薄壁零件的加工颤动研究

张弟

摘要：学术界和工程界一直关注的研究热点就是工件与刀具之间的颤动。由于自身结构特点，薄壁零件在加工过程中极容易发生切削震动和变形，这对于提高加工效率及加工质量是极为不利的。本文通过回顾切削震动的机理研究历史，介绍了近几年逐步发展起来的切削颤动的非线性分析理论，分析了切削颤动研究中目前存在的问题及未来发展动向。

关键词：颤动;薄壁零件;非线性理论

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、机械制造等领域。但由于薄壁零件刚度低、结构复杂、工艺性差、加工余量大，在切削热、切削力及残余应力等因素的影响下极易发生变形和切削颤动。刀具与工件之间的颤动，不仅会破坏加工系统的使用寿命，严重时还会使切削加工无法进行，延缓了整个产品的制造周期，大大降低了加工效率。目前整体薄壁结构零件制造技术的水平，已经成为衡量世界各国工业发展水平的重要标志之一。本文通过回顾了切削颤动的研究历史，在为机械加工过程中减小或消除加工颤动提供了有益的参考。

1.切削颤动的机理研究

切削颤动的机理研究构成了切削颤动理论的内容。各种类型的颤动，根据其产生的机理，可归纳为下述几点：

（1）切削厚度变化的再生效应;

（2）振型关联效应;

（3）进给速度变化的切入效应;

（4）刀具工作角度的动态变化效应;

（5）切削力随切削速度增加而减少的下降特性;

（6）刀具的刀面与工件之间的摩擦系数，随相对运动速度增加而减少的下降特性。

在实际中，切削过程受许多复杂因素的影响，使其发生颤动的大多是上述多个因素共同作用的结果。所以，许多学者近些年一直着力于研究切削颤动的复杂情形，并且提出了一些新的理论和分析方法。

切削因为受到许多因素的影响，所以并不是一个确定的过程。通过将切削系统视为一随机的振动系统，并且用时间序列的分析方法建立工况下的切削系统模型，进而进行颤动分析，这为切削颤动的研究开辟了新的途径。这种研究方法的结果更为接近实际，因为分析信号来源于工况下的切削过程。

2.切削颤动的非线性分析理论

切削过程的动态特征与机床机构系统的动态特征，在切削颤动的线性理论中假定为线性的。然而在实际中出现的，如颤振振幅稳定性、有限振幅不稳定性、起振阀与消振阀的分离等是切削颤动的线性无法解释的。当其线性项无法被系统的非线性特性直接取得时，必须采用非线性的理论进行稳定的分析。并且只有非线性理论才能解释切削颤动中的有限振幅不稳定性的问题。通过归纳，影响切削颤动的几个非线性的因素为：

（1）机床机构中的非线性刚度;

（2）切削力的非线性特征;

（3）后角限制;

（4）刀刃运动轨迹的一部分越出工件材料之外。

3.切削颤动研究中存在问题

尽管开展了大量的工作研究，关于切削颤动的研究仍不是很成功。主要表现在以下几个方面：

（1）理论欠完善，由于物理模型过于简单，不能完整的描述切削系统的动态特征。首先，研究中将切削系统简化为一维的系统，而事实上大多是三维切削。其次，假定切削系统是线性系统，而事实上非线性是比较明显的。因此这方面的研究还很不充分。

（2）切削系统动态特征难以准确确定。首先，切削过程的动态特性未能得到完整而准确的描述。目前，切削机理研究还不完善，因此用理论计算方法来确定切削力的特性很难保证其正确性;而在用试验方法识别参数时，又受到切削颤动理论的假设条件限制，对复杂的切削过程描述过于简单，对切削过程非线性特性的描述及识别缺乏研究。其次，机床机构的动态特性也没能准确的描述。有许多结合部及相对运动环节，在机床机构系统中，其特性很难计算分析。静态与空运转激振试验与实际切削状态差别很大。因此，机床机构系统非线性描述与参数识别，尚是一个有待研究的问题。

（3）试验技术有待进一步发展。就目前的测试设备与技术水平而论，开展此方面的工作还有许多困难，特别是动态切削力的测量及处于工件与刀具之间的切削点的相对位移的测量。这有待于试验方法的创新和试验技术的发展。

4.未来发展动向

目前，切削颤动的检测与控制技术还处于发展之中。由于目前的颤动检测与控制技术是建立在切削颤动的线性分析理论基础之上，因此不可避开切削颤动理论研究而独立发展。考虑切削颤动的非线性特征，还是一个崭新的问题。但是随着人们对切削颤动机理认识的不断深入，切削颤动的检测及控制技术会更加的可靠和有效。

5.结束语

薄壁零件的加工极易发生切削颤动，因此是生产实践中的一大难题，切削颤动会影响切削过程、零件质量及生产率。本文回顾了切削颤动的机理研究历史，并分析了切削颤动的非线性分析理论，分析了切削颤动研究中目前存在的问题及未来发展动向。

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