■高效切削及刀具國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 （黑龍江哈爾濱 150080） 劉立佳 劉獻(xiàn)禮 許成陽 邊立健

減振刀具技術(shù)研究進(jìn)展

■高效切削及刀具國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 （黑龍江哈爾濱 150080） 劉立佳 劉獻(xiàn)禮 許成陽 邊立健

本文闡述了切削振動(dòng)產(chǎn)生原因和危害，介紹了減振刀具在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了減振刀具各種減振方式及市場(chǎng)上流行的減振刀具產(chǎn)品，展望了減振刀具未來發(fā)展方向。

刀具振動(dòng)產(chǎn)生的原因及危害

1. 產(chǎn)生的原因

20世紀(jì)60年代，以Teeness為代表的刀具研究團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)充分證明切削產(chǎn)生振動(dòng)的根源：“振動(dòng)可看成是切削刀具的可變撓曲，如果無撓曲，也就無所謂振動(dòng)。”導(dǎo)致刀具切削過程產(chǎn)生振動(dòng)的因素有很多，主要有以下三方面：①包括刀具在內(nèi)的工藝系統(tǒng)剛性不足，導(dǎo)致其固有頻率低。②切削產(chǎn)生了一個(gè)足夠大的外激力。③這個(gè)外激力的頻率與工藝系統(tǒng)的固有頻率相同，隨即產(chǎn)生共振。

2. 危害

隨著近年來難加工材料的應(yīng)用和高速切削的技術(shù)推廣，振動(dòng)成為了提高加工效率的障礙之一，振動(dòng)的產(chǎn)生直接影響了加工精度和表面粗糙度；使刀具磨損加快，甚至產(chǎn)生崩刃，嚴(yán)重降低刀具壽命，振動(dòng)使得機(jī)床各部件之間的配合受損，精度下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使切削加工無法進(jìn)行。

刀具減振技術(shù)

1. 被動(dòng)減振技術(shù)

被動(dòng)控制是通過增加切削系統(tǒng)剛度、阻尼或者附加被動(dòng)動(dòng)力吸振器(Dynamic vibration absorber,DVA)吸收振動(dòng)來抑制顫振的方法。

（1）材料減振。利用材料減振方法主要是使用高強(qiáng)度的新型材料來增加刀具質(zhì)量和靜剛度來防止顫振，剛度和強(qiáng)度都比較大的硬質(zhì)合金材料備受青睞。

日本東芝公司將減振刀桿的兩邊平行的切除一部分，鑲嵌上硬質(zhì)合金材料，這種三明治結(jié)構(gòu)受到硬質(zhì)合金材料自身剛度和厚度以及鑲嵌粘結(jié)緊密程度的影響，最大長(zhǎng)徑比也只有6，如圖1所示。山特維克可樂滿公司在鏜桿內(nèi)如注入比重較高的類似水銀的重金屬增加靜剛度，但是這種鏜桿在鏜削加工過程中一旦斷裂會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的環(huán)境污染，如圖2所示。美國(guó)的肯納公司生產(chǎn)的減振刀具（刀桿最大長(zhǎng)徑比L/ D=8）主要是采用特殊的材料制成，也屬于提高刀桿靜剛度的一種，如圖3所示。日本三菱公司采用新型材料和結(jié)構(gòu)的減振鏜桿，其商標(biāo)為Dimple，為了提高鏜桿的減振性能且保證鏜桿靜剛度，三菱公司在設(shè)計(jì)種鏜桿時(shí)，大幅度的減輕了鏜桿鏜削頭的質(zhì)量，如圖4所示。國(guó)內(nèi)的一些減振刀具很多都處于研究階段，采用的都是增加刀體靜剛度的方法，例如鎳基重合金防振刀具等。但是大部分的減振措施都是在工藝上進(jìn)行改良或是在加工過程中采用一些技巧。

圖1 三菱減振鏜桿

圖2 山特維克可樂滿減振鏜桿

圖3 肯納減振鏜桿

圖4 三菱減振鏜桿

此外，Nagano S、Takayuki K采用基于樹脂的碳纖維增強(qiáng)塑料增強(qiáng)鏜桿抑振性能。Lee D G等設(shè)計(jì)的鏜桿，利用高剛度碳纖維環(huán)氧復(fù)合阻尼，長(zhǎng)徑比為10.7時(shí)顫振還沒發(fā)生。吳能章、周利平對(duì)鏜桿的芯部嵌入硬質(zhì)合金的新型刀具進(jìn)行了分析，在允許的精度范圍內(nèi)制作長(zhǎng)徑比較大的刀桿。Hwang HY、Kim JK等人，通過采用特殊的材料——高剛度碳纖維復(fù)合型材料來制造鏜桿，來提高鏜桿的靜剛度，從而達(dá)到降低鏜桿振動(dòng)的目的。研究表明這種鏜桿在長(zhǎng)徑比為10時(shí)，其在切削過程中的振動(dòng)還不是很明顯。西華大學(xué)則從復(fù)合材料角度來研究刀具的靜剛度。專家學(xué)者早年就在新型材料上進(jìn)行深入探究,并取得較好成果應(yīng)用在生產(chǎn)上,并且新型高強(qiáng)度材料的應(yīng)用能很好的和其他減振方法有機(jī)結(jié)合,但是應(yīng)用新型材料一般成本較高。

（2）阻尼減振。阻尼減振原理，主要通過增大系統(tǒng)阻尼系數(shù)使得振動(dòng)的能量加速損耗，達(dá)到振幅迅速衰減的目的。Hahn、R.R曾把液體阻尼的蘭契斯特阻尼應(yīng)用在鏜桿，質(zhì)量塊放在靠近刀具的一端的空腔里，注入油介質(zhì)并保證質(zhì)量和孔壁之間的徑向間、軸向間隙根據(jù)體積和介質(zhì)調(diào)整。

黃宏彪將擠壓液膜阻尼技術(shù)應(yīng)用于精鏜孔加工中，對(duì)精鏜孔加工液膜阻尼系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析了液膜阻尼器各相關(guān)參數(shù)對(duì)減振效果的影響規(guī)律。

何將三從彈性力學(xué)基本理論出發(fā)，討論了層復(fù)合阻尼鏜桿的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)模型，鏜桿發(fā)生機(jī)械振動(dòng)時(shí)，粘附的阻尼層隨鏜桿作彎曲振動(dòng)，阻尼材料產(chǎn)生交變的拉壓應(yīng)力和應(yīng)變，使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量得到損耗而達(dá)到減振效果。

山東大學(xué)夏峰等人設(shè)計(jì)的約束型減振鏜桿，如圖5所示，包括四個(gè)部分：鏜刀頭、基體層、阻尼層和約束層，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相同長(zhǎng)徑比（L/D=6）下，采用該鏜桿所得到的表面粗糙度較普通鏜桿降低50%，證明了約束型阻尼減振鏜桿的良好抗振性，目前該鏜桿還只是處于試驗(yàn)階段。

（3）摩擦減振。葉偉昌等在鏜桿內(nèi)部放置一重塊，被支承在兩個(gè)彈簧中間，重塊選用密度大的材料，在鏜削加工過程中，腔內(nèi)組合件組成一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在支承面上連續(xù)不斷地運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一種吸收鏜桿振動(dòng)的阻尼摩擦，可減小鏜桿的振動(dòng)。類似的還有扭轉(zhuǎn)摩擦減震器（Lanchester damper），它用彈簧連結(jié)系統(tǒng)的主質(zhì)量和附加質(zhì)量，如圖6所示。

日本的Ecita Edhi等在鏜桿內(nèi)設(shè)計(jì)摩擦減振器，通過調(diào)整永磁塊、振子質(zhì)量、空間三者關(guān)系，改變摩擦消振能力，從理論和實(shí)驗(yàn)都證明摩擦阻尼器有效抑制赫茲附近的高頻顫振。摩擦減振原理主要通過主結(jié)構(gòu)與附加質(zhì)量的摩擦中消耗能量，來抵消鏜桿振動(dòng)時(shí)的能量，具有非線性的特點(diǎn)。

圖5 約束阻尼型鏜桿結(jié)構(gòu)1.刀頭 2.基體 3.阻尼層 4.約束層

圖6 采用彈簧支承高密度金屬塊的鏜桿

趙東等探討了一種新型耗能摩擦阻尼器的耗能原理及其在重型機(jī)械振動(dòng)控制中的簡(jiǎn)單變力雙向摩擦阻尼器。如圖7所示，工作時(shí)，外殼體或活塞中的一個(gè)與振源機(jī)械連接，另外一個(gè)固定在基礎(chǔ)上。振源機(jī)械振動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)阻尼器的活塞和外殼體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在摩擦力的作用下，滾柱轉(zhuǎn)動(dòng)，由間隙最大的位置向間隙較小的位置滾動(dòng)，從而對(duì)彈性體進(jìn)行擠壓，彈性體產(chǎn)生的抵抗力使?jié)L柱與外殼體產(chǎn)生摩擦力，消耗振動(dòng)能量。

瑞士Rego-Fix公司則現(xiàn)階段新推出一種Xtended Length（X L）加長(zhǎng)型刀柄。X L刀柄的特點(diǎn)是該公司對(duì)微摩擦阻尼（MFD）系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，該技術(shù)可有效減小刀柄以及刀具的振動(dòng)。這種加長(zhǎng)刀柄采用CAT、BT、HSK和Rego-Fix CAPTO錐度的接口型式。已有的產(chǎn)品系列為該公司刀柄的ER16、ER32、PG10、PG15和PG25系列。

刀具夾頭材料的密度越大，其減振性能就越好。為了在不使用昂貴的重金屬夾頭的情況下，在長(zhǎng)懸伸加工中獲得良好的減振效果，夾頭上組合使用了兩種不同類型的鋼制部件，從而產(chǎn)生了一種能消除共振的“微摩擦阻尼效應(yīng)”。

總的來說，基于摩擦阻尼器的減振技術(shù)仍屬于被動(dòng)控制的范疇，不需外部能源，一般只對(duì)某種設(shè)定的振動(dòng)特性進(jìn)行控制，缺乏跟蹤和調(diào)節(jié)能力。材料和工藝方面的問題主要是控制摩擦力，摩擦力對(duì)環(huán)境和荷載能十分敏感，當(dāng)溫度、正壓力發(fā)生變化，以及發(fā)生多方向滑動(dòng)時(shí)，摩擦力都會(huì)發(fā)生變化,反復(fù)滑動(dòng)還會(huì)使結(jié)合面磨損。摩擦阻尼器存在長(zhǎng)期的可靠性與維修問題。

（4）動(dòng)力減振。動(dòng)力減振原理與沖擊式或摩擦式減振器不同，它不是靠消耗能量來減振。而是利用附加質(zhì)量的動(dòng)力作用，使彈性元件加在主系統(tǒng)的力與干擾力盡量平衡來減弱振動(dòng)的。在設(shè)計(jì)吸振器時(shí)，可根據(jù)主系統(tǒng)的質(zhì)量和固有頻率選定吸振器的質(zhì)量，并進(jìn)一步求出剛度和阻尼比。根據(jù)作用方式的不同，可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，被動(dòng)式一旦被設(shè)計(jì)好固有頻率，動(dòng)剛度都不能改變，而主動(dòng)式可以通過調(diào)節(jié)子系統(tǒng)改變鏜桿的動(dòng)剛度，適應(yīng)范圍較廣。

肯納公司產(chǎn)品中有主動(dòng)式可調(diào)的動(dòng)力減振鏜桿，如圖8所示。山特維克可樂滿減振鏜桿（最大長(zhǎng)徑比L/D=16）是目前世界先進(jìn)的鏜桿，它所采取的方法是給鏜桿加內(nèi)置動(dòng)力減振器，如圖9所示。山高專利Steadyline系列減振刀具，推陳出新，在刀柄體內(nèi)采用了一種“動(dòng)態(tài)被動(dòng)式系統(tǒng)”，該系統(tǒng)中的質(zhì)量減振器會(huì)進(jìn)行反向振動(dòng)以抵消第一次彎曲振動(dòng)，從而可在極端切削工況下有效降低不必要的振動(dòng)，現(xiàn)已包含鏜頭，如圖10所示。

此外，T r u h a r等人利用Lyapunov方程對(duì)減振鏜桿中動(dòng)力吸振器的位置進(jìn)行優(yōu)化。在此之后又有一批學(xué)者提出了關(guān)于減振鏜桿一系列的優(yōu)化準(zhǔn)則，長(zhǎng)春理工大學(xué)在刀桿內(nèi)部加阻尼減振系統(tǒng)來提高刀具的動(dòng)剛度，和瑞典山特維克可樂滿刀具的設(shè)計(jì)理念相同，哈爾濱理工大學(xué)“高效切削及刀具”國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室在鏜桿內(nèi)部加入特殊的動(dòng)力減振裝置提高刀具的動(dòng)剛度。

（5）沖擊減振。沖擊減振器是常用的減振裝置，工作原理是由一個(gè)自由質(zhì)量反復(fù)沖擊振動(dòng)體而消耗其振動(dòng)的能量，進(jìn)而達(dá)到減振目的。這種沖擊式減振鏜桿雖因沖擊碰撞產(chǎn)生噪聲，但結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，體積小重量輕減振效果好，適用頻率范圍大，包括內(nèi)沖擊式和外沖擊式兩種。

圖7 簡(jiǎn)單變力雙向摩擦阻尼器1.外殼體 2.活塞（截面為矩形） 3.彈性體 4.滾柱 5.空腔 6.耐磨襯層

圖9 山特維克可樂滿動(dòng)力減振鏜桿

圖10 山高Steadyline減振鏜桿

20世紀(jì)80年代，Popplewel發(fā)明了豆包減振器(Bean Bag Impact Damper)。其結(jié)構(gòu)是將沖擊減振器內(nèi)有數(shù)個(gè)裝有大量鉛粒的柔性包袋。在收到器壁沖擊時(shí)，包袋的柔性表面可起到緩沖作用，然后作用力傳遞到包袋內(nèi)部，則鉛粒之間再互相摩擦碰撞，以此來耗散能量。

李偉利用離散單元法模擬了BBD在不同振動(dòng)參數(shù)的減振效果。主系統(tǒng)的固有頻率越高，激振力越大時(shí)，BBD的減振效果越好，如圖11所示。但當(dāng)激振力增加到某一定值時(shí)，豆包的效果便趨于平緩，說明它存在一個(gè)減振的極限值。同時(shí)改變BBD的結(jié)構(gòu)參數(shù)后模擬發(fā)現(xiàn)，其對(duì)減振效果影響很小。但是目前對(duì)于沖擊減振器的研究目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，市場(chǎng)上尚無產(chǎn)品出現(xiàn)。

2. 主動(dòng)減振技術(shù)

主動(dòng)控制方法基于反饋控制的原理，檢出系統(tǒng)目標(biāo)狀態(tài)量的變動(dòng)，然后把與該狀態(tài)量反相的同頻率、同幅度控制量加到這個(gè)狀態(tài)量本身或作相應(yīng)變動(dòng)后加在別的狀態(tài)量上。對(duì)于頻率低的大型鏜桿主動(dòng)控制優(yōu)勢(shì)更加突出。

劉春穎采用壓電陶瓷作為控制元件，采用遺傳算法對(duì)壓電片的貼放位置進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)鏜桿再生型顫振進(jìn)行了主動(dòng)控制仿真研究，通過在鏜桿中內(nèi)置壓電疊堆并在鏜桿外粘貼壓電片2種途徑，有效控制了鏜削過程的顫振幅度。劉鵬利用壓電陶瓷(PZT)的正負(fù)壓電效應(yīng)，將負(fù)責(zé)感知的壓電片得到的電信號(hào)反向放大后加到負(fù)責(zé)執(zhí)行的壓電片上，產(chǎn)生反向振動(dòng)來抑制切削振動(dòng)。梅德慶等人，他們依據(jù)磁流變液能夠在液態(tài)和固態(tài)之間快速的進(jìn)行連續(xù)可逆的轉(zhuǎn)換特性，發(fā)明了磁流變液減振鏜桿。這種鏜桿在切削過程中能夠適時(shí)地改變磁流變液中磁場(chǎng)的強(qiáng)度，使鏜桿在切削過程中避開切削振動(dòng)頻率，從而有校的降低了鏜桿在切削過程中的振動(dòng)，如圖12所示。kesson等設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制器對(duì)基于壓電驅(qū)動(dòng)的抑振鏜桿進(jìn)行了主動(dòng)控制。

由于閉環(huán)控制對(duì)抑制顫振效果好并且可靠性高，采用此控制方法是比較理想的，然而現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)還是有一定難度的，首先必須對(duì)切削過程和切削系統(tǒng)進(jìn)行精確建模，精確建立滿足實(shí)際要求的切削加工過程閉環(huán)控制模型是有一定難度的，而且要求設(shè)計(jì)和制造一套自動(dòng)控制系統(tǒng)及一套支持控制系統(tǒng)的能源裝置，成本較高，所以現(xiàn)今多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段。目前應(yīng)用于主動(dòng)控制的主動(dòng)控制元件有壓電陶瓷、記憶合金，控制方法多采用基于BP融入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、粒子群控制和自適應(yīng)控制器等。

3. 半主動(dòng)減振技術(shù)

圖11 豆包減振器

圖12 磁流變液減振鏜桿的結(jié)構(gòu)圖1.底座 2.支撐套 3.電磁鐵芯 4.端蓋和密封圈 5.鏜桿 6.鏜刀孔7.加速傳感器 8.勵(lì)磁線圈 9.磁流變液 10.線圈殼體

半主動(dòng)控制機(jī)構(gòu)是在不向被控系統(tǒng)輸入能量的條件下仍然具有實(shí)時(shí)調(diào)控的能力的機(jī)構(gòu)。其主要優(yōu)點(diǎn)是減振器的參數(shù)可根據(jù)實(shí)際振動(dòng)情況實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。智能材料元件質(zhì)量輕，嵌入性好，多被用于傳感元件和致動(dòng)元件，并且不影響結(jié)構(gòu)的固有性能，還可以提高整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性?；谥悄懿牧系陌胫鲃?dòng)控制方法與主動(dòng)控制方法相比，沒有能量直接輸入到切削系統(tǒng)中，而是通過智能材料調(diào)整切削系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)以避免切削顫振的發(fā)生。王民利用電流變材料設(shè)計(jì)了一種具有在線可調(diào)動(dòng)態(tài)特性的智能化鏜桿，通過連續(xù)小范圍地改變鏜削系統(tǒng)固有頻率，成功地實(shí)現(xiàn)了切削顫振的在線抑制。梅德慶等把磁流變材料應(yīng)用于鏜削系統(tǒng)，改變鏜桿剛度從而有效抑制顫振。甘新基通過調(diào)整附加在鏜桿上的壓電片的驅(qū)動(dòng)電壓，可在一定程度上抑制鏜削加工過程中的顫振。然而學(xué)者們的研究也僅僅是局限于實(shí)驗(yàn)研究，目前刀具市場(chǎng)上未見此類產(chǎn)品出現(xiàn)。

刀具減振技術(shù)展望

到目前為止，國(guó)內(nèi)的工具廠商還沒有在車刀和鏜刀方面有大的進(jìn)展，特別是在制造長(zhǎng)徑比比較大的方面基本沒有，而且內(nèi)置減振系統(tǒng)防振刀桿方面的開發(fā)工作也還很少。在國(guó)內(nèi)也有很多高校在研制減振刀具，如浙江大學(xué)、四川大學(xué)、燕山大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、東北大學(xué)、吉林大學(xué)和西華大學(xué)等。隨著研究工作的進(jìn)行，刀具的減振技術(shù)可在以下三個(gè)方面得到發(fā)展:

（1）隨著智能材料研究的深入，現(xiàn)代控制理論應(yīng)用，現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)控制是未來倍受青睞的研究主題之一。

（2）半主動(dòng)控制可靠性高，控制范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)也將成為今后研究的方向之一。

（3）精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，提高可控性，增強(qiáng)穩(wěn)定性：目前鏜桿上的主動(dòng)或半主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，導(dǎo)致了較低的可靠性，巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然是未來研究的主題之一。

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20150316）