區的溫升。

圖7 有無振動輔助磨切斷面圖Fig.7 Cross Section of Cutting Grinding without or with Vibration Auxiliary

4 振動強化磨切過程的機理分析

由上述樣機試驗可知，振動的引入，確實可以提高切削效率，減小最小進給力。為了進一步掌握其規律，下面從切削機制上對振動引發的切削效率提高機制進行分析。

4.1 普通磨切與振動磨切過程中的振動與切削力分析

普通磨切過程與振動磨切過程的切削力的頻譜圖，如圖8、圖9所示。表明在普通磨切過程中，切割片孕鑲的磨粒與工件的摩擦接觸過程的無規律特征，切削力的頻譜為無規律的寬頻分布；而振動磨切過程除了出現主頻振動，還出現了倍頻成分，說明切割片與工件之間發生了碰撞，引發倍頻。

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

進給力50N，轉速5500r∕min時振動磨切過程中，振動加速度與切削力的時域響應對比，如圖10所示。

圖10 振動磨切過程中的振動與切削力時域信號對比Fig.10 Comparison of Time Domain Signals between Vibration and Cut?ting Force in Vibration Grinding and Cutting Process

通過圖10可以發現，在穩定振動工作區內，切割片確實與工件之間發生有規律的振動碰摩，導致振動加速度與切削力出現尖點脈沖，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強化磨切機理

磨削過程中磨粒的形狀與分布均處于不規則的隨機狀態，為了方便研究，我們將砂輪進行理想化。認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的切削工件。選取單顆磨粒對磨削過程進行分析。根據磨粒的切削厚度，磨削過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，磨粒并不產生磨屑。要使磨粒起切削作用，存在一個臨界的磨粒侵入深度[11]。

圖11 磨削過程示意圖Fig.11 Shematic Dagram of Ginding Pocess

由前述實驗可以看到，在普通磨切模式下，磨粒對于工件的進給力基本等于平均進給力。當該力小于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。而當平均進給力大于50N之后，則開始有切削效果，說明此時磨粒的侵深已經超過材料的變形破壞極限。

且隨著進給力的增大，切削效率逐漸提高。如果為砂輪片引入進給方向的振動，在進給力小于50N，這個普通磨切模式的最小進給力的情況下，就開始出現磨屑去除。這是因為，振動碰磨發生，使切削區內的磨粒侵深大大超過普通磨切磨粒的侵入深度，形成磨屑，發生切削去除，如圖12所示。

圖12 進給力與振動力復合作用Fig.12 Compound Action of Feed Force and Vibration Force

振動使砂輪與被切金屬產生周期性的侵入和分離。侵入時提供較大的動態力，產生銳化作用，使砂輪磨粒進給速度加大、侵入深度加大，切削去除金屬效率提高；另外，分離時去除切屑，騰出容屑空間，散發熱量，有利于下一次切除金屬。這也是雖然低頻振動產生斷續切削，反而提高切削效率的部分原因。但是，隨著進給力的增大，兩種磨切模式的切削效率提升幅度，都在呈遞減趨勢，而其切割片的磨損，也在不斷增大。因此，實際上也存在一個最優的進給力與振動強度的組合，希望在以后的研究中，繼續細化和深化。

4.3 振動磨切與二次損傷的關系分析

常規的切割片切斷作業，切削力偏大，自然容易引起鋼筋與周圍人體軟組織的較大相對位移。而一般來說，在切削過程中引入振動，不僅可以減小靜態切削力，減小鋼筋與周圍軟組織的相對位移量，同時提高切割效率，降低溫升。另外，鋼筋的小幅振動，遠小于周圍軟組織的變形量，不會引發新的出血危險。

5 結論

針對鋼筋類棒料進行快速切斷作業，設計并搭建了低頻振動輔助磨削切割樣機，并通過樣機試驗，研究了該振動碰磨系統的固有特性，確定了系統穩定工作時的主要參數（進給力和激振頻率）的選擇范圍。

進一步的磨切試驗表明，在一定范圍內，低頻振動可以減小完成切斷操作所需要的最小進給力，提高切削效率并降低溫升，有效控制切割過程對人體組織的熱損傷。而振動的引入也使切割過程中的平均切削力顯著減小，從而使鋼筋與周圍組織之間的相對位移量減小，有利于降低甚至避免周圍軟組織因失壓而出血的危險。

因此，將低頻振動引入砂輪切斷作業，不僅可以提高工作效率，也有利于保護傷者，可望發展出一類低擾動低損傷的高效切割工具，提高救援的速度與質量。