陳 成

(無錫科技職業(yè)學(xué)院 中德機(jī)電學(xué)院，江蘇 無錫 214028)

0 引言

切削顫振是金屬切削過程中刀具與工件之間產(chǎn)生的一種十分強(qiáng)烈的相對振動(dòng)，是一種非常復(fù)雜且十分有害的機(jī)械振動(dòng)。顫振容易引發(fā)強(qiáng)烈尖銳噪音，使人心情煩躁，車間噪聲污染嚴(yán)重，還會(huì)破壞刀具，引發(fā)機(jī)床明顯振動(dòng)，大大降低機(jī)床與刀具使用壽命，過度的顫振甚至?xí){現(xiàn)場人員人身安全。顫振切削后工件表面留下清晰振痕，嚴(yán)重影響工件表面精度和產(chǎn)品性能，增加產(chǎn)品的報(bào)廢率，因此研究如何有效抑制顫振發(fā)生，在生產(chǎn)加工中有著比較重要的實(shí)際意義。

國內(nèi)外在抑制顫振方面做了大量研究，如:Virginia 大學(xué)Pratt 建立一種基于傳感器和制動(dòng)器的有效振動(dòng)檢測和控制系統(tǒng)分析鉆削顫振;Columbia 大學(xué)Altintas.Y 開發(fā)一種以開放結(jié)構(gòu)傳感器焊成的智能控制器進(jìn)行振動(dòng)控制;Jordan 大學(xué)Hamdan. M 研究了刀具的集合形狀因素對顫振的影響;Martinez 采用壓電式制動(dòng)器對精密加工進(jìn)行振動(dòng)控制研究;Segalman 提出基于機(jī)床周期性改變阻抗理論的緩和控制顫振方法。國內(nèi)華中科技大學(xué)楊叔子研究采用模式向量的顫振識(shí)別和利用時(shí)序的顫振預(yù)報(bào);吉林工業(yè)大學(xué)曲興田借助特征參數(shù)Pa 研究顫振預(yù)報(bào);同校的于駿一采用振動(dòng)波形不規(guī)則系數(shù)θ 及利用加速度響應(yīng)與動(dòng)態(tài)切削力之間信號相關(guān)系數(shù)預(yù)報(bào)顫振;西安交通大學(xué)董衛(wèi)平通過振動(dòng)加速度和動(dòng)態(tài)切削力信號相關(guān)系數(shù)預(yù)報(bào)顫振;同校的李庚新采用“零間距法”判別顫振的發(fā)生，這些研究在某種程度上都取得了一定的成效［1］。

雖然目前顫振控制方法較多，但均有一定局限性，有些甚至只是得出理論結(jié)論，大都很難運(yùn)用于實(shí)際，因此提出一種安全可靠、簡單易行的顫振抑制方法十分有必要。本文擬采用基于超磁致伸縮致動(dòng)器(GMA)為執(zhí)行元件的顫振抑制系統(tǒng)來控制切削顫振，闡述其穩(wěn)定性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顫振抑制的可行性。

1 切削顫振產(chǎn)生機(jī)理

顫振是一個(gè)十分復(fù)雜的振動(dòng)過程，目前國際國內(nèi)關(guān)于切削顫振產(chǎn)生機(jī)理的觀點(diǎn)較多，其中再生型顫振被認(rèn)為是顫振產(chǎn)生機(jī)理中最直接、最主要的激振機(jī)制。假設(shè)把機(jī)床結(jié)構(gòu)簡化為一單自由度系統(tǒng)，切削運(yùn)動(dòng)由工件的自轉(zhuǎn)N與刀具沿工件徑向的進(jìn)給S0組成，S0在數(shù)量上又等于平均切削厚度;F(t)是作用在刀具上的切削力;x(t)為機(jī)床結(jié)構(gòu)的變形量，等于刀具對于工件在水平方向的振動(dòng)位移，由此可以建立再生型顫振物理模型如圖1 所示。

圖1 再生型顫振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

理想切削狀態(tài)下刀刃相對于工件運(yùn)動(dòng)軌跡為阿基米德螺旋線(圖1)，此時(shí)工件表面厚度S0的一層金屬被平穩(wěn)均勻切下，切削力F0為一恒量，因此作用在機(jī)床結(jié)構(gòu)上引起的振動(dòng)變形X0也同樣為一恒量，反之X0又保證了切削厚度S0恒定不變，S0的恒定不變確保了切削力F0的恒定不變，理想情況下此切削過程就可以一直持續(xù)平穩(wěn)進(jìn)行下去。但實(shí)際切削時(shí)總會(huì)存在各種各樣的阻擾，假設(shè)在切削中刀刃突然碰到工件材料中某一硬質(zhì)點(diǎn)的干擾，切削力將瞬時(shí)獲得一動(dòng)態(tài)增量ΔF(t)，而ΔF(t)引起振動(dòng)變形x(t)，x(t)又使瞬時(shí)切削厚度發(fā)生了Δs(t)的變化，立即引起切削力二次變化ΔF'(t)。工件轉(zhuǎn)動(dòng)1 轉(zhuǎn)，切削力動(dòng)態(tài)增量會(huì)增加，即ΔF'(t)＞ΔF(t)，同理工件再轉(zhuǎn)動(dòng)1 轉(zhuǎn)后，ΔF″(t)＞ΔF'(t)＞ΔF(t)……如此循環(huán)往復(fù)，切削力增量ΔF(t)及振動(dòng)變形x(t)不斷變化上升，越往后越激烈，最終形成強(qiáng)烈的自激振動(dòng)，即再生型顫振。

根據(jù)圖1，可將運(yùn)動(dòng)方程寫成

式中:m表示機(jī)床結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量;c表示模態(tài)阻尼;K表示模態(tài)剛度。

若切削厚度動(dòng)態(tài)變化量Δs(t)較小，則ΔF(t)可表示為

式中ΔF(t)表示切削力動(dòng)態(tài)增量(N);b表示切削寬度(mm)，即式(1)中工件厚度(垂直于圖1 面);Kd表示切削力的切削厚度系數(shù)(N/mm2)，即單位“bΔs(t)”下的切削力值。

2 微位移刀架和車削顫振抑制實(shí)驗(yàn)

磁致伸縮材料具備磁致伸縮效應(yīng)功能，它可以在變化磁場作用下實(shí)現(xiàn)尺寸和體積發(fā)生相應(yīng)改變的磁(電)能—機(jī)械能轉(zhuǎn)換，其飽和磁致伸縮系數(shù)λs一般為10-6數(shù)量級。超磁致伸縮致動(dòng)器(Giant Magnetostrictive Actuator，簡稱GMA)是利用稀土—鐵超磁致伸縮材料在外加磁場作用下形狀或體積發(fā)生變化這一特性，實(shí)現(xiàn)電磁能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的一種新型轉(zhuǎn)換器，它的特點(diǎn)是應(yīng)變大、推進(jìn)力大、快速響應(yīng)和無老化、無極化等，其飽和磁致伸縮系數(shù)λs一般大于30 ×10-6。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用基于超磁致伸縮致動(dòng)器為執(zhí)行元件的微位移刀架，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。超磁致伸縮棒處在激勵(lì)線圈和偏置線圈產(chǎn)生的磁場中。當(dāng)激勵(lì)線圈通入變化電流時(shí)，由于發(fā)生電磁感應(yīng)效應(yīng)，線圈將產(chǎn)生變化磁場，在磁致伸縮效應(yīng)的作用下，超磁致伸縮棒就會(huì)發(fā)生伸縮變形，進(jìn)而長度發(fā)生變化，推動(dòng)輸出頂桿移動(dòng)。

圖2 微位移刀架結(jié)構(gòu)圖

本車削顫振抑制實(shí)驗(yàn)主要測試車削加工時(shí)的振動(dòng)情況，利用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CA-YD-107 壓電式加速度傳感器收集刀具切削時(shí)的各種振動(dòng)信號，經(jīng)電荷放大器AZ408-A 放大后，用數(shù)據(jù)采集儀AZ308R 采集，最后采用南京安正軟件公司生產(chǎn)Ad-Cras 數(shù)據(jù)采集軟件對采集的振動(dòng)信號進(jìn)行記錄和分析，判定切削顫振的發(fā)生。切削顫振的控制是在判定顫振發(fā)生時(shí)，通過功率放大器對微位移刀架施加振動(dòng)激振信號，當(dāng)超磁致伸縮致動(dòng)器(GMA)發(fā)生微位移變化時(shí)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)切削，從而抑制顫振的發(fā)生，如圖3 所示。

圖3 車削顫振抑制系統(tǒng)工作原理圖

實(shí)驗(yàn)用機(jī)床型號為濟(jì)南第一機(jī)床廠生產(chǎn)的616A-1 型精密車床，刀具材料選用YT15，車刀焊接在自制刀桿(如圖4)上，車削時(shí)通過螺栓聯(lián)接固定在微位移刀架上，刀具幾何參數(shù)如表1 所示:

圖4 自制刀桿示意圖

表1 刀具幾何參數(shù)

實(shí)驗(yàn)時(shí)自制刀桿和以超磁致伸縮致動(dòng)器為執(zhí)行元件的微位移刀架相連，固定安裝于機(jī)床刀架上(如圖5)，實(shí)驗(yàn)中為使測量信號不受其它因素干擾，應(yīng)使系統(tǒng)接地。經(jīng)過反復(fù)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用較長懸伸量的工件，更容易誘發(fā)顫振現(xiàn)象，以方便驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)如下表2 所示:

表2 實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)

圖5 GMA 微位移振動(dòng)切削刀架機(jī)床安裝示意圖

(1)切削顫振實(shí)驗(yàn)

觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下:實(shí)驗(yàn)過程中機(jī)床發(fā)出強(qiáng)烈刺耳的尖叫噪音，刀具產(chǎn)生明顯振動(dòng)，車床小刀架有后退現(xiàn)象，工件表面出現(xiàn)明顯規(guī)則的條紋狀等距振痕(如圖6)，測量得到此時(shí)的表面粗糙度值和壓電式加速度傳感器輸入電壓值較大(見表3)，說明發(fā)生切削顫振后，工件表面質(zhì)量較差，振動(dòng)現(xiàn)象劇烈。

圖6 顫振工件表面振痕

從時(shí)域圖(如圖7)上可以看出，在系統(tǒng)進(jìn)入顫振時(shí)，振動(dòng)加速度的振幅增大，在顫振穩(wěn)定時(shí)達(dá)到最大，表明振動(dòng)能量在不斷積累增大。從頻譜圖(如圖8)上可以看出，在顫振急劇增長以后，靠近機(jī)床某個(gè)失穩(wěn)模態(tài)的固有頻率附近的振動(dòng)立即上升，信號的主頻帶會(huì)向低頻段移動(dòng)，占據(jù)了主要地位，并出現(xiàn)了顫振的四個(gè)頻 率，分 別 是 306. 25Hz、612. 50Hz、918. 75Hz、1225.00Hz。分析這些頻率可以發(fā)現(xiàn)，高頻部分的頻率都是以306.25Hz 為基頻的倍頻成分，因此可以認(rèn)為該機(jī)床的切削顫振頻率為306.25Hz。結(jié)合實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的現(xiàn)象和對振痕的觀察分析，表明在這樣的切削狀態(tài)下，系統(tǒng)已完全進(jìn)入顫振狀態(tài)。

圖7 切削顫振時(shí)域圖

圖8 切削顫振頻譜圖

(2)顫振抑制實(shí)驗(yàn)

發(fā)生顫振后，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入一種相對穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)前情況下，對微位移振動(dòng)切削刀架在吃刀方向和進(jìn)給方向上(如圖5 所示)施加不同振幅和頻率的振動(dòng)信號，觀察系統(tǒng)的振動(dòng)情況。

圖9 施加振動(dòng)信號后時(shí)域圖

圖10 施加振動(dòng)信號后頻譜圖

在進(jìn)行多次施加不同頻率和振幅的振動(dòng)信號試驗(yàn)嘗試后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)給吃刀和進(jìn)給兩個(gè)方向上施加頻率120Hz，振幅40pm 的振動(dòng)信號時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中強(qiáng)烈的尖銳噪聲消失，觀察工件表面振痕，顫振時(shí)工件表面留下了規(guī)則的條紋狀等距振痕(如圖6)。施加振動(dòng)信號后條紋狀振痕消失，留下相對比較平滑的工件表面，測量得此時(shí)表面粗糙度值有明顯下降，說明工件表面質(zhì)量有明顯提升;同時(shí)刀具與工件之間振動(dòng)減小，壓電式加速度傳感器輸入電壓值有明顯下降，說明切削振動(dòng)現(xiàn)象有顯著改善;從時(shí)域圖(如圖9)上看:振動(dòng)加速度的幅值也逐漸變小;從頻譜圖(如圖10)上看EU 值下降，高頻信號部分呈現(xiàn)發(fā)散趨勢，原本集中在高頻部分的頻率及其倍頻成分的比重逐漸減小，并向平穩(wěn)切削時(shí)的各個(gè)頻段上趨于分散，低頻信號部分比重逐漸增加。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由原先的顫振狀態(tài)逐漸過渡到一個(gè)相對平穩(wěn)狀態(tài)。測量并記錄下切削顫振時(shí)和顫振抑制后兩實(shí)驗(yàn)的表面粗糙度值和壓電式加速度傳感器輸入電壓值，如表3 所示:

表3 切削顫振和顫振抑制兩種情況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

綜合比較切削顫振時(shí)和顫振抑制后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、表面粗糙度值和加速度傳感器輸入電壓值，分析兩實(shí)驗(yàn)在時(shí)域及頻域信號上的差異，所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:通過對基于超磁致伸縮微致動(dòng)器(GMA)微位移振動(dòng)切削刀架施加一定的振動(dòng)信號后，切削顫振已被較好的抑制。

3 結(jié)論

通過分析再生型顫振產(chǎn)生的機(jī)理，建立再生型顫振和以超磁致伸縮致動(dòng)器(GMA)為執(zhí)行元件的顫振抑制系統(tǒng)兩者動(dòng)力學(xué)模型，開發(fā)了基于GMA 的車削顫振抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)在車床上進(jìn)行車削振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。通過觀察對比分析切削顫振時(shí)和顫振抑制后兩實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)結(jié)果，得出結(jié)論如下:采用基于超磁致伸縮致動(dòng)器(GMA)為執(zhí)行元件的微位移顫振抑制系統(tǒng)可以有效的抑制切削顫振，該顫振抑制系統(tǒng)安全可靠、簡單易行，可以較好的運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐，具有一定的指導(dǎo)意義。

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