數(shù)控機床切削加工過程顫振抑制技術(shù)的研究

1、第18卷第1期2006年3月北方工業(yè)大學學報J.NORTHCHINAUNIV.OFTECH.Vol.18No.1Mar.2006韓志華(,總結(jié)了國內(nèi)外對切削顫振,探討了通過控制主軸轉(zhuǎn)速抑制顫振的原理、方法、可行性,并提出了,從而為提高加工效率提供可循的加工依據(jù).關(guān)鍵詞切削自振;顫振抑制;切削寬度分類號TH161+.6數(shù)控機床的加工精度在一定程度上取決于切削加工中顫振對其產(chǎn)生的影響,顫振的產(chǎn)生不僅制約了數(shù)控機床在加工過程中的生產(chǎn)效率,而且還會在加工工件的表面留下波紋,影響加工精度.目前,通過廣泛的研究發(fā)現(xiàn):切削自振頻率往往接近于主軸部件橫向振動的低階固有頻率,這說明此時主軸部件是主振部件,它的低

2、階橫向振動模態(tài)是決定機床抵抗切削自振能力的主要模態(tài)1.因此,在單獨分析主軸部件時,可以認為主軸前端在切削部位的激振點動柔度反映主軸部件抵抗切削自振的能力,往往也在很大程度上反映了整機抵抗切削自振的能力,此動柔度最大負實部的值越小,主軸部件抵抗切削自振的能力越強,可以用來作為相對的評價指標2.同時,機床主軸部件的轉(zhuǎn)速與切削自振有很大的聯(lián)系.近年來,國內(nèi)外學者做了大量的實驗研究,設(shè)計了通過改變主軸轉(zhuǎn)速來抑制顫振的各種系統(tǒng).本文將對其中通過控制主軸前后轉(zhuǎn)的相位差抑制顫振的方法加以分析.作用下,刀具與工件之間也可能產(chǎn)生強烈的相對振動.振動時,將產(chǎn)生動態(tài)切削力,并在工件的加工表面殘留明顯的、有規(guī)律的振紋

3、,這種現(xiàn)象的振動屬于自激振動,簡稱顫振.如圖1示.自激振動是穩(wěn)定的等幅振動,因此,自激振動形成的條件是,在同一個振動周期內(nèi)從能源輸入系統(tǒng)的能量等于系統(tǒng)消耗的能量.顯然,當消耗的能量得不到補充,振動就會逐漸衰減;反之,輸入的能量如果有余,振動就會增大2.1.1自振系統(tǒng)中輸入能量的條件在一定條件下才能對自振系統(tǒng)輸入能量起自激振動.常見的有:振動位移滯后于系統(tǒng)的交變作用力P,或?qū)坝谙到y(tǒng)的交變阻力F.設(shè)交),振動體的位移變的作用力P=Qcos(t+x=Acost,為振動的角頻率,即振動位移滯后于交變作用力角.因此,交變作用力在一個振動周期T=2/內(nèi),向系統(tǒng)所做的功為UP=P xdt)(-=Qcos(

4、t+0T1切削顫振的產(chǎn)生機理機床進行切削加工時,在沒有周期性外力Asint)dt(1)=QAsin),它在一對于交變阻力F=Rcos(t-收稿日期:2005-09-20第一作者簡介:韓志華,碩士研究生.主要研究方向:機電一體化技術(shù)、設(shè)備故障診斷等.© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 26北方工業(yè)大學學報第18卷化量.(2)個周期內(nèi)對系統(tǒng)所做的功為:Uf=-F xdt=-RAsin由式(1)可知,在0<<180°時,Up>0,

5、有能量輸入系統(tǒng),且=90°時,Up達到最大值;由(2)可知,當-180°<<0時,Up>0,且=-90°時,Up達最大值.由第一種情況可知:當=90°時,顫振振幅最大,對加工過程危害極大,當=270°時加工最穩(wěn)定.度變化引起)和下降特性().目前國內(nèi)外的3.再生顫振原理可以利用簡單的直角切削過程加以解釋.如圖1所示.2顫振的抑制顫振的控制方法現(xiàn)已有多種,其主要包括:5.振動控.如主軸轉(zhuǎn)速、進給量、刀具參數(shù)等.其中,以對調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速控制顫振的方法研究最為深入.Smith發(fā)現(xiàn)顫振頻率、切削系統(tǒng)固有頻率和主軸轉(zhuǎn)速之間有一個復(fù)雜關(guān)系,

6、當調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速,使顫振頻率等于切削系統(tǒng)固有頻率時,刀具振動波形和工,系統(tǒng)穩(wěn)定性最件表面波紋之間相位差等于2佳,顫振得到抑制5.其中一種通過主軸轉(zhuǎn)速抑制顫振的方法是通過連續(xù)改變主軸轉(zhuǎn)速來抑制切削顫振,簡稱為變速切削法.它的減振機理是通過連續(xù)改變主軸轉(zhuǎn)速,使切削過程剛度特性和阻尼特性在很短時間內(nèi)快速改變,破壞再生型顫振產(chǎn)生和發(fā)展的條件,以此避免再生型顫振的產(chǎn)生和惡化.變速切削法的優(yōu)點是它適用于不同動態(tài)特性的切削系統(tǒng),不存在最佳切削速度的選擇問題,對它來說,調(diào)整的參數(shù)只是速度變化的形式和幅度.但變速切削法在實際應(yīng)用中還存在一定的問題.在后來的試驗中指出:由于機械傳動系統(tǒng)存在較大的轉(zhuǎn)動慣量和低的響應(yīng)特

7、性,大的轉(zhuǎn)速變動率和大的轉(zhuǎn)速變動量幅值不易得到.在機械系統(tǒng)的動剛度很低,加工時非常容易產(chǎn)生再生顫振的情況下,變速切削對抑制顫振不僅沒有效果,反而會加劇顫振.此外,變速切削不適用于精加工中的顫振抑制,而且還會造成很大的瞬間電流通過驅(qū)動電動機.圖1直角切削中的再生顫振假定一個平面直角切削刀沿垂直于圓柱型軸的方向進給,軸夾在卡盤和車床尾架之間.主軸在進給方向是柔性的,并且進給切削力Ff引起主軸振動.初始工件表面是光滑沒有波紋的,第一轉(zhuǎn)切削后由于在進給y方向工件的彎曲振動,在工件表面留下波紋,方向為徑向切削力Ff的方向.當?shù)诙D(zhuǎn)開始,刀具將在上次切削所產(chǎn)生的振紋y(t-T)的基礎(chǔ)上繼續(xù)切削,并在工件表

8、面留下本次切削的振紋y(t).4因此,隨之產(chǎn)生的動態(tài)切削厚度不再是常數(shù),而是隨振動頻率和工件轉(zhuǎn)速變化的函數(shù).一般動態(tài)切削厚度可以表示為:h(t)=h0-y(t)-y(t-T)3主軸轉(zhuǎn)速的在線尋優(yōu)控制在線尋優(yōu)控制機床轉(zhuǎn)速的3種方法6:(1)基于穩(wěn)定區(qū)搜索在線尋優(yōu)控制主軸轉(zhuǎn)速;(2)通過測定顫振頻率對主軸轉(zhuǎn)速進行在這里h0是已知的切削厚度,它等于機床的進給率.y(t)-y(t-T)本次切削所殘留下的振紋與上次切削所產(chǎn)生振紋之差,即切削厚度的變線尋優(yōu)控制;(3)通過控制工件相鄰兩轉(zhuǎn)間的顫振相位© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Pub

9、lishing House. All rights reserved. 第1期韓志華羅學科張超英:數(shù)控機床切削加工過程顫振抑制技術(shù)的研究差進行主軸轉(zhuǎn)速在線尋優(yōu)控制.目前,控制工件相鄰兩轉(zhuǎn)間的顫振相位差進行主軸轉(zhuǎn)速在線尋優(yōu)控制理論和技術(shù)已發(fā)展較為成熟:吉林大學于俊一給出:以切削表面前后兩轉(zhuǎn)切削振紋間的相位差=270°作為調(diào)整機床主軸轉(zhuǎn)速的尋優(yōu)目標,該方法給出了在小范圍主軸轉(zhuǎn)速尋優(yōu)的前提下,尋找機床切削穩(wěn)定性的袋狀曲線的兩袋之間最高點的簡捷有效的方法7.削寬度,.連續(xù)改振的穩(wěn)定切削點.以穩(wěn)定切削點對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速進行切削可以提高機床切削效率.通過試驗證明:隨著顫振的產(chǎn)生,該相位差由無序狀態(tài)

10、逐漸過渡到穩(wěn)定狀態(tài),并且相位差在顫振產(chǎn)生初期就已經(jīng)相對穩(wěn)定.鑒于在切削加工過程中,主軸的轉(zhuǎn)速是在一定的范圍內(nèi)變化的,可以利用等工件間隔采樣通過互功率譜密度方法實現(xiàn)相位差的精確在線測試.27行研究,找出其各階固有頻率和主振型、主軸前端在切削部位的激振點動柔度,以激振力作用點的激振力為輸入,主軸前端切削部位所測得的位移響應(yīng)為輸出的交叉動柔度等.主軸部件的動力特性分析可采用有限元分析法,可將主軸部件簡化為一系列彈性梁,由于阻尼對9.,根據(jù)前兩階或三階固有頻率和振型分析:主軸部件哪階模態(tài)對前端切削點處的直接和交叉動柔度影響很大,哪階是優(yōu)勢模態(tài),這樣便可找出容易激發(fā)系統(tǒng)的自激振動.并能在主軸部件動態(tài)優(yōu)化

11、設(shè)計時加以改進8.利用此法分析機床的顫振,需要對機床的局部部件,尤其是主軸部件、機床-工件-刀具系統(tǒng)做模態(tài)分析,這需要專門的實驗設(shè)備(正弦掃描信號發(fā)生器、激振器、功率放大器)等,盡管可以知道機床的各階固有頻率,但測試周期長,而且由于是在靜態(tài)下測量,和實際切削加工還有一定的誤差.4機床切削穩(wěn)定性的判別方法機床切削的穩(wěn)定性,就是指機床抵抗顫振的能力.機床切削時,從穩(wěn)定切削到發(fā)生顫振存在著明顯的邊界,這個邊界極限就是穩(wěn)定性的極限.由于在一定的切削條件下,極限切削寬度blim的大小直觀反映機床切削穩(wěn)定性的好壞,因此,常用它作為評定機床切削穩(wěn)定性的指標,blim越大的機床,其切削穩(wěn)定性越好.再生顫振中,

12、blim=)max2kc-U(圖2極限切削深度裝置示意圖此外,還有一種較簡便的極限切削深度的確定方法:將試件切出若干段圓錐表面,如圖2(a)所示.試驗時將圓錐表面切削成圓柱面.這樣在開始切削時保證了切削寬度足夠小,不會引起切削顫振,振動響應(yīng)的幅值很小,切削過程穩(wěn)定.隨著切削的深入,切削寬度加大,振動幅值也迅速增大,產(chǎn)生顫振3.此時的切削深度即為極限切削深度:plim=L+p0式中p0為初始切深,mm;L為從開始切削到顫振刀具起振在軸線方向上移動的位移,mm;為被切工件表面斜角.起振點的判斷采用如下方法:,其中)為機床結(jié)構(gòu)的動力特性的實部,kc為切削U(剛度,表示單位切削寬度下,單位切削厚度產(chǎn)生

13、的切削力.)只有在進行整機分析才能獲然而,U(得,通過大量的整機分析和切削試驗發(fā)現(xiàn):切削自振頻率往往接近于主軸部件橫向振動的低階固有頻率,這說明此時主軸部件是主振部件,它的低階橫向振動模態(tài)是決定機床抵抗切削自振能力的主要模態(tài)8.因此,有必要對主軸部件進© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 28北方工業(yè)大學學報第18卷(1)連續(xù)拾取機床切削系統(tǒng)振動響應(yīng)信號,因而得到了廣泛的研究.試驗證明:通過計算機仿真可以很好地對不同的加工條件下的切削狀態(tài)做出模擬,很好地

14、預(yù)測機床加工狀態(tài),從而可以選取合適的加工參數(shù)優(yōu)化加工過程,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本.這種模擬仿真技術(shù)是基于數(shù)字計算機,切削機理,.,而且6.因此,有助于更全面理解機床系統(tǒng),同時可以輔助機床操作者選擇優(yōu)化的切削參數(shù).目前,國內(nèi)外很多學者對銑削加工過程做了較深入的研究,并且建立了符合實際生產(chǎn)需求的仿真系統(tǒng).對于本文所探討的車削仿真技術(shù),在現(xiàn)有的銑削加工仿真研究基礎(chǔ)上,主要要解決好以下幾個問題.(1)對車削加工過程中的切削力建模.以測試切削力比和切削厚度比為基礎(chǔ),在穩(wěn)態(tài)自由切削過程的量綱分析基礎(chǔ)上,考慮刀具的前角對切削過程的幾何形狀的影響,切削厚度和切削速度對切削過程的應(yīng)變速率和熱效應(yīng)的影響.通過

15、有限的幾次穩(wěn)態(tài)切削試驗,測量出切削厚度比和切削力比,根據(jù)Merchant模型計算出剪切角和摩擦角,并計算出由切削厚度比、切削力比和剪切角表達的動態(tài)切削力的公式.此方法建立的數(shù)學模型認為,剪切角在動態(tài)切削時是變化的,較切合實際,因此,可獲得較好的試驗結(jié)果.(2)根據(jù)實際需要選擇合適的切削力模型,求出模型系數(shù),用統(tǒng)計回歸方法分析.(3)切削過程顫振穩(wěn)定域研究與仿真實現(xiàn).并對其進行歸一化處理;(2)分段求取歸一化后振動響應(yīng)信號落在-0.8412,0.8412區(qū)間內(nèi)頻率(概率)P值;(3)P>0.5時,切削過程起振,此時的切削深度即為極限切削深度1,3.用此法可方便的測出穩(wěn)定切削點的極限切削深度

16、.圖3中穩(wěn)定性極限耳垂線之上為不穩(wěn)定區(qū),耳垂線之下為穩(wěn)定區(qū),(b)min.中,因此往往很難判定顫振發(fā)生的特征閾值,因此很難避免誤判和漏判.而平穩(wěn)切削和顫振時切削系統(tǒng)振動在頻域內(nèi)能量分步有著顯著的差別,在顫振增幅剛剛開始增大階段,切削振動能量就已集中在一個十分窄的頻段內(nèi),而且頻率中心往往與切削系統(tǒng)的低階固有頻率接近,因此在頻域內(nèi)提取的特征量比在時域內(nèi)提取的特征量具有更大的準確性和可預(yù)測性5.圖3切削過程穩(wěn)定性圖5加工過程不穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀及以實驗?zāi)B(tài)為基礎(chǔ)求出刀具-工件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)(固有頻率、等效剛度、等效阻尼、固有振型、模態(tài)矩陣等),計算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和動態(tài)切削力,在主模態(tài)附近選擇顫振頻率并求

17、解特征方程,計算臨界切削寬度,對于每個穩(wěn)定葉瓣計算主軸轉(zhuǎn)速,掃描所有模態(tài)附近的顫振頻率,并重復(fù)以上工作.在此基礎(chǔ)上分析影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要參數(shù)(如主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、阻尼、剛度)對穩(wěn)定性的影響,從而進一步精確顫振穩(wěn)定域仿真模型.趨勢目前,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,利用各種仿真技術(shù)模擬機床的加工過程,從而預(yù)報機床的不穩(wěn)定性已經(jīng)成為一種趨勢,而且這種模擬可以把機床加工過程中的非線性因素考慮進去,© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期韓志華羅學科張超英:數(shù)控

18、機床切削加工過程顫振抑制技術(shù)的研究在國內(nèi),目前已開發(fā)出面向銑削加工過程動力學仿真優(yōu)化系統(tǒng).基于此,考慮車削加工過程的特殊性,在綜合考慮生產(chǎn)效率、加工成本、最大利潤的前提下,同時考慮相關(guān)約束條件建立合理目標函數(shù)來優(yōu)化模型.基于計算機仿真的數(shù)控車削加工過程顫振的研究,可以為生產(chǎn)加工節(jié)省不必要的浪費,同時為加工過程提供合理的參數(shù).隨著計算機仿真、信號處理、自動控制、等一系列理論、,29工況的顫振控制要求,需研究多自由度系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速尋優(yōu)控制策略.另外還要研究時變系統(tǒng)條件下的自適應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速尋優(yōu)控制方法,使在線尋優(yōu)控制機床主軸轉(zhuǎn)速發(fā)展成為一門實用的顫振控制技術(shù).基于計算機技術(shù)的發(fā)展(如TL.通過

19、對機床動態(tài)過程,可以對機床的運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行實時監(jiān)測.利用各種建模軟件(如ANSYS)對機床系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分析,找出整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié).結(jié)合振動模態(tài)分析理論,通過對機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化和選擇合適的參數(shù),在最大切削效率同時保證切削精度的前提下加工工件.6結(jié)論現(xiàn)有的主軸轉(zhuǎn)速在線尋優(yōu)控制研究都是以單自由度線性系統(tǒng)為研究對象,為了適應(yīng)復(fù)雜參考文獻1李寶靈,高尚晗,高中庸,韋高.金屬切削過程中自激OnMachiningInstabilityAndTheAssociatedMoni2toryControlAlgorithms.ProceedingsofFifthInter2nationalConferenceonFro

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