王道林 王紅軍

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210046)

切削加工時(shí)，在沒(méi)有周期性外力作用下完全由加工系統(tǒng)本身特性所激起的一種劇烈振動(dòng)稱為自激振動(dòng)。在金屬切削過(guò)程中，刀具經(jīng)常在后一道加工過(guò)程中重復(fù)前道加工過(guò)的表面，由于某種原因造成前一道切削的振紋與本次切削位移之間的相位差，導(dǎo)致刀具的切削厚度發(fā)生變化而引起的顫振，稱為再生型顫振，它是一種典型的由于振動(dòng)位移延時(shí)反饋導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象［1］。再生顫振多是在作超過(guò)一定限度以上的重負(fù)荷切削(二維切削時(shí)的切寬或三維切削時(shí)的切深較大的加工)時(shí)所發(fā)生的自激振動(dòng)現(xiàn)象。作為顫振起因的再生效應(yīng)，實(shí)際上是一種能夠產(chǎn)生具有固定相位差的動(dòng)態(tài)切削力的現(xiàn)象，這種一定的相位差保證了加工系統(tǒng)可以維持一種穩(wěn)定的顫振［2］。由此容易想到，如果能夠通過(guò)連續(xù)不斷地改變工件轉(zhuǎn)速使相接續(xù)的兩次切削均有不同的速度，從而使維持穩(wěn)定顫振所需的相位條件得不到滿足，則再生效應(yīng)就有可能反過(guò)來(lái)起到一種抑制再生顫振的效果。這里通過(guò)給定一些切削條件用實(shí)驗(yàn)方法分析研究利用變速切削原理抑制再生顫振的問(wèn)題。

1 抑制切削顫振的方法

研究切削顫振的最終目的是為了抑制和消除顫振。一般來(lái)說(shuō)，凡是可以改善機(jī)床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和提高加工系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法和措施都可以起到抑制和消除顫振的作用。目前采用比較多的抑制顫振方法有:提高機(jī)床結(jié)構(gòu)靜剛度(抑制顫振的程度有限);改變刀具的幾何參數(shù)和形狀(增大前角或減小后角或是磨去一些刀刃的辦法等);選用合適的切削速度(降低切削速度);改變機(jī)床結(jié)構(gòu)的主振型方向;設(shè)置動(dòng)力吸振器等［3］。

另外，基于反饋控制原理消振方法也是一類比較積極的抑制和消除再生顫振的方法。這類消振方案主要有:

(1)由DeRo等人先后提出的用非接觸式位移傳感器檢測(cè)振動(dòng)位移X，再通過(guò)電磁激振器將用于抵消振動(dòng)位移X的激振力施加到機(jī)床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的反饋控制消振方案［4］;

(2)由Comstok等人提出的用非接觸式位移傳感器檢測(cè)振動(dòng)位移X，再通過(guò)電液式裝置控制刀具位置使由振動(dòng)位移X所引起的瞬時(shí)切除變化量被抑制到最小的消振方案;

(3)由Nachtigal提出的檢測(cè)動(dòng)態(tài)切削力，再通過(guò)電液式裝置控制刀具位置來(lái)抑制動(dòng)態(tài)切削力的消振方案;

(4)由森脇提出的先檢測(cè)動(dòng)態(tài)切削力再用電磁激振器通過(guò)所謂前饋方式對(duì)機(jī)床施加激振力以抑制動(dòng)態(tài)切削力的消振方案［5］。

以上4種消振方案雖然證明在抑制和消除再生顫振方面是相當(dāng)有效的，但同時(shí)存在著裝置費(fèi)用太高、效果不太可靠等缺點(diǎn)。

2 基于變速切削抑制再生顫振的實(shí)驗(yàn)方法

2.1 切削實(shí)驗(yàn)裝置及條件

實(shí)驗(yàn)是在對(duì)安裝在細(xì)長(zhǎng)芯棒一端的盤狀工件作外圓車削的情況下進(jìn)行的。芯棒上帶有配重，此時(shí)，整個(gè)工件支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度很低，如圖1所示。一般情況下，當(dāng)切削速度超過(guò)50 m/min時(shí)，只要切深大于0.2 mm，系統(tǒng)就肯定會(huì)發(fā)生明顯顫振［1］。該實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖中各部分的具體參數(shù)是:芯棒長(zhǎng)度為1 340 mm;芯棒直徑為60 mm;工件系統(tǒng)的固有頻率為60 Hz;工件直徑為100～180 mm;工件厚度為50 mm;工件材料為45鋼。

2.2 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

用于實(shí)驗(yàn)的車床主軸是由可控直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)(11 kW)通過(guò)皮帶輪和減速齒輪驅(qū)動(dòng)的。這種直流電動(dòng)機(jī)是按照轉(zhuǎn)速與調(diào)速裝置的輸入電壓成正比的要求設(shè)計(jì)的。利用0～6 V的輸入電壓可以獲得0～3 600 r/min 的回轉(zhuǎn)速度［6］。

2.3 三角波信號(hào)發(fā)生器

鑒于三角波除頂點(diǎn)外的變化率是常數(shù)，故較適合于作為變速需要的控制電壓。三角波的斜率及電壓變化的上下限可視需要任意設(shè)定。本實(shí)驗(yàn)則是在使三角波升降斜率相等的情況下進(jìn)行的。

2.4 實(shí)驗(yàn)用刀具的幾何參數(shù)

實(shí)驗(yàn)時(shí)所用刀具幾何參數(shù)為:刀具主偏角Kγ=45°，副偏角 K′γ=45°，前角 γ0= －5°，后角 α0=5°，刀尖圓弧半徑rε=0.8 mm。刀具材料為YT15硬質(zhì)合金材料。

2.5 其他測(cè)試裝置

芯棒中央部分的振動(dòng)位移用電容式測(cè)微儀檢測(cè)。根據(jù)對(duì)芯棒固有振型的檢測(cè)結(jié)果分析知道，芯棒中央部位的振動(dòng)位移是工件振動(dòng)位移的3～4倍。測(cè)得的振動(dòng)位移利用電平儀轉(zhuǎn)變成與其幅度成正比的直流信號(hào)然后收錄在筆式記錄儀上。另外，主軸轉(zhuǎn)速的指令信號(hào)以及用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)得的主軸速度的變化信號(hào)也同時(shí)收錄在筆式記錄儀上。

3 變速切削方法抑制再生顫振的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)是以一定的轉(zhuǎn)速切削安裝在芯棒上的工件使之發(fā)生顫振，待振幅達(dá)到穩(wěn)定后，再利用三角波指令信號(hào)使工件轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。如圖2所示，記錄到的振幅變化情況是當(dāng)速度變動(dòng)的指令信號(hào)為三角波，切削深度為0.5 mm，進(jìn)給量為0.2 mm/r，工件直徑為147 mm，平均切削速度為154 m/min，主軸轉(zhuǎn)速變動(dòng)率為95(r/min)/s，工件材料為45鋼的條件下測(cè)定的。

從圖2中可以看出:速度一旦發(fā)生變化，振幅便急劇衰減。由此可以說(shuō)明主軸轉(zhuǎn)速的連續(xù)變化對(duì)抑制再生顫振具有非常好的效果。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果分別改變轉(zhuǎn)速變化率、切削深度和切削速度等，也很容易得出如下結(jié)論:轉(zhuǎn)速變化率越高，抑制再生顫振的效果越好;切削深度越小，抑制再生顫振效果也越好;而切削速度越高，顫振的振幅越大，此時(shí)，若要取得比較好的抑振效果，必須相應(yīng)地提高轉(zhuǎn)速變化率。

4 變速切削在抑制再生顫振上的應(yīng)用前景

變速切削是直接將作用施加到再生環(huán)節(jié)上來(lái)抑制再生顫振的，與其他抑制再生顫振方法相比具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)作為必須的最主要的設(shè)備只是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，這對(duì)大多數(shù)機(jī)床而言是本來(lái)已經(jīng)具備的條件;

(2)由于不需要反饋環(huán)節(jié)，屬于一種所謂的開(kāi)環(huán)控制，所以即使控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)不當(dāng)，也不存在反過(guò)來(lái)增加系統(tǒng)不穩(wěn)定性的危險(xiǎn);

(3)諸如傳感元件、測(cè)速電動(dòng)機(jī)、指令設(shè)備等附加裝置無(wú)需設(shè)置在切削點(diǎn)附近，因此，完全不存在妨礙切屑的排出、刀具的調(diào)整、工件測(cè)量之類等人工操作上的弊病。

變速切削方法在抑制再生顫振上的明顯效果以及具有實(shí)施方便的突出優(yōu)勢(shì)，我們可以期望變速切削方法在諸如車削、鉆削以及鏜削等的粗加工工序的抑制再生顫振中表現(xiàn)出很高的實(shí)用價(jià)值。

［1］陽(yáng)輝，黃筱調(diào)，方成剛.數(shù)控再生型切削顫振系統(tǒng)的分析及仿真［J］.機(jī)床與液壓，2009(1).

［2］梅志堅(jiān)，楊叔子，師漢民.機(jī)床顫振的早期診斷與在線監(jiān)控［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1988(3).

［3］成志清，金瑞琪.切削顫振研究的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1992(2).

［4］趙利頗，潘存治，馬強(qiáng).基于電磁作動(dòng)器的主動(dòng)隔振系統(tǒng)研究［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(2).

［5］孫國(guó)春，田彥濤，歐云，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)隔振系統(tǒng)自適應(yīng)控制［J］.汽車工程，2004(1).

［6］于駿一，楊輔倫，吳博達(dá).變速切削方法的減振原理［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1995(6).