江卓達(dá) 何永義

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

磨削加工能滿足各類工件的加工要求，加工后的工件有很高的精度和很好的表面粗糙度，因此它常作為機(jī)械加工的最后一道工序，在機(jī)械加工中占有非常重要的地位。

磨削加工中的振動(dòng)通常分為受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。受迫振動(dòng)是受到系統(tǒng)外周期性的擾動(dòng)產(chǎn)生的，如不平衡的砂輪或軸等;自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因復(fù)雜，加工過(guò)程中，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性自激振動(dòng)通常稱為顫振，在砂輪與工件之間強(qiáng)烈的自激振動(dòng)稱為磨削顫振［1］。顫振會(huì)導(dǎo)致工件尺寸誤差、形位誤差、表面粗糙度和波紋度等指標(biāo)的惡化，會(huì)使機(jī)床零件和刀具過(guò)早出現(xiàn)疲勞破壞，從而使機(jī)床的可靠性和安全性下降，對(duì)機(jī)床和刀具壽命帶來(lái)不利影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致磨削加工無(wú)法進(jìn)行。顫振抑制已成為提高磨削精度和生產(chǎn)率必須解決的問(wèn)題，這就需要對(duì)磨削系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，通過(guò)提高其穩(wěn)定性，達(dá)到消振減振的目的。同時(shí)，我國(guó)磨床質(zhì)量總體精度低，產(chǎn)品更新?lián)Q代慢，產(chǎn)品仿制多，創(chuàng)新少，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足，這些問(wèn)題使得國(guó)內(nèi)機(jī)床在高檔磨床領(lǐng)域無(wú)法與國(guó)外機(jī)床相抗衡。為了提高我國(guó)機(jī)床制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，必須盡快掌握磨削顫振的機(jī)理，應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)合理、振動(dòng)小和精度高的高檔磨床新產(chǎn)品。

1 磨削顫振機(jī)理研究現(xiàn)狀

磨削是一種特殊的切削加工，砂輪工作表面上分布為數(shù)甚多且?guī)缀涡螤畈灰?guī)則的磨粒，它們相對(duì)于工件的位置和方向都是隨機(jī)的，每個(gè)磨粒相當(dāng)于多刃銑刀的一個(gè)刀齒，因此磨削過(guò)程可以看作是眾多刀齒銑刀的一種超高速銑削。磨削加工中磨削區(qū)速度和溫度極高，材料本構(gòu)性能變化非常復(fù)雜，砂輪上的磨粒的磨損和自銳性能多樣，各種因素之間又相互耦合，磨削振動(dòng)問(wèn)題比切削振動(dòng)問(wèn)題要復(fù)雜得多，到現(xiàn)在為止還未能充分闡明磨削顫振的機(jī)理，很多有關(guān)磨削機(jī)理的研究尚未得到圓滿結(jié)果，如尚未得出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合的計(jì)算磨切削力的理論公式，且世界各國(guó)學(xué)者對(duì)磨削顫振的研究結(jié)論眾多且不一致。

1.1 磨削顫振激發(fā)機(jī)理研究進(jìn)展

迄今為止，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)可的顫振的產(chǎn)生機(jī)理是摩擦效應(yīng)、滯后效應(yīng)、振型耦合效應(yīng)和再生效應(yīng)四種誘發(fā)自激型機(jī)床顫振的機(jī)理。其中再生型顫振和振型耦合型顫振被認(rèn)為是最直接、最主要的兩種顫振形式，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究對(duì)象。

早在 20 世紀(jì)初，F(xiàn).W.Taylor［2］認(rèn)為由于切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削力的波動(dòng)頻率與加工系統(tǒng)(工件、刀具或機(jī)床)中某一薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率相接近引起共振激發(fā)顫振。但是Taylor理論簡(jiǎn)單地將顫振歸結(jié)為切屑斷裂時(shí)力的作用，并不能完全揭露切削顫振的本質(zhì)。1937 年，前蘇聯(lián)學(xué)者 Дроэдзв н.A.在論文《車削加工機(jī)械振動(dòng)》中首先對(duì)Taylor理論提出了異議，質(zhì)疑切削單元體理論，并首先提出了自激振動(dòng)的概念。

1944年，前蘇聯(lián)學(xué)者 Каширин А.И.在《金屬切削振動(dòng)的研究》一書(shū)中提出了負(fù)摩擦理論，他用實(shí)驗(yàn)證明:刀具對(duì)工件的切削過(guò)程中，在一定速度范圍內(nèi)，切削力隨切削速度的增加而減小(負(fù)摩擦效應(yīng))是產(chǎn)生切削顫振的主要機(jī)理之一。1946年，英國(guó)學(xué)者Arnold R.N.［3］認(rèn)為:由切削力的主分力相對(duì)于切削速度的下降特征而產(chǎn)生的自激振動(dòng)是產(chǎn)生顫振的一個(gè)主要原因，進(jìn)一步提出“摩擦型顫振”。

1954年，日本學(xué)者土井靜雄和加藤仁［4］首先提出:在實(shí)際切削過(guò)程中，由于切削力水平分力的瞬時(shí)變化相對(duì)于切削厚度的瞬時(shí)變化產(chǎn)生了時(shí)間上的滯后，這也是一種產(chǎn)生切削自激振動(dòng)的原因。由上述滯后效應(yīng)產(chǎn)生的自激振動(dòng)簡(jiǎn)稱為“滯后型顫振”。

“振型耦合型顫振”是由 J.Tlusty［5］首次提出，由于振動(dòng)系統(tǒng)在兩個(gè)方向上的剛度相近，導(dǎo)致兩個(gè)固有振型相接近時(shí)而引起的顫振。后來(lái)也有學(xué)者進(jìn)行研究，通常都是取兩個(gè)自由度線性系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用振動(dòng)理論中的實(shí)模態(tài)分析法即可得到系統(tǒng)的特征方程與穩(wěn)定性條件。于俊一等［6］利用耦合型顫振模型，研究了機(jī)床主軸剛度方位對(duì)切削穩(wěn)定性的影響。Gasparetto等［7］建立了耦合模型對(duì)刀具的穩(wěn)定及不穩(wěn)定軌跡進(jìn)行了研究并得到了切削穩(wěn)定性條件。

20 世紀(jì)50 年代中期，美國(guó)學(xué)者 R.S.Hahn［8］發(fā)表論文“精磨加工再生型顫振理論”，提出了再生型顫振的概念，他認(rèn)為磨削振動(dòng)的產(chǎn)生是在有波紋的表面上進(jìn)行磨削而由波紋再生引起的，將其命名為“再生型顫振”，是產(chǎn)生顫振的主要原因。

盡管關(guān)于顫振的深層次機(jī)理和精確的理論模型還有待于進(jìn)一步研究和探討，但以上述4種機(jī)理為主的顫振分析理論體系已建立起來(lái)，依據(jù)這些理論已能夠理解和解釋實(shí)際加工中的各種各樣顫振現(xiàn)象，并為在生產(chǎn)實(shí)踐中抑制顫振奠定了理論基礎(chǔ)。

1.2 磨削動(dòng)力學(xué)模型研究進(jìn)展

磨削力源于工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用［9］。國(guó)內(nèi)外有關(guān)磨削力的模型很多，其中比 較典型 的 有 Younis［10］、Werner［11］、Malkin［12］和Hecker［13］分別提出的模型。Younis等人利用 Lortz的假設(shè)推導(dǎo)出磨削力公式，并指出磨粒的切削能力會(huì)隨著磨削過(guò)程的磨損和填塞而改變［10］。Werner等人從研究磨粒在砂輪上的幾何分布和磨削過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)入手，建立了磨削力的數(shù)學(xué)模型，得出了磨削力的計(jì)算公式［11］。Malkin等人在對(duì)磨削力和砂輪磨損平面面積關(guān)系的試驗(yàn)及其他類似發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為磨削力是由切削變形力和滑擦力兩部分組成的［12］。Hecker等人建立了磨削力模型，他們假定切屑厚度成瑞利概率密度分布，而該概率密度函數(shù)的唯一參數(shù)考慮了磨削動(dòng)力學(xué)條件、工件材料特性、砂輪微觀結(jié)構(gòu)及磨削加工過(guò)程中的一些動(dòng)態(tài)效應(yīng)的影響［13］。李力均［14］等人在Werner和Malkin等人研究成果的基礎(chǔ)上，把磨削力分為切屑變形力和摩擦力，建立了磨削力模型。

磨削力經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)際情況符合較好，建構(gòu)方法簡(jiǎn)單，但是適用范圍較窄，一旦邊界條件改變，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)需要大量實(shí)驗(yàn)重新測(cè)定，故僅適用于大批量生產(chǎn)過(guò)程中。目前解析模型和經(jīng)驗(yàn)公式研究沒(méi)有針對(duì)動(dòng)態(tài)磨削力進(jìn)行研究，還有待于進(jìn)一步完善。

磨削系統(tǒng)非常復(fù)雜，Singhal等人把外圓磨削系統(tǒng)簡(jiǎn)化為6自由度的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)［15］。如圖1中m1、K1、C1為砂輪架的質(zhì)量、剛度、阻尼;m2、K2、C2為砂輪與其主軸的質(zhì)量、剛度、阻尼;m3、K3、C3為頭架的質(zhì)量、剛度、阻尼;m4、K4、C4為尾架的質(zhì)量、剛度、阻尼;m、I為工件的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Kc為砂輪與工件的接觸剛度;K′、C′為工件與頭架的接觸剛度與阻尼;K″、C″為工件與尾架的接觸剛度與阻尼。王龍山［16－17］等很多學(xué)者根據(jù)這一模型進(jìn)行了一些深入研究和應(yīng)用。Inasaki［18］等人對(duì)磨削過(guò)程動(dòng)態(tài)特性影響因素進(jìn)行了總結(jié)(圖2)。翁澤宇［19］等人提出了的平面磨削過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示，這個(gè)動(dòng)力學(xué)模型考慮了磨削過(guò)程的幾何干涉作用，還考慮了砂輪和工件的接觸面積上的接觸剛度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該模型，得出各種不同的磨削條件對(duì)磨削顫振的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律有較大影響。

1.3 磨削穩(wěn)定性機(jī)理研究進(jìn)展

研究磨削穩(wěn)定性機(jī)理，揭示磨削顫振的產(chǎn)生與發(fā)展規(guī)律，對(duì)提高磨削工件質(zhì)量和生產(chǎn)率具有重要意義，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量的工作。

1984 年，F(xiàn).Hashimoto、A.Kanai、M.Miyashita等［20］提出了基于再生顫振原理的外圓磨削動(dòng)力學(xué)建模方法，并在對(duì)外圓磨削的穩(wěn)定性分析中，分別考慮了工件再生顫振和砂輪再生顫振對(duì)外圓磨削穩(wěn)定性的影響。1971～1985年，Thompson提出基于振動(dòng)方程分析磨削穩(wěn)定性，并引入了同時(shí)考慮工件及砂輪再生顫振的雙再生效應(yīng)理論［21－22］。1977 年，lnasaki［23］通過(guò)建立的切入磨再生顫振動(dòng)力學(xué)模型，利用工件表面波紋度幅值的增長(zhǎng)率為穩(wěn)定性判據(jù)，研究再生顫振對(duì)磨削工件系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。1987年，Wardani等［24］建立的描述磨削再生顫振的模型，定量描述了砂輪剛度和磨削力對(duì)磨削穩(wěn)定性的影響。1992年，李剛、徐燕申等［25］將砂輪和工件間的接觸阻尼引入到顫振分析當(dāng)中。1997年，Biera［26］建立了時(shí)域范圍內(nèi)的非線性模型，分析磨削過(guò)程的穩(wěn)定性。

2001 年，Weck，hinuze［27］在切入磨研究基礎(chǔ)上，對(duì)縱磨再生顫振進(jìn)行了建模。同年Inasaki［18］等磨削顫振起因、抑制和磨削系統(tǒng)再生顫振動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。2004 年，Yaltintas［28］和 Weng［29］對(duì)縱磨再生顫振動(dòng)力學(xué)模型建模和表面波紋度進(jìn)行了研究。2005年，N.Zhang［30］通過(guò)切除材料的幾何特征建立動(dòng)態(tài)磨削力模型分析了磨削力和穩(wěn)定性的關(guān)系。2006年，LI Hongqi［31］等人基于磨削穩(wěn)定性分析理論描述了再生顫振對(duì)砂輪表面質(zhì)量的影響。

顫振屬于非線性振動(dòng)，其產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，目前磨削穩(wěn)定性的研究較多停留在理論研究上，離工程實(shí)際的應(yīng)用還有較大一段距離，各國(guó)研究者正努力地向工程實(shí)踐靠攏，期待磨削穩(wěn)定性研究的新突破。

2 磨削顫振測(cè)試和分析的研究方法進(jìn)展

磨削顫振機(jī)理的研究可以提供避免發(fā)生顫振的途徑和方法，但目前磨削顫振理論還不夠完善，因而實(shí)際上不可能完全做到事先選取合適的參數(shù)來(lái)保證不發(fā)生顫振。故磨削顫振測(cè)試和分析的研究就十分必要，在線監(jiān)控技術(shù)彌補(bǔ)了磨削顫振理論研究的不足，而理論的研究又為顫振監(jiān)控提供了基礎(chǔ)和依據(jù)［32］。目前國(guó)內(nèi)外磨削顫振特性的研究方法主要有:試驗(yàn)分析法、有限元理論分析法和綜合法。

(1)試驗(yàn)分析法

利用振動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)物理樣機(jī)通過(guò)試驗(yàn)分析獲得機(jī)床動(dòng)態(tài)特性。20世紀(jì)60年代，隨著振動(dòng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展以及機(jī)械阻抗測(cè)試儀和頻率特性分析儀的問(wèn)世，使結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)函數(shù)測(cè)試成為可能。以信號(hào)處理、模式識(shí)別為技術(shù)基礎(chǔ)，利用機(jī)械加工過(guò)程中出現(xiàn)的各種物理信息(如振動(dòng)、聲、光、電、力、力矩和功率等)，用先進(jìn)的傳感器接收，進(jìn)行信息傳輸、處理，從分析處理的結(jié)果來(lái)對(duì)機(jī)床切削過(guò)程振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)［33］。韓正銅［34］等發(fā)現(xiàn)磨削振動(dòng)信號(hào)有明顯的調(diào)制現(xiàn)象，高頻再生顫振作為載波，低頻強(qiáng)迫振動(dòng)作為調(diào)制波，通過(guò)調(diào)制將低頻強(qiáng)迫振動(dòng)載到高頻顫振發(fā)生區(qū)域，對(duì)顫振產(chǎn)生影響。磨削系統(tǒng)首先要產(chǎn)生作為載波信號(hào)的高頻再生顫振，然后與已存在的強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生調(diào)制而形成混合型顫振，并進(jìn)而加劇顫振的發(fā)展。顫振頻率呈現(xiàn)多頻性，并且優(yōu)勢(shì)頻率具有前移現(xiàn)象。申曉龍［35］等證實(shí)變速磨削能在一定程度上抑制高速磨削顫振?；谖锢順訖C(jī)的實(shí)驗(yàn)法能夠直接較準(zhǔn)確檢測(cè)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，其缺點(diǎn)是需要有物理樣機(jī)，且只能取得結(jié)構(gòu)較低階模態(tài)和少量測(cè)點(diǎn)的振型，不便于優(yōu)化驗(yàn)證，成本高，周期長(zhǎng)。

(2)有限元理論分析法［36－40］

目前利用有限元技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)成為常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析建模方法，在虛擬環(huán)境下分析動(dòng)態(tài)特性。田延嶺［36］等對(duì)平面磨床在不同載荷作用下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究。利用微定位工作臺(tái)可以對(duì)砂輪在離心力作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)振動(dòng)補(bǔ)償。有限元理論分析法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需制造物理樣機(jī)，大大降低了動(dòng)態(tài)特性分析成本，缺點(diǎn)是影響機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的許多因素(如結(jié)構(gòu)阻尼、結(jié)合面動(dòng)力學(xué)參數(shù)等)還不能用數(shù)學(xué)表達(dá)式精確描述［41］，故無(wú)法直接建立精度足夠高的有限元模型，由于理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況的誤差，無(wú)法保證動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果與實(shí)際情況的一致性。

(3)綜合法

將試驗(yàn)分析法和有限元理論分析相結(jié)合，利用理論分析和試驗(yàn)分析的優(yōu)勢(shì)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短。既發(fā)揮了理論分析的指導(dǎo)作用，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果修正了有限元模型，并為有限元模型提供邊界條件，最終建立起合理的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型;又充分利用了試驗(yàn)測(cè)試的可操作性。綜合法集有效性、實(shí)用性和可靠性于一身，是目前最為廣泛應(yīng)用的方法。

在應(yīng)用理論與試驗(yàn)分析綜合法進(jìn)行機(jī)床動(dòng)態(tài)特性分析的研究中，國(guó)內(nèi)外研究者多采用動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)法對(duì)機(jī)床進(jìn)行理論動(dòng)態(tài)特性分析、模型仿真和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)函數(shù)的要求。如，G.Warnecke等［42］采用有限元法對(duì)砂輪動(dòng)態(tài)特性分析，毛海軍等［43］對(duì)接觸單元的機(jī)床子結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析法，張廣鵬等［44］對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌結(jié)合部的動(dòng)態(tài)特性及機(jī)床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)測(cè)，吳筱堅(jiān)［45］對(duì)機(jī)床固定結(jié)合面的一種建模方法，曹定勝［46］對(duì)高速加工中心子結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型與試驗(yàn)驗(yàn)證方法的研究，Simnofske等［47］總結(jié)了靜剛度和動(dòng)剛度對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的影響。

隨著其他學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，機(jī)床顫振的檢測(cè)也采用了很多新技術(shù)。Soliman E［48］使用超聲換能器檢測(cè)刀尖顫振振幅以及脈沖回波時(shí)間。Tarng Y.S［49］提到了一種新的實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器系統(tǒng)，用來(lái)檢測(cè)顫振，應(yīng)用了基于智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)共振理論的模型識(shí)別技術(shù)是以切削的譜值作為傳感器的反饋參數(shù)，實(shí)驗(yàn)證明在其他切削條件不變情況下能夠精確檢測(cè)銑削過(guò)程中的顫振。Ryabov，Oleg［50］提出了一種帶多功能傳感器的激光位移計(jì)在識(shí)別刀具的幾何形狀、旋轉(zhuǎn)、顫振當(dāng)中的使用，同時(shí)使用CCD照相機(jī)作為測(cè)量顫振切削條件的邊值的子系統(tǒng)，還克服了實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量工件外形變化比較困難的問(wèn)題。這些新檢測(cè)技術(shù)為顫振機(jī)理和穩(wěn)定性研究提供了先進(jìn)的工具。

3 磨削顫振的抑制

國(guó)內(nèi)外眾多的學(xué)者對(duì)抑制磨削顫振的機(jī)理進(jìn)行了多方面的研究，并取得很多成果。美國(guó)學(xué)者S.馬爾金［51］通過(guò)對(duì)磨削系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行傳統(tǒng)的反饋分析得到穩(wěn)定的臨界條件。根據(jù)復(fù)平面的定向頻率響應(yīng)輸入機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，Gm(jω)/km可被看做為受工件和砂輪之間的單位激振力下的動(dòng)態(tài)變形。

式中:Rem是Gm(jω)的負(fù)實(shí)部;km是機(jī)床靜剛度;G是磨削比;vw和vs分別是工件和砂輪的速度;kc和ka分別是切削剛度和接觸剛度。

由上面的穩(wěn)定條件可推出:增加方程右邊項(xiàng)或減小方程左邊項(xiàng)將提高穩(wěn)定性和減少再生振動(dòng)，可以改變的參數(shù)與機(jī)床結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與砂輪與工件的組合以及加工條件有關(guān)。顫振的抑制國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用以下6種方式。

(1)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高機(jī)床的抗顫振性能是一條非常重要的途徑。早在20世紀(jì)70年代，德國(guó)阿亨工業(yè)大學(xué)就將結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析方法應(yīng)用在機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上［52］，隨后，歐美國(guó)家陸續(xù)展開(kāi)了對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的研究。鑒于機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很多學(xué)者從機(jī)床的局部部件著手，如對(duì)機(jī)床床身、立柱和主軸部件等基礎(chǔ)部件和重要部件進(jìn)行抗振性設(shè)計(jì)或優(yōu)化，以達(dá)到提高機(jī)床抗顫振性能的目的。J.H.WANG等［53］給出了一臺(tái)加工中心抗顫振優(yōu)化的全過(guò)程，優(yōu)化后該加工中心的極限切深提高了一倍;E.Solis等［54］針對(duì)高速銑提出了一種基于分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的穩(wěn)定性圖確認(rèn)方法;Osamu Maeda等［55］在機(jī)床主軸專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)中增加了抗顫振優(yōu)化模塊并介紹了其優(yōu)化原理和流程，由該系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的主軸部件具有較強(qiáng)的抗顫振能力。國(guó)內(nèi)在機(jī)床抗顫振結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的系統(tǒng)研究資料和報(bào)道卻非常之少。

(2)增大機(jī)床加工系統(tǒng)的阻尼

阻尼對(duì)自激振動(dòng)幅值影響不大，但是它可以推遲閾速。阻尼主要來(lái)自零部件的內(nèi)阻尼、結(jié)合面上的摩擦阻尼以及其他附加阻尼。Hongo等［56］提出了一種新的陶瓷樹(shù)脂混凝土在精密機(jī)床上面的應(yīng)用，討論了其熱性能和機(jī)械特性，并且用有限元法和試驗(yàn)分析法討論了其顫振特性，得出在NC機(jī)床的刀架上使用這種材料刀具，其使用壽命要比普通機(jī)床高5倍，有著很好的抗振性能。

(3)改變砂輪形狀結(jié)構(gòu)

通過(guò)改變砂輪形狀結(jié)構(gòu)達(dá)到改變砂輪的接觸剛度和散熱條件進(jìn)而達(dá)到減振的目的。R.I.King和R.S.Hahn［57］發(fā)現(xiàn)使用軟砂輪會(huì)在外圓上出現(xiàn)多角形磨耗，如果使用硬砂輪會(huì)在外圓上生成大體上等間隔的阻塞條紋，這現(xiàn)象發(fā)展會(huì)導(dǎo)致顫振。西安礦業(yè)學(xué)院許衛(wèi)星［58］發(fā)明的消振砂輪是通過(guò)把砂輪分成幾個(gè)硬度不同的區(qū)域，使砂輪在磨削過(guò)程中的傳遞函數(shù)發(fā)生交替變化，從而破壞了自激顫振條件，消除了磨削過(guò)程中的自激顫振，有效地改善了磨削質(zhì)量，提高了磨床效率。Bzymek等［59］通過(guò)在砂輪上制作各種形狀的孔達(dá)到降低砂輪的接觸剛度，取得很好的減振效果(見(jiàn)圖4)。張志晶等［60］在砂輪上制作了多組均布的小盲孔，減少了端面軟磨燒傷，磨削效率提高近1倍。

(4)改變加工工藝

改變加工工藝不需要對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變或者調(diào)整，只需將主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削寬度和刀具角度等切削工藝參數(shù)適當(dāng)調(diào)整可達(dá)到抑制顫振的發(fā)生。在改變加工工藝抑制顫振的工作中，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要集中在變速磨削研究上。

變速磨削的實(shí)質(zhì)是通過(guò)連續(xù)改變砂輪或工件的轉(zhuǎn)速，不讓磨削顫振始終處于最大顫振增長(zhǎng)率對(duì)應(yīng)頻率下振動(dòng)，使顫振增長(zhǎng)率在最大顫振增長(zhǎng)率附近連續(xù)變化，以達(dá)到抑制或延緩顫振增長(zhǎng)目的。20世紀(jì)70年代，Grab等［61］受到不等齒距相對(duì)抑制再生型顫振的啟發(fā)，首先提出了“變速切削”的概念。Inamura等［62］通過(guò)對(duì)變速切削系統(tǒng)穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)分析得到:與恒速切削相比，變速切削的穩(wěn)定性界限可提高10倍左右。申曉龍等［35］采用變速磨削試驗(yàn)表明:變速磨削確有一定抑振效果，并且存在一定的變化趨勢(shì)，按工件變速、砂輪與工件同時(shí)變速、砂輪變速，其抑振效果遞增。

韓相吉等［63］對(duì)砂輪變速磨削抑制顫振的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并討論了砂輪變速幅度、頻率和波形對(duì)顫振抑振效果的影響。但砂輪變速還會(huì)造成很大的瞬時(shí)電流通過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，對(duì)設(shè)備有一定程度的損傷。

(5)主動(dòng)控制方法

主動(dòng)控制方法就是應(yīng)用控制理論從外部供給能量進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償控制。檢出系統(tǒng)的某一狀態(tài)量(如切削力或位移)的變動(dòng)，然后把與狀態(tài)量同頻率、同幅度但反相的控制量加到這個(gè)狀態(tài)量本身或作相應(yīng)變動(dòng)后加在別的狀態(tài)量上去。雖然主動(dòng)控制在理論上已有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，但由于其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性使得它不能很快被投到實(shí)際應(yīng)用中。Cowley A［64］用非接觸式測(cè)振儀檢出振動(dòng)位移，然后用電磁激振器把能夠消除這個(gè)振動(dòng)位移的激振力通過(guò)反饋方式施加于機(jī)床機(jī)構(gòu)上。Cowstock T R［65］用非接觸式測(cè)振儀檢出振動(dòng)位移，為了減少因振動(dòng)位移而產(chǎn)生的瞬時(shí)切削量的變動(dòng)，用電液式調(diào)節(jié)器通過(guò)反饋方式來(lái)控制刀具的位置。Nachtigal等［66］通過(guò)檢測(cè)出交變切削力，并為消除這一交變切削力，也用電液式調(diào)節(jié)器通過(guò)反饋方式來(lái)控制刀具位置。王先上［67］在外圓車削中直接將動(dòng)態(tài)切削力信號(hào)放大，反相后作為電磁激振器的輸入信號(hào)，這樣可以使施加給工件的激振力始終跟蹤動(dòng)態(tài)切削力。

(6)智能控制方法

智能控制是目前顫振抑制領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)，主要是采用吸振器或附加裝置的控制方法，與主動(dòng)控制同樣存在結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。Tewani等［68］研究鉆桿上的主動(dòng)吸振器，抑制顫振，即通過(guò)壓電激振器產(chǎn)生的對(duì)吸振器激勵(lì)來(lái)減振，計(jì)算了一定切削速度下的最大切寬變化時(shí)的顫振穩(wěn)定邊界，并比較了主動(dòng)吸振器和被動(dòng)吸振器的顫振邊界值。Tanaka等［69］也提到了在細(xì)長(zhǎng)鉆桿上加主動(dòng)吸振器的方法，通過(guò)檢測(cè)到的顫振頻率和相應(yīng)的相位信號(hào)在計(jì)算機(jī)放大壓電激振器，產(chǎn)生阻尼力來(lái)減振，但是要找到吸振器的最佳位置才能得到理想效果。

到目前為止，在實(shí)驗(yàn)室條件下已經(jīng)給出了一些解決方案，但在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中只有很少的解決方案行之有效，特別是在抑制平面磨削顫振和減少磨削表面波紋度方面［17］。

4 磨削顫振特性研究的發(fā)展趨勢(shì)

影響磨削過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的因素十分復(fù)雜，給磨削顫振機(jī)理與監(jiān)控的研究帶來(lái)很大困難。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直不斷地進(jìn)行磨削顫振理論和實(shí)驗(yàn)研究，以揭示磨削顫振產(chǎn)生機(jī)理，磨削顫振研究存在以下發(fā)展趨勢(shì):

(1)磨削系統(tǒng)的精準(zhǔn)建模趨勢(shì)

全面考慮多場(chǎng)環(huán)境的耦合作用對(duì)磨削加工建模、結(jié)合面的建模、參數(shù)辨識(shí)研究;對(duì)磨削加工過(guò)程使用數(shù)值模擬，把幾何仿真與物理仿真結(jié)合起來(lái)進(jìn)行;考慮影響系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的因素具有時(shí)變特性和非線性，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混沌理論等其他現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)一步對(duì)磨削顫振的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究。

(2)重視顫振預(yù)測(cè)技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)

只有通過(guò)快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和識(shí)別顫振，才能在顫振發(fā)展早期就將其抑制下去，不至于在工件表面留下振紋，影響加工質(zhì)量。Zhehe Yao［70］等人利用小波和支持向量機(jī)對(duì)顫振進(jìn)行偵測(cè)和辨別研究取得較好的效果。但由于顫振過(guò)渡過(guò)程信號(hào)具有信息量大、非平穩(wěn)、信號(hào)特征重復(fù)再現(xiàn)性差的特點(diǎn)，故要實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的顫振預(yù)報(bào)有較大難度。

(3)優(yōu)化理論應(yīng)用于機(jī)床設(shè)計(jì)趨勢(shì)

結(jié)合優(yōu)化理論進(jìn)行磨床動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題，以穩(wěn)定磨削條件下低振動(dòng)和高加工質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)的外圓磨削系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，是有約束的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。其優(yōu)化變量包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)等。

(4)加工工藝智能預(yù)測(cè)趨勢(shì)

應(yīng)用基因遺傳算法、模糊優(yōu)化法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的非線性建模原理及自學(xué)習(xí)能力以及人工智能優(yōu)化控制對(duì)切削用量的優(yōu)化等多種方法和應(yīng)用，能有效地提高磨削穩(wěn)定性。

(5)精密檢測(cè)中的誤差分離技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)

精密檢測(cè)中的誤差分離技術(shù)(EST:Error Separation Technique)是精密加工與檢測(cè)技術(shù)中的重要內(nèi)容。加工中動(dòng)態(tài)磨削力、砂輪與工件之間的相對(duì)振動(dòng)以及工件表面波紋這3方面的信息不是孤立的，是相互聯(lián)系的。因此，通過(guò)精密檢測(cè)來(lái)研究磨削表面形貌誤差、磨削顫振及其抑制應(yīng)作為一個(gè)重要途徑［71］。

(6)從微觀方面剖析磨削過(guò)程及機(jī)理的發(fā)展趨勢(shì)

B.Lin等［72］將分子動(dòng)力學(xué)理論用于分析磨削機(jī)理，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，為微觀磨削的理論研究提供了一個(gè)新的方法。薛喆等［73］探討了鋼球的微觀磨削機(jī)理，分析磨粒在鋼球表面的微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而建立鋼球表面余料去除的通用模型。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，磨削加工技術(shù)在精密磨削、高效磨削、磨削自動(dòng)化、智能化技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速。精密磨削技術(shù)主要以微細(xì)磨料磨削技術(shù)，超精密研磨拋光技術(shù)和磨削振動(dòng)抑制技術(shù)為代表。高效磨削技術(shù)主要在重負(fù)荷荒磨，超高速磨削技術(shù)和高效深磨技術(shù)3方面發(fā)展迅速。自動(dòng)化、智能化主要指磨削過(guò)程監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)控制，自適應(yīng)控制優(yōu)化，智能化工藝設(shè)計(jì)和智能工藝庫(kù)等［74－75］。

磨削技術(shù)將迅速地成為高精度、高效率和自動(dòng)化智能化的高度綜合。一個(gè)國(guó)家的磨削工藝水平，己成為衡量該國(guó)機(jī)械制造水平的重要指標(biāo)。面對(duì)國(guó)外數(shù)控磨床產(chǎn)品的技術(shù)封鎖和昂貴價(jià)格，國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)控磨床的市場(chǎng)需求和發(fā)展?jié)摿薮?。監(jiān)測(cè)和抑制磨削顫振的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)大多是國(guó)外磨床生產(chǎn)廠家的高端的技術(shù)秘密。國(guó)外在此方面已積累了大量的創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)還處于探索和研發(fā)階段，要攻克這些關(guān)鍵技術(shù)必須要依靠我國(guó)科技部門支持，科研院所和生產(chǎn)廠家采用借鑒吸收與自主創(chuàng)新相結(jié)合的方式。我國(guó)在“十五”、“十一五”和“十二五”科技發(fā)展戰(zhàn)略中，一直把以數(shù)控機(jī)床為代表的先進(jìn)制造業(yè)作為優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題項(xiàng)目的設(shè)立，符合我國(guó)先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展規(guī)劃［76］。發(fā)展國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)控磨床，提升我國(guó)磨床的技術(shù)水平，對(duì)我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的基礎(chǔ)作用。

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