張弟

摘要：學(xué)術(shù)界和工程界一直關(guān)注的研究熱點(diǎn)就是工件與刀具之間的顫動(dòng)。由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，薄壁零件在加工過(guò)程中極容易發(fā)生切削震動(dòng)和變形，這對(duì)于提高加工效率及加工質(zhì)量是極為不利的。本文通過(guò)回顧切削震動(dòng)的機(jī)理研究歷史，介紹了近幾年逐步發(fā)展起來(lái)的切削顫動(dòng)的非線性分析理論，分析了切削顫動(dòng)研究中目前存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展動(dòng)向。

關(guān)鍵詞：顫動(dòng);薄壁零件;非線性理論

引言

薄壁零件是指零件的壁厚小于2mm的零件，主要用于航天航空、機(jī)械制造等領(lǐng)域。但由于薄壁零件剛度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝性差、加工余量大，在切削熱、切削力及殘余應(yīng)力等因素的影響下極易發(fā)生變形和切削顫動(dòng)。刀具與工件之間的顫動(dòng)，不僅會(huì)破壞加工系統(tǒng)的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使切削加工無(wú)法進(jìn)行，延緩了整個(gè)產(chǎn)品的制造周期，大大降低了加工效率。目前整體薄壁結(jié)構(gòu)零件制造技術(shù)的水平，已經(jīng)成為衡量世界各國(guó)工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。本文通過(guò)回顧了切削顫動(dòng)的研究歷史，在為機(jī)械加工過(guò)程中減小或消除加工顫動(dòng)提供了有益的參考。

1.切削顫動(dòng)的機(jī)理研究

切削顫動(dòng)的機(jī)理研究構(gòu)成了切削顫動(dòng)理論的內(nèi)容。各種類(lèi)型的顫動(dòng)，根據(jù)其產(chǎn)生的機(jī)理，可歸納為下述幾點(diǎn)：

（1）切削厚度變化的再生效應(yīng);

（2）振型關(guān)聯(lián)效應(yīng);

（3）進(jìn)給速度變化的切入效應(yīng);

（4）刀具工作角度的動(dòng)態(tài)變化效應(yīng);

（5）切削力隨切削速度增加而減少的下降特性;

（6）刀具的刀面與工件之間的摩擦系數(shù)，隨相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度增加而減少的下降特性。

在實(shí)際中，切削過(guò)程受許多復(fù)雜因素的影響，使其發(fā)生顫動(dòng)的大多是上述多個(gè)因素共同作用的結(jié)果。所以，許多學(xué)者近些年一直著力于研究切削顫動(dòng)的復(fù)雜情形，并且提出了一些新的理論和分析方法。

切削因?yàn)槭艿皆S多因素的影響，所以并不是一個(gè)確定的過(guò)程。通過(guò)將切削系統(tǒng)視為一隨機(jī)的振動(dòng)系統(tǒng)，并且用時(shí)間序列的分析方法建立工況下的切削系統(tǒng)模型，進(jìn)而進(jìn)行顫動(dòng)分析，這為切削顫動(dòng)的研究開(kāi)辟了新的途徑。這種研究方法的結(jié)果更為接近實(shí)際，因?yàn)榉治鲂盘?hào)來(lái)源于工況下的切削過(guò)程。

2.切削顫動(dòng)的非線性分析理論

切削過(guò)程的動(dòng)態(tài)特征與機(jī)床機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，在切削顫動(dòng)的線性理論中假定為線性的。然而在實(shí)際中出現(xiàn)的，如顫振振幅穩(wěn)定性、有限振幅不穩(wěn)定性、起振閥與消振閥的分離等是切削顫動(dòng)的線性無(wú)法解釋的。當(dāng)其線性項(xiàng)無(wú)法被系統(tǒng)的非線性特性直接取得時(shí)，必須采用非線性的理論進(jìn)行穩(wěn)定的分析。并且只有非線性理論才能解釋切削顫動(dòng)中的有限振幅不穩(wěn)定性的問(wèn)題。通過(guò)歸納，影響切削顫動(dòng)的幾個(gè)非線性的因素為：

（1）機(jī)床機(jī)構(gòu)中的非線性剛度;

（2）切削力的非線性特征;

（3）后角限制;

（4）刀刃運(yùn)動(dòng)軌跡的一部分越出工件材料之外。

3.切削顫動(dòng)研究中存在問(wèn)題

盡管開(kāi)展了大量的工作研究，關(guān)于切削顫動(dòng)的研究仍不是很成功。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）理論欠完善，由于物理模型過(guò)于簡(jiǎn)單，不能完整的描述切削系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征。首先，研究中將切削系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一維的系統(tǒng)，而事實(shí)上大多是三維切削。其次，假定切削系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，而事實(shí)上非線性是比較明顯的。因此這方面的研究還很不充分。

（2）切削系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征難以準(zhǔn)確確定。首先，切削過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性未能得到完整而準(zhǔn)確的描述。目前，切削機(jī)理研究還不完善，因此用理論計(jì)算方法來(lái)確定切削力的特性很難保證其正確性;而在用試驗(yàn)方法識(shí)別參數(shù)時(shí)，又受到切削顫動(dòng)理論的假設(shè)條件限制，對(duì)復(fù)雜的切削過(guò)程描述過(guò)于簡(jiǎn)單，對(duì)切削過(guò)程非線性特性的描述及識(shí)別缺乏研究。其次，機(jī)床機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性也沒(méi)能準(zhǔn)確的描述。有許多結(jié)合部及相對(duì)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)，在機(jī)床機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中，其特性很難計(jì)算分析。靜態(tài)與空運(yùn)轉(zhuǎn)激振試驗(yàn)與實(shí)際切削狀態(tài)差別很大。因此，機(jī)床機(jī)構(gòu)系統(tǒng)非線性描述與參數(shù)識(shí)別，尚是一個(gè)有待研究的問(wèn)題。

（3）試驗(yàn)技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。就目前的測(cè)試設(shè)備與技術(shù)水平而論，開(kāi)展此方面的工作還有許多困難，特別是動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量及處于工件與刀具之間的切削點(diǎn)的相對(duì)位移的測(cè)量。這有待于試驗(yàn)方法的創(chuàng)新和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。

4.未來(lái)發(fā)展動(dòng)向

目前，切削顫動(dòng)的檢測(cè)與控制技術(shù)還處于發(fā)展之中。由于目前的顫動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)是建立在切削顫動(dòng)的線性分析理論基礎(chǔ)之上，因此不可避開(kāi)切削顫動(dòng)理論研究而獨(dú)立發(fā)展?？紤]切削顫動(dòng)的非線性特征，還是一個(gè)嶄新的問(wèn)題。但是隨著人們對(duì)切削顫動(dòng)機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深入，切削顫動(dòng)的檢測(cè)及控制技術(shù)會(huì)更加的可靠和有效。

5.結(jié)束語(yǔ)

薄壁零件的加工極易發(fā)生切削顫動(dòng)，因此是生產(chǎn)實(shí)踐中的一大難題，切削顫動(dòng)會(huì)影響切削過(guò)程、零件質(zhì)量及生產(chǎn)率。本文回顧了切削顫動(dòng)的機(jī)理研究歷史，并分析了切削顫動(dòng)的非線性分析理論，分析了切削顫動(dòng)研究中目前存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展動(dòng)向。

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