机械振动作业

数控铣床切削颤振研究综述李振(1.上海大学机电工程与自动化学院上海200072)摘要：颤振是金属切削加工过程中刀具与工件之间产生的一种强烈的相对振动，属于自激振动，是机床切削振动的主要形式。颤振不仅会降低工件的加工质量与切削效率，而且还会降低刀具和机床的使用寿命；颤振产生的切削噪声不仅污染周围环境，甚至导致人身伤亡与机床加工的重大事故，因此对于颤振的研究具有较高的实际意义。通过观察工件切削表面及在机床床身主轴箱处测得的振动信号，分析了铣削过程中的强迫振动和颤振现象。通过试验最终得到如下结论：可以通过降低主轴转速、进给速度和切削深度或切削宽度的方法来减小强追振动；通过提高主轴转速、进给速度，降低切削深度或切削宽度的方法来减小切削颤振。关键词：颤振实验分析铣削中图分类号：TG659TheReviewaboutResearchofCuttingChatterforCNCMillingMachineLIZhen(1.CollegeofMechatronicEngineeringandautomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072)Abstract：Machiningchatterisanintensiveandrelativevibrationbetweenthecuttingtoolandtheworkpieceincuttingprocesses,whichbelongstoself-excitedvibration.Machiningchatteristhemajorformationofthemachiningvibration.Itisasignificantworktoanalyzeandcontrolchatterbecauseitsoccurrenceinevitablybringsaboutthepollutionofenvironmentnoises,decreasethesurfacequality,thecuttingefficiencyandthetoollife，evenresultsinthecasualties.Theinfluencefactorsoftheforcedvibrationandchatterarestudiedinmillingbyobservingandanalyzingthemachinedsurfaceandthespindlevibration.Theamplitudeoftheforcedvibrationwillincreasewhentherotatespeedofthespindleofthemachinetool,thefeedspeedandcuttingdepthorcuttingwidthincreasing.Atthesametime,chattercanbeweakenedwhenincreasingtherotatespeedofthespindleofthemachinetoolandthefeedspeed,decreasingthecuttingdepthorcuttingwidth.Theresultsoftheexperimentanalysiscangivethemethodsofmillingvibrationcontrol.Keywords：ChatterExperimentalanalysisMilling0前言产品生产过程中，由于刀具和工件的相互作用不可避免地会有振动产生，振动会对产品的表面质量产生不利影响。当振动超过一定限度，尤其是产生颤振时，会严重影响产品质量。如果振动过于激烈，将对产品表面质量、生产效率、刀具和机床的使用寿命、周围环境的噪声污染都会产生负面影响，严重时会导致机床加工与人身伤亡的重大事故。机床切削振动检测与控制技术是最近几十年来发展起来的，其目的就是代替人进行加工过程的振动状态的检测。在发现振动预兆后对机床的状态进行调节，采取措施抑制振动的进一步发展。改变参数切削对数控机床进行切削振动控制是一条有效的途径。通过改变机床的主轴转速、进给速度、切削深度或切削宽度，能够有效改变机床的运动状态和切削力[1]。1课题背景与发展现状1.1课题背景及实际意义一般来说，机床加工时所产生的振动一般分为受迫振动和自激振动（颤振）两类。其中强迫振动是受到一个周期变化的外力作用而产生的振动，当外力移除时，振动也将消失。但是自激振动是振动系统本身在振动过程中激发产生的交变力所引起的不衰减的振动。即使不受到任何外界周期性干扰力的作用，振动也会发生。因此自激振动（尤其是再生型颤振）的干扰对机床的影响更大。本文主要对机械加工中的颤振进行分析介绍。切削颤振是金属切削过程中刀具与工件之间产生的一种十分强烈的相对振动，其产生的原因和发生、发展的规律与切削加工过程本身及金属切削机床动态特性都有着内在的本质联系，影响因素很多，是一个非常复杂的机械振动现象。切削颤振是一种十分有害的现象，这是因为：1．刀具相对于工件加工表面的振动会使加工表面产生振痕这将严重影响机器零件的使用性能。2．刀具相对于工件振动时，切削截面、切削角度、切削力等均将随之发生周期性的变化，工艺系统的各个组成环节将承受动态载荷的作用，刀具易于磨损，严重时将产生崩刃，机床连接特性会受到破坏，严重时甚至使切削加工无法继续进行。3．切削过程中发生的高频振动，有时还会伴随产生一种刺耳的尖叫声，造成噪声污染，危害操作者的身心健康。4．为了避免发生振动或减小振动，有时不得不降低切削用量，导致机床刀具的工作性能得不到充分发挥，限制了机械加工效率的提高。因此，自本世纪纪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[2]，发展出机床动力学、切削动力学的学科分支。进入80年代以来，一方面，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单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、智能制造系统(IMS)和计算机集成制造系统(CIMS)要求发展颤振的在线监视和控制技术。另一方面，随着计算机技术、控制论、系统论、信息论的深入应用，各学科、各部门之间的日益相互渗透与交叉，为切削颤振研究提供了更为广阔的理论基础与技术手段，使得切削颤振的研究无论在理论研究还是在使用技术开发两方面，都较过去有了深刻的变化与长足的发展。1.2国内外发展现状切削颤振的研究内容主要分为三个方面：一是颤振机理与模型的研究[3]，主要包括颤振产生的物理原因、线性或非线性数学模型、稳定性条件等；二是颤振预防与控制的研究[4]，主要包括机床结构的设计与改进、吸振器或附加减震装置的研制、切削参数（如主轴转速、进给量、刀具几何角度等）的调整策略等；三是颤振的在线监视与控制[5]，主要包括颤振预兆的特征与判别、在线控制策略等。早在1907年Taylor就对机床颤振理论做过阐述[6]，认为机床产生颤振的主要原因就是在切削过程中，形成不连续切削的周期与工件、刀架或者机床传动机构中的任一部分的振动的固有周期相同；1946年Arnold提出切削力随切削速度增加而减少的切削力下降特性是颤振的主要因素。随后，1953年Hahn提出的切削厚度变化的再生效应、1956年土井和加藤提出的切削力时滞理论、以及后来Shaw等人提出的剪切角变化理论等都被列为是引发颤振的主要因素[7]。随着科学研究的不断进步，颤振机理的研究也逐步走向模型化，可以对多种因素同时进行分析。而对切削颤振控制技术的研究在近三十年里得到了迅速发展。从最初的被动控制到目前方兴未艾的智能控制、半主动控制。总的来说，可分为两大类：振动控制方法和调整切削参数的控制方法。振动控制方法中，又根据控制执行装置性质的不同分为主动控制方法和被动控制方法[8]，但本质都是在机床中安装吸振或消振装置。目前，调整切削参数法由于其简单有效，逐步成为更加主要的控制法。调整切削参数的控制方法主要是在线调整切削参数，如主轴转速、进给量、切削深度、刀具角度等，实质上是改变切削刚度与切削阻尼，以抑制颤振。在线调整切削参数的控制方法实际上是与颤振的在线监视与控制相联系的。颤振的在线监视与控制，即对切削加工过程的振动状态进行直接或间接地在线监测，通过对所提取特征量的分析，实现对切削颤振的早期预报，在发现颤振预兆后，采取措施控制(或抑制)颤振进一步发展，以保证切削过程稳定性。在线监控技术所监测的往往是机床实际工作状态，避开了切削过程稳定性的理论分析结果与实际工作状态之间可能的不符合[9]。2切削颤振机理与理论研究2.1再生型颤振形成机理再生型颤振是切削颤振的主要形式。再生效应是造成再生型颤振的原因，再生效应指：在金属切削过程中，假如前一次加工的表面残留有振纹，则下一次切削表面时切削厚度自然会受到影响，从而导致切削力的波动，这种波动将迫使刀具与工件之间发生相对振动，并再次留下振纹。如此循环，将会在整加工过程中形成颤振（如图1所示）。图1再生颤振产生过程示意图再生颤振是一种典型的由于振动位移延时反馈所导致的动态失稳现象，也是金属切削机床发生自激振动的主要机制[10]。2.2再生颤振系统图2机床切削系统机床切削系统是由承受切削力的变动而产生振动位移的机床结构和由于刀具与工件之间的振动位移而产生交变切削力的切削过程组成的（如图2所示）。在切削过程中F(t)作用在机床结构上产生振动位移X(t)；另一方面X(t)又引起瞬间切削厚度变化，而这一变化又会反过来引起切削力F(t)的变化。因此，切削过程是一个反馈过程，它按照振动位移来控制激振力，从而实现位移反馈。另外，瞬间切削厚度不仅与刀刃在当时振动位移有关，还与工件在上一圈的振动有关，由此可见，振动位移存在延时反馈。在平稳切削条件下，工件表面的金属被一层层均匀切下，此时切削力Fα为恒定值，此力作用在机床结构上，引起恒定的变形Xα；恒定的Xα又保证了切削厚度不变。从理论上讲，如果没有外界干扰存在时，平稳的切削过程能够一直保持下去。但是在实际加工过程中存在多种多样的扰动，受到扰动后，切削力获得了动态增量△F(t)，作用在机床机构上引起振动X(t)，X(t)又改变了二次切削的厚度，从而引起了切削力的二次变化，这样以来，切削力与振动位移不断影响，不断增加，切削过程将越来越远离平衡状态，最终产生强烈的颤振。2.3系统微分方程模型在切削加工状态下，由于再生效应，考虑正交切削情况，道具与工件之间的振动为x(t)，刀具所受动态切削力为f(t)，如图3所示，其运动微分方程为：)()()()(tftkxtxctxm(1)图3颤振的力学模型如果动态切削厚度的变化比较小，则动态切削力f(t)可以表示为：)]()([)(Ttxtxbktfd(2)式中b------切削宽度(mm)kd------动态切削力系数(N/mm2)T------相邻两次切削振动的滞后时间(s)我们仍考虑x(t)为等幅的谐波的情况，即稳定与不稳定之间的临界状态。tatxcos)(0(3)于是，有)cos()(0taTtx(4)式中θ------相邻两圈刀刃波纹之间的相位差(rad)，θ=Tω=ω/NN------工件的自转(r/s)将(3)(4)代入(2)式，可将(2)式整理为)](sin)()cos1[()(txtxbktfd(5)此式明确表示激振力收到振动位移与振动速度的控制，表明了位移的相对于速度和位移的延时反馈。将(5)式代入(1)式得0)()]cos1([)sin(1)(txbkkbkhtxmdd(6)(6)式为一个单自由度振动的运动方程，其刚度系数和阻尼系数由两部分组成，一部分为机床结构的刚度与阻尼，另一部分是位移延时反馈，即再生效应造成的切削过程的等效刚度和等效阻尼。2.4铣削过程理论模型由于铣刀悬伸，铣削系统一般刚性较弱，其动力学模型如图所示，可以用主轴——铣刀系统X和Y方向的两自由度微分方程描述。图4所示为端铣动态铣削过程动力学模型。系统在X和Y方向的振动规律可以分别写出如下微分