基于变速切削方法抑制再生颤振的研究与应用*

王道林 王红军

(南京工业职业技术学院机械工程学院，江苏南京210046)

切削加工时，在没有周期性外力作用下完全由加工系统本身特性所激起的一种剧烈振动称为自激振动。在金属切削过程中，刀具经常在后一道加工过程中重复前道加工过的表面，由于某种原因造成前一道切削的振纹与本次切削位移之间的相位差，导致刀具的切削厚度发生变化而引起的颤振，称为再生型颤振，它是一种典型的由于振动位移延时反馈导致的动态失稳现象［1］。再生颤振多是在作超过一定限度以上的重负荷切削(二维切削时的切宽或三维切削时的切深较大的加工)时所发生的自激振动现象。作为颤振起因的再生效应，实际上是一种能够产生具有固定相位差的动态切削力的现象，这种一定的相位差保证了加工系统可以维持一种稳定的颤振［2］。由此容易想到，如果能够通过连续不断地改变工件转速使相接续的两次切削均有不同的速度，从而使维持稳定颤振所需的相位条件得不到满足，则再生效应就有可能反过来起到一种抑制再生颤振的效果。这里通过给定一些切削条件用实验方法分析研究利用变速切削原理抑制再生颤振的问题。

1 抑制切削颤振的方法

研究切削颤振的最终目的是为了抑制和消除颤振。一般来说，凡是可以改善机床结构系统动态特性和提高加工系统稳定性的方法和措施都可以起到抑制和消除颤振的作用。目前采用比较多的抑制颤振方法有:提高机床结构静刚度(抑制颤振的程度有限);改变刀具的几何参数和形状(增大前角或减小后角或是磨去一些刀刃的办法等);选用合适的切削速度(降低切削速度);改变机床结构的主振型方向;设置动力吸振器等［3］。

另外，基于反馈控制原理消振方法也是一类比较积极的抑制和消除再生颤振的方法。这类消振方案主要有:

(1)由DeRo等人先后提出的用非接触式位移传感器检测振动位移X，再通过电磁激振器将用于抵消振动位移X的激振力施加到机床结构系统上的反馈控制消振方案［4］;

(2)由Comstok等人提出的用非接触式位移传感器检测振动位移X，再通过电液式装置控制刀具位置使由振动位移X所引起的瞬时切除变化量被抑制到最小的消振方案;

(3)由Nachtigal提出的检测动态切削力，再通过电液式装置控制刀具位置来抑制动态切削力的消振方案;

(4)由森脇提出的先检测动态切削力再用电磁激振器通过所谓前馈方式对机床施加激振力以抑制动态切削力的消振方案［5］。

以上4种消振方案虽然证明在抑制和消除再生颤振方面是相当有效的，但同时存在着装置费用太高、效果不太可靠等缺点。

2 基于变速切削抑制再生颤振的实验方法

2.1 切削实验装置及条件

实验是在对安装在细长芯棒一端的盘状工件作外圆车削的情况下进行的。芯棒上带有配重，此时，整个工件支承系统的结构刚度很低，如图1所示。一般情况下，当切削速度超过50 m/min时，只要切深大于0.2 mm，系统就肯定会发生明显颤振［1］。该实验装置简图中各部分的具体参数是:芯棒长度为1 340 mm;芯棒直径为60 mm;工件系统的固有频率为60 Hz;工件直径为100～180 mm;工件厚度为50 mm;工件材料为45钢。

2.2 主轴驱动系统

用于实验的车床主轴是由可控直流调速电动机(11 kW)通过皮带轮和减速齿轮驱动的。这种直流电动机是按照转速与调速装置的输入电压成正比的要求设计的。利用0～6 V的输入电压可以获得0～3 600 r/min 的回转速度［6］。

2.3 三角波信号发生器

鉴于三角波除顶点外的变化率是常数，故较适合于作为变速需要的控制电压。三角波的斜率及电压变化的上下限可视需要任意设定。本实验则是在使三角波升降斜率相等的情况下进行的。

2.4 实验用刀具的几何参数

实验时所用刀具几何参数为:刀具主偏角Kγ=45°，副偏角 K′γ=45°，前角 γ0= －5°，后角 α0=5°，刀尖圆弧半径rε=0.8 mm。刀具材料为YT15硬质合金材料。

2.5 其他测试装置

芯棒中央部分的振动位移用电容式测微仪检测。根据对芯棒固有振型的检测结果分析知道，芯棒中央部位的振动位移是工件振动位移的3～4倍。测得的振动位移利用电平仪转变成与其幅度成正比的直流信号然后收录在笔式记录仪上。另外，主轴转速的指令信号以及用测速发电机测得的主轴速度的变化信号也同时收录在笔式记录仪上。

3 变速切削方法抑制再生颤振的实验结果

实验是以一定的转速切削安装在芯棒上的工件使之发生颤振，待振幅达到稳定后，再利用三角波指令信号使工件转速发生变化。如图2所示，记录到的振幅变化情况是当速度变动的指令信号为三角波，切削深度为0.5 mm，进给量为0.2 mm/r，工件直径为147 mm，平均切削速度为154 m/min，主轴转速变动率为95(r/min)/s，工件材料为45钢的条件下测定的。

从图2中可以看出:速度一旦发生变化，振幅便急剧衰减。由此可以说明主轴转速的连续变化对抑制再生颤振具有非常好的效果。

在实验时，如果分别改变转速变化率、切削深度和切削速度等，也很容易得出如下结论:转速变化率越高，抑制再生颤振的效果越好;切削深度越小，抑制再生颤振效果也越好;而切削速度越高，颤振的振幅越大，此时，若要取得比较好的抑振效果，必须相应地提高转速变化率。

4 变速切削在抑制再生颤振上的应用前景

变速切削是直接将作用施加到再生环节上来抑制再生颤振的，与其他抑制再生颤振方法相比具有如下优点:

(1)作为必须的最主要的设备只是一台直流电动机，这对大多数机床而言是本来已经具备的条件;

(2)由于不需要反馈环节，属于一种所谓的开环控制，所以即使控制系统调节不当，也不存在反过来增加系统不稳定性的危险;

(3)诸如传感元件、测速电动机、指令设备等附加装置无需设置在切削点附近，因此，完全不存在妨碍切屑的排出、刀具的调整、工件测量之类等人工操作上的弊病。

变速切削方法在抑制再生颤振上的明显效果以及具有实施方便的突出优势，我们可以期望变速切削方法在诸如车削、钻削以及镗削等的粗加工工序的抑制再生颤振中表现出很高的实用价值。

［1］阳辉，黄筱调，方成刚.数控再生型切削颤振系统的分析及仿真［J］.机床与液压，2009(1).

［2］梅志坚，杨叔子，师汉民.机床颤振的早期诊断与在线监控［J］.振动工程学报，1988(3).

［3］成志清，金瑞琪.切削颤振研究的历史、现状及发展动向［J］.江苏大学学报:自然科学版，1992(2).

［4］赵利颇，潘存治，马强.基于电磁作动器的主动隔振系统研究［J］.石家庄铁道学院学报，2006(2).

［5］孙国春，田彦涛，欧云，等.汽车发动机主动隔振系统自适应控制［J］.汽车工程，2004(1).

［6］于骏一，杨辅伦，吴博达.变速切削方法的减振原理［J］.机械工程学报，1995(6).