振动力学论文

机床颤振的若干研究和进展
摘要:本文根据颤振的发生机理分别阐述了机床颤振的理论模型的研究方法和发展过程,并且着重讨论了近十几年在机床颤振的控制及在线监控领域内的
动态和进展。

从文中可以看出机床颤振的研究日益深入,并且与其它学科之间不断交叉发展。

关键词:颤振;非线性;在线监控;稳定性
0 引言
在机械制造工艺学的学习中，我初步了解了机械加工过程中的振动及其分类。

振动的产生，使工艺系统的正常切削过程受到干扰和破坏，进而在工件表面形成了振纹，降低了零件的加工精度和表面质量。

强烈的振动会使切削过程无法进行，甚至造成刀具“崩刃”。

振动影响刀具的耐用度和机床的使用寿命，还会发出刺耳的噪声，使工作环境趋于恶化，影响工人的身心健康。

随着现代工业的发展，高效、高速、强力切削和磨削加工成为机械加工发展的重要方向，但是由此引发的强迫振动、自激振动等，都是实现和推广这些加工方法的障碍。

在机床上发生的自激振动类型较多,例如回转主轴(或与工件联系、或与刀具联系)系统的扭转或者弯曲自激振动;机床床身、立柱、横梁等支撑件的弯曲或扭摆自激振动;切屑形成的周期性颤振和整台机床的摇晃。

此外还有机床工作台等移动部件在低速运行时所发生的张驰摩擦自激振动(通称爬行)等等。

通常把金属切削过程中表现为刀具与工件之间强烈的自激振动称为“颤振”。

自20世纪40年代以来,切削颤振一直是机械制造行业与切削加工领域的一项主要研究课题,同时发展出机床动力学、切削动力学的学科分支。

随着加工精度、生产效率、自动化、集成化程度的提高,现代化的制造系统——柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)促进了颤振的在线监控与控制技术的发展。

另一方面随着计算机的发展和其深入应用,各学科各部门之间日益渗透和交叉,为切削颤振的研究提供了更为广阔的理论基础和技术手段,使得切削颤振的研究无论是在理论上还是在实际应用方面都有着深刻的变化和长足的发展。

【1】1颤振模型的理论研究和进展
对于机床颤振的研究,很自然是从颤振的机理与模型的研究开始的。

切削颤振问题按其物理形成原因可分为:振型耦合型颤振、摩擦型颤振和再生型颤振三类。

关于前两种模型的研究资料不是很多,大部分的研究主要集中在再生型颤振。

振型耦合型颤振是指由于振动系统在两个方向上的刚度相近,导致两个固有振型相接近时而引起的颤振。

由J1Tlusty首次提出,后来也有学者进行研究,通常都是取两个自由度线性系统为研究对象,采用振动理论中的实模态分析法即可得到系统的特征方程与稳定性条件。

于俊一等利用耦合型颤振模型,研究了机床主轴刚度方位对切削稳定性的影响【2】。

摩擦型颤振是指在切削速度方向上刀具与工件之间的相互摩擦所引起的颤振,其产生机理K1N1Arnold(1946年)提出以来,也有不少的讨论和研究。

自从J1Tlusty(1970)提出“速度分量原理”以来,大部分的文献都是围绕切削速度变化和切削力的动态特性的研究。

陈花玲等用迟滞非线性理论建立了新的颤振理论模型,并利用等效线性方法确定了该模型的稳定阈的近似解,得到了三维稳定性图【3】。

刘习军等建立了由刀架弹性子系统和工件弹性子系统在非线性动态切削力耦合下的多自由度理论模型,揭示了系统存在内共振的机理,是速度型颤振研究的一个新的思路。

比较典型的还有NETERSTELTER建立的以简化悬臂梁在干摩擦作用下的摩擦型颤振理论模型,取梁的前两阶模态用数值法分析了梁系统在切削力和切速变化下的分叉行为,并且加以试验对照,最后又讨论了摩擦力的识别和梁系统的时域特性。

再生型颤振是指由于上次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位差导致刀具的切削厚度的不同而引起的颤振,由R1S1Hahn(1954)首次提出后,J1Tlusty(1988)等在线性模型范围内研究并发展了其理论。

再生型颤振的非线
性理论自C1J1Hook(1963)等发现有限振幅不稳定现象后开始研究,考虑了切削过程中的非线性因素以及机床结构的非线性因素。

师汉民等建立了非线性、变时滞的微分差分方程【4】,吴雅等根据其方程提出了强迫再生颤振理论,并通过计算机仿真研究了其谱阵特征,得出了强迫再生颤振的判别方法。

鲁宏伟在已有非线性模型的基础上,用数值方法研究了不同切削参数下铣削过程复杂的非线性行为。

大量的数值计算表明,在某些参数范围内,切削力和刀刃位移信号均呈现混沌特性。

借助于Lyapunov指数,证实了这一结果。

LeeB1Y1和TarngY1S1发展了新的包含复杂非线性阻尼力的机械模型,并且结合前馈神经网络模拟切削力组成,用数值迭代法获得了工件相对于刀具的振动位移量,与其它的模型相比有着较好的动态行为。

对再生型颤振模型及其机理的研究一直在进展当中,孔繁森和于骏一在机床切削颤振分析中首次考虑了模糊不确定性因素的影响,利用模糊数学分析方法详细论述了切削过程再生颤振的模糊性分析问题,给出了模糊稳定性极限切削宽度集合的可能性分布及其置信区表达式,最后依据理论分析,经计算机编程绘制了模糊稳定性图【5】。

Kondo和Eiji建立了刀具破损情况下的动力方程,并且在直角切削条件下比较了锋利及破损刀具的切深和切削量之间的关系,得到了此条件下产生再生型颤振的稳定图表,发现当破损宽度达到0.13mm时和低速切削时稳定极限上升很快。

MaruiE1用试验方法研究了影响再生型颤振的两个因素:刀具侧面和工件之间的干涉效应(主要的颤振源)和再生效应。

有关这两个因素在不同的副切削刃角度下的再生型颤振的特性,DaviesM1A讨论了长径比较大的端面铣刀在高速切削时发生颤振的庞加莱截面检测法,比较了刀具的偏差与再生型颤振理论的关系,并在高速端铣中讨论了其稳定性。

DavidE1Gilsinn建立了满足再生型颤振发生条件下非线性时滞微分方程,证明了机床系统发生Hopf分叉是再生型颤振发生的前提,同时给出了系统发生分叉的稳定边界上的特征值及相应的Floquet指数。

FuJ1C1和TroyC1A1阐述了基于振动谱的熵函数分析法区分了圆柱纵向磨削过程的再生型颤振的发生是工件产生的还是砂轮产生的,此法不但容易理解而且方便用于系统的实时应用。

PakdemirliM1建立了再生型颤振的单自由度的非线性方程,其中采用了旋转角度为独立坐标,主轴转速作为调和变参数,用摄动法得到了近似解,得出了系统的有效稳定区域。

【6】
2近年来机床颤振领域研究的变化及发展
随着计算机技术的开发与广泛的应用,尤其是进入20世纪90年代机床颤振的研究也发生了革命性的进步和变化,大量的试验和计算机模拟使得对机床颤振的研究更加深入。

大量的资料表明其研究主要集中于机床颤振控制领域。

李沪曾等采用数字仿真研究平面端铣切削振动的原理和条件,通过比较铣削振动试验和计算机仿真中的铣削强迫振动与自激振动现象,验证了数字仿真的可行性和优点。

同时应用Runge-Kutta和Simpson公式———快速卷积迭代两种数值方法仿真铣削振动的结果相当接近,而后者具有计算简单、收敛速度快和解的稳定性好等优点。

对于超精密机床的颤振控制有其特殊的一面。

环境振动是影响亚微米超精密机床加工精度的一个重要因素。

盖玉先和董申等为此提出了将模糊控制系统与空气弹筑隔振系统相结合的方法,用于亚微米超精密车床的振动控制。

空气弹主要作用是隔离较高频率的环境振动并支承车床;主动控制则是有效地控制低频环境振动的影响。

针对机床系统振幅微小且有自激振动的特点,采用了带有两个调整因子的二维模糊控制器,其输入为速度和加速度信号,输出为作动器的控制电压。

黄田等采用带有自调整因子的模糊控制策略和最大乘积法模糊域控制规则,提出一种铣削加工过程恒力模糊控制方法。

该方法具有响应快、超调小、鲁棒性强和自寻优等特点,并可有效地克服传统恒力切削自适应控制中的模型失配及因数控进给速率有限分档造成的失稳问题。

最后通过实验验证了在切深渐变和突变工况下该方法的正确性和有效性。

根据颤振控制方式可以将其归纳为两种
方法:机床局部结构的优化改进的硬性方法和调整切削参变量的软性方法。

【7】3学科领域的交叉及进一步拓展
颤振的预报以及在线监控是颤振控制的进一步拓展和延伸,也是当代微机技术飞速发展的结果。

这个领域的发展既需要切削进给量、工件或刀具的变形位移量、切削力等参变量为其提供了有效的信号载体,又必须有对动态信号能够快速准确地反映和提取的设备及装置。

于骏一和周晓勤根据似然比检测原理提出了一种新的机床切削颤振监测统计量,能识别切削过程中产生的信噪比为0115的微弱振动成份。

文章还就颤振监测工作特性、颤振监测门限值设置等有关问题进行了分析讨论。

付连字等基于切削颤振动力学模型,分析了切削颤振的相位特性———工件前后两转切削颤振信号间相位差在颤振建立过程中的变化特征。

结果表明,随着颤振的产生,该相位差由无序状态逐渐过渡到相对稳定的状态,并且相位差在颤振产生初期就已经相对稳定。

同时对相位差的在线测试方法也进行了深入的研究。

结果表明,利用等工件转角间隔采样通过互功率谱密度方法可以实现相位差的精确在线测试。

最后对切削颤振的相位特性进行了试验考证,王太勇等基于在切削过程中刀具磨损声,对颤振信号的时域统计参数分析、相关分析、AR分析及频谱、倒谱等分析,构建出以主轴转速为第一级判断,信号平均幅值为第二级判断,信号平均幅值与频谱、相关和AR等特征参数有机组合为第三级判断的多级模式,既具有单一判据模式的
快速性,又具有联合判据模式的准确性。

王民等提出可以利用电流变材料的电控流变特性,通过在线调控切削系统动态特性以提高切削稳定性,并针对镗削系统,
开发出一套可根据实时采集的切削振动信号自适应地快速调整系统动态特性以避免颤振发生的颤振智能监控系统。

Rahman,讨论了以细长工件的长径比作为独立参数,在采用大范围长径比值的实验中识别切削过程的稳定性,把颤振周期中变化的主切削力值作为门阙值之一,定义了双标准在线检测门阙值的概念,在实验中将此标准用于进给控制系统,在工件长径比小于12时能够精确地判断颤振的发生。

结合人工神经网络的超声波小波分析法是根据颤振刀具反射回来的超声波信号变化与颤振频率的关系等,检测刀具的磨损及颤振,但是有频率溢出的缺陷。

吴雅等采用小波变换及信号重构的方法,结合自动提取信号特性的程序,监测钻削过程中的颤振以及刀具的磨损,实验证明效果非常理想。

采用低通滤波器结合测力计收集动态切削力信号,FFT获得相应的功率谱的主轴调速法对再生型颤振的在线监控,其特点是在调速过程中不需要破坏机床的进给,因而刀具的磨损较低,且
无需对机床结构进行识别,实际应用潜力较大。

另外还有应用颤振产生的极限环特性作为指标来监测颤振的方法,但是必须处理好极限环的自动特征提取程序。

【8】
参考文献
【1】王立刚,刘习军,贾启芬.《机床与液压》20041No11.1001-3881(2004)11-001-5 【2】于俊一.工艺系统刚度主轴方位对切削过程稳定性影响的研究.振动工程学报,1(4):36～43
【3】陈花玲.机床切削颤振的非线性理论研究.振动工程学报,1992,5(4):335 【4】师汉民.影响机床颤振的几个非线性因素及其数学模型.华中工学院学报,1984,12(6):101～112,1
【5】孔繁森,于骏一.切削过程再生颤振的模糊稳定性分析.振动工程学报,1998,11(1):106～1091
【6】PakdemirliM.,UlsoyA.G..Perturbationanalysisofspindlespeedvibrationinmachi netoolchatter.JournalofVibrationandControl,1997,3(3):261～2781
【7】李沪曾,于信汇等.铣削振动的计算机仿真.振动工程学报,2001,14(3):292 【8】王太勇,郭千里.刀具状态的声振多级在线监测模式研究.机械工程学报,1995,31(6):17～201。