高速切削加工过程振动预测技术

陈光军，苏天宇，侯 帅，孙光兴

（1.天津职业技术师范大学机械工程学院，天津300222；2.佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007；3.天津宝涞精工集团股份有限公司，天津301800）

1 引言

高速切削加工加工参数选择的不合理会导致切削振动，切削过程中振动导致的不稳定切削会产生一系列不良的影响，是限制生产效率提高、加速机床的磨损的主要原因，有时甚至因振动致使机床设备零件出现疲劳破坏产生重大事故[1-2]。完善切削振动的预测工作，对高速切削加工技术发展有着显著的现实意义。

2 切削颤振研究概述

2.1 颤振的产生机理与模型

切削颤振是典型的自激振动现象，是导致不稳定切削、制约加工效率与加工精度的主要因素[3]，学者Munoa 列举的切削加工过程中产生颤振的现象，如图1 所示[4]。切削加工过程中，颤振往往是由切削系统内部的寄生反馈引起，想要对其辨识、预测以及抑制极为困难[5]。如何减少颤振的产生，提出有效的颤振预测方法，对提高产品的质量以及保证产品生产效率具有重要的意义。

图1 切削加工过程中产生颤振的现象Fig.1 Phenomenon of Flutter in Cutting Process

自上个世纪Taylor、Hahn、Tobias 等学者开创性的进行了切削颤振的研究以来，目前很多国内外学者提出了多种切削颤振理论，公认的颤振类别主要有：再生型颤振、振动耦合型颤振以及摩擦型颤振。其中再生型颤振是切削加工产生自激振动的主要原因之一，再生型颤振是由切削加工过程中前后两转切削振纹的相位差导致切削厚度发生改变所引起的，其物理模型，如图2 所示[6]。2008 年，文献[7]通过铣削力试验，对刀具偏心量所造成的再生型颤振现象进行了研究，采用改变径向切深保证稳定性加工，提高加工效率。2015 年，文献[8]以机床再生型颤振为研究对象，从颤振的产生机理和集中质量系统的颤振运动学方程出发，利用BP 神经网络PID 控制对切削颤振抑制系统进行控制仿真。

图2 再生型颤振物理模型图Fig.2 Regenerative Flutter Physical Model Diagram

建立切削系统工艺参数与颤振之间的数学关系模型，通过调整工艺参数来最大程度上避免颤振的产生、延长机床和刀具的寿命、提高经济效益是一种可行的方法。

2.2 切削颤振的影响因素

切削加工过程通常伴随着颤振现象，所发生的颤振是相当复杂的，影响颤振产生的因素众多，几乎包括了整个机床系统：机床-刀具-工件-夹具。分析加工过程中颤振产生的影响因素，可为后续颤振的实时预报及提出控制方法提供有力的依据。机床特性、工件和刀具的性能、以及加工方式等固定影响因素而言，切削参数是可变因素，其通常是制造和加工过程中产生颤振的主要影响因素。若切削参数选择不当，就会加剧刀具磨损产生颤振现象。近年来，针对切削参数选取不当引起的振动，国内专家学者进行了大量研究分析。文献[9]以单因素试验对TA15 钛合金进行外圆切削，得出了切削用量中切深对振动影响最大的结论。随后，文献[10]以T2225 型深孔钻镗床为研究对象，分析了不同切削参数条件下，切削参数的改变对工件振动的影响，并得出选取合适的切削参数，可以有效地降低切削振动的结论。可以看出，如何实现切削参数的优选是很重要的，对降低生产加工过程中颤振现象的负面影响有着重要意义。

3 高速切削稳定性预测研究

为确保高速切削加工过程切削系统的稳定性，在实际加工过程中，通常选取保守的切削参数组合进行加工，而这种保守的切削加工方式，往往不能获得理想的切削效率，与现代化生产对高效率的追求不相适宜。

3.1 稳定性影响因素分析

现今为止，国内外学者关于高速切削稳定性的研究大都是通过稳定性叶瓣图来表征的，稳定性叶瓣图直观的给出了切削稳定区域。2016 年，文献[11]针对TC4 钛合金高速加工过程，通过实验获取数据并以Matlab 编程，建立了钛合金加工过程中稳定切削极限图，如图3 所示。曲线上的点可以表示为不稳定切削与稳定切削的临界点，即在切削加工过程中，稳定切削与要发生切削振动之间的临界状态所对应的具体数值，被称为主轴转速与对应切削深度的切削稳定性极限值。2017 年，文献[12]在高速车铣加工试验的基础上，仿真分析了颤振稳定性叶瓣图，其结果表明高速车铣加工过程中颤振的产生很大程度上取决于切削参数的选择。

图3 切削稳定性图Fig.3 Cutting Stability Diagram

在实际高速切削加工过程中，由于机床主轴转速很高，系统动态参数会随着切削加工进行而发生相应的改变。2013 年，文献[13]通过动力学建模，在颤振稳定性分析软件上，对颤振进行了稳定性分析，在对某一单一因素进行分析时，保持其他动力学参数相同，分别只调整机床主振系统刚度k、主振系统阻尼比ζ、固有频率频率ωn、重叠系数μ、方向系数u、刚度系数kc得到的主轴转速与极限切深的关系的叶瓣图，如图4 所示。

图4 主轴转速与极限切深的关系的叶瓣图Fig.4 Leaf Flap Diagram of the Relationship between Spindle Speed and Ultimate Cutting Depth

综合上述文献可以看出，在颤振稳定性叶瓣图中稳定区域大小与切削加工系统动态特性密切相关。实际加工过程中，在满足加工效率的前提下参照切削稳定性叶瓣图，从稳定性库系统中提取最优的切削参数，对工件进行切削加工，实现切削效率的最大化，对工程实际有着指导性意义。

3.2 高速切削稳定性预测的研究

高速切削稳定性控制理论是确保无颤振高精度、高效率加工的关键技术之一。1995 年文献[14]在系统力和位移的传递函数的基础上提出了频域稳定性预测方法。2006 年，文献[15]通过测量不同声音信号，建立了铝合金切削稳定性极限曲线。2009 年，文献[16]根据加工系统稳定性lobel 图提出了一种主轴调速策略的预测方法。2017年，文献[17]建立了铣削加工Cr12MoV 的动力学模型和稳定性预测模型，并基于Matlab 软件进行不同铣削方式的数值模拟。

在生产实际中，通过对高速切削数据库存储参数的提取，用颤振稳定性分析软件进行切削稳定性仿真，结合绘制出的切削稳定性极限图，可为避开颤振区选取切削参数提供可靠的参考依据。

4 切削振动的辨识与预测

切削振动的预测主要目标是及时辨识颤振现象，颤振的辨识，即对切削加工过程中的振动状态进行直接和间接的在线控制，切削颤振的预报主要包括：特征量的提取和判决阈值的确定。由于颤振的生长时间极短，要预测颤振现象，必须快速准确地捕捉到颤振产生的前兆，进而采取相应措施有效的控制或抑制颤振的进一步发展。随着人工智能技术的快速进步，切削振动的预测也朝着智能化方向发展。

文献[18]提出了一种适用于工业应用的多传感器颤振检测系统，该系统应用了智能算法辨识各种信号对切削颤振征兆的敏感度。2010 年，文献[19]在切削过程声音信号的反馈基础上，实现振动的预测并实现实时抑制切削颤振。2017 年，文献[20]基于小波分解和倒频谱分析方法，以不同颤振发生频段信号的倒频谱占比系数作为颤振特征，能够高效的辨识不同加工条件下的切削状态，如图5 所示。文献[21]以航空铝合金薄壁件为实验材料，选取了铣削力信号的实时方差特征和加速度信号的小波能量特征，来预测和辨识薄壁件的颤振状态。

图5 稳定、过度和颤振状态下的倒频谱Fig.5 Inverted Spectrum in Stable，Excessive and Flutter States

如何构建一个高效、精准的预报函数来辨别高速切削加工过程中从稳定切削区域过渡到颤振切削的信号特征，将是抑制和防止高速切削加工过程中颤振的发生以及提高材料切除率和零件加工质量的有效途径之一。

5 结语

对于高速切削加工零件的加工质量和效率要求越来越高，如何辨识、预测颤振及避免切削加工过程中颤振的产生仍是今后研究的重点。研究各种材料的高速切削机理，建立不同工况条件下高速切削稳定性数据库系统，提高切削颤振控制的实时性、准确性、有效性，是未来切削颤振控制研究的发展趋势，也是满足实际生产需求行之有效的重要途径。