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。由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，薄壁零件在加工過程中極容易發(fā)生切削震動和變形，這對于提高加工效率及加工質(zhì)量是極為不利的。本文通過回顧切削震動的機(jī)理研究歷史，介紹了近幾年逐步發(fā)展起來的切削顫動的非線性分析理論，分析了切削顫動研究中目前存在的問題及未來發(fā)展動向。

關(guān)鍵詞：顫動;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。刀具與工件之間的顫動，不僅會破壞加工系統(tǒng)的使用壽命，嚴(yán)重時還會使切削加工無法進(jìn)行，延緩了整個產(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)成為衡量世界各國工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。本文通過回顧了切削顫動的研究歷史，在為機(jī)械加工過程中減小或消除加工顫動提供了有益的參考。

1.切削顫動的機(jī)理研究

切削顫動的機(jī)理研究構(gòu)成了切削顫動理論的內(nèi)容。各種類型的顫動，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)，隨相對運(yùn)動速度增加而減少的下降特性。

在實(shí)際中，切削過程受許多復(fù)雜因素的影響，使其發(fā)生顫動的大多是上述多個因素共同作用的結(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，所以并不是一個確定的過程。通過將切削系統(tǒng)視為一隨機(jī)的振動系統(tǒng)，并且用時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)行顫動分析，這為切削顫動的研究開辟了新的途徑。這種研究方法的結(jié)果更為接近實(shí)際，因?yàn)榉治鲂盘杹碓从诠r下的切削過程。

2.切削顫動的非線性分析理論

切削過程的動態(tài)特征與機(jī)床機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特征，在切削顫動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的線性無法解釋的。當(dāng)其線性項(xiàng)無法被系統(tǒng)的非線性特性直接取得時，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中的有限振幅不穩(wěn)定性的問題。通過歸納，影響切削顫動的幾個非線性的因素為：

（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)動軌跡的一部分越出工件材料之外。

3.切削顫動研究中存在問題

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

（1）理論欠完善，由于物理模型過于簡單，不能完整的描述切削系統(tǒng)的動態(tài)特征。首先，研究中將切削系統(tǒng)簡化為一維的系統(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)動態(tài)特征難以準(zhǔn)確確定。首先，切削過程的動態(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)方法識別參數(shù)時，又受到切削顫動理論的假設(shè)條件限制，對復(fù)雜的切削過程描述過于簡單，對切削過程非線性特性的描述及識別缺乏研究。其次，機(jī)床機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性也沒能準(zhǔn)確的描述。有許多結(jié)合部及相對運(yùn)動環(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)識別，尚是一個有待研究的問題。

（3）試驗(yàn)技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。就目前的測試設(shè)備與技術(shù)水平而論，開展此方面的工作還有許多困難，特別是動態(tài)切削力的測量及處于工件與刀具之間的切削點(diǎn)的相對位移的測量。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.未來發(fā)展動向

目前，切削顫動的檢測與控制技術(shù)還處于發(fā)展之中。由于目前的顫動檢測與控制技術(shù)是建立在切削顫動的線性分析理論基礎(chǔ)之上，因此不可避開切削顫動理論研究而獨(dú)立發(fā)展?？紤]切削顫動的非線性特征，還是一個嶄新的問題。但是隨著人們對切削顫動機(jī)理認(rèn)識的不斷深入，切削顫動的檢測及控制技術(shù)會更加的可靠和有效。

5.結(jié)束語

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

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