基于磁流变技术的切削颤振控制研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 3.28MB 69 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪 论
§1.1 课题的提出
众所周知，中国已然成为一个经济大国，要想让经济更好更快的发展，就得
大力提高科技水平，科技水平的发展状况是衡量国家综合实力的一个重要指标。
做为当今世界上最大的制造业大国，我国的科技水平与世界发达国家相比，还相
差一段距离。切削加工是制造行业中最重要、最直接、也最有效的加工方法之一，
而切削振动是提高切削加工效率和产品质量的一个重要瓶颈。因此，要想大力发
展中国经济，努力赶超发达国家，就必须在提高加工水平控制切削振动上狠下功
夫。
任何的机械振动按其成因来分都可以分为以下三种：自由振动，受迫振动和
自激振动。机床切削颤振属于自激振动，它是指切削加工时在没有周期性外力的
作用下，工件和刀具之间发生的强烈相对振动，其振动的频率接近于系统的固有
频率。机床切削颤振给加工带来的主要危害有以下几点：1）恶化切削过程，影响
切削效率，限制生产率的提高；2）降低机床的使用性能和寿命；3）加剧刀具磨
损；4）降低和破坏工件表面的加工质量；5）产生噪声，影响工作人员的身心健
康发展等。因此，不少科研人员致力于机床切削颤振防治工作的研究。
目前控制机床切削颤振的方法按控制理论划分，主要有被动控制、主动控制
和半主动控制等三种。其中被动控制方法简单，但只适合特定的机床与加工状况。
Eugene 等采用被动控制方法，对控制器进行改进，设计出可调式动力阻尼吸振器
在主振系统动态特性发生改变时通过离线调阻尼器弹性元件、阻尼元件可以保证
吸振器处于最佳工作状态[1]。由于被动控制属于离线控制，一旦颤振条件发生变化，
该方法将不再合适。主动控制属于在线控制，弥补了被动控制的一些不足。王先
上提出了一种外圆车削振动的主动控制原理和方法，通过检测车削时径向切削力
的动态分量，来产生与动态切削力大小相同而相位相反的动态控制力，补偿切削
力的波动对切削过程的影响，从而达到抑制颤振的目的[2]。这种主动控制方法的效
果明显，但可靠性较差，如果处理检出信号和产生控制信号的部件调节不适当，
反而有造成系统不稳定的危险。半主动控制是一种简单易行并且低能耗的控制方
法，它克服了被动控制无法在线实时调控和主动控制需进行繁杂的控制系统设计
等缺点。近年来，智能材料的出现为半主动控制增添了新的生机。智能材料主要
有压电陶瓷、记忆钛、电磁流变材料等。其中电、磁流变材料由于其良好的机-电-
液耦合特性已成为智能材料中的新宠。电磁流变材料就是在外界电场或磁场等的
作用下，自身的刚度、阻尼和屈服应力等特性会发生改变的材料，并且这种改变
是迅速、连续而可逆的，正是由于电磁流变材料具有的非凡特性，使得其在不少
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领域例如飞机减振、桥梁振动控制、人造可控机器人、汽车座椅减振系统等方面
都已有广泛的涉足[3]。在机床减振方面北京工业大学的王民将 ER（即电流变）材
料引入镗削减振系统中，开发出一种具有在线可调动态特性的智能镗杆，通过连
续小范围地改变镗削系统固有频率，起到了较好的减振作用[4]。与 ERF（即电流变
液）相比，MRF（即磁流变液）具有更高的屈服应力和更好的稳定性，因而浙江
大学的孔天荣等又设计了基于磁流变减振装置的智能镗杆，通过理论分析研究了
其抑振机理，并在 CA6140 车床上采用不同的电流波形进行了镗削控制试验果[5,6]。
综上所述，本文提出利用 MR（即磁流变）效应控制外圆车削加工振动的思路
将磁流变减振装置安装于车床刀架上，通过连续在线调整作用于磁流变材料的磁
场强度，进而连续在线改变切削系统阻尼和刚度，以达到抑制颤振的目的。本文
将对不同波形、峰值及频率电流作用下的切削系统振动响应进行理论分析及试验
研究，探索控制颤振的最佳磁场变化参数，为减少机床切削颤振、提高切削加工
精度开辟新的途径。
本课题受到上海市教委科技创新项目——“磁流变材料在切削颤振控制中应
用的研究”（NO.09YZ224）的资助。
§1.2 机床切削颤振的研究现状
机床切削颤振的种类很多，其产生的机理也非常复杂，由于机床种类复杂多
变，结构上也存在很大差异，诱发切削颤振的原因也是复杂多样的。因此，目前
有关切削颤振机理的研究，出现了多种理论和学派。早在 1907 年Taylor 就对机床
颤振理论做出过阐述，认为机床产生颤振的主要原因之一就是在切削过程中，形
成不连续切屑的周期与工件、刀架或者机床传动机构中的任一部分振动的固有周
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
振产生的主要因素。随后，在 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
等等都被列为是引发颤振的主要因素[7]。对于切削颤振的研究都是以消除和抑制颤
振为目的的。切削颤振的控制技术在近三十年里得到了迅速的发展，从最初的被
动控制到目前正方兴未艾的智能控制、半主动控制，国内外学者在此领域进行了
大量的研究，取得了丰硕的成果。
目前对于机床切削颤振的研究主要集中在颤振机理及颤振控制方法等方面。
§1.2.1 机床切削颤振机理的研究现状
对于机床颤振机理的研究，主要包括以下几个方面：颤振产生的物理原因、
切削过程的稳定性条件、影响颤振的因素等。颤振形成的物理原因可分为：再生
型效应、摩擦效应、振型关联效应、刀具工作角度的动态变化效应、切削速度变
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化效应、进给速度变化效应及混沌效应等。需要指出的是，现实的切削过程受到
许多因素的影响，其颤振往往是上面多个效应同时作用的结果。近年来随着科技
的发展，不少人对切削颤振的复杂情况进行研究，提出了一些新理论与分析方法。
1）再生型颤振
在进行金属切削的过程中，大部分情况下，刀具总是完全地或部分地重复切
削到前一次或者前一个刀齿切削过的表面。假如在前一次已加工的表面残留有振
纹，则下一次切削到这些振纹时，切削厚度自然会受到影响。而切削厚度的变化
又会导致切削力的改变，从而迫使刀具与工件之间发生相对的振动，并再次留下
振纹。如此重复循环，就可能使工件的表面在整个加工过程中产生振纹，形成颤
振。这种切削厚度的变化效应简称为再生效应，由再生效应引起的切削振动称为
再生颤振。目前国内外人员对切削颤振机理的研究表明：再生型颤振是切削颤振
的主要形式。
对再生型颤振机理研究较多的是其稳定性极限的分析，即通过绘制稳定性图，
分析确定不同转速下发生颤振的极限切削宽度。浙江大学何庆稀利用实验测出了
TK40A 数控车床振动系统和切削过程的动力学参数，对再生型切削颤振系统的主
轴转速与极限切削宽度之间的关系进行了计算机仿真，绘出了稳定性图，为现场
操作人员选择最优转速以避开颤振提供了依据[8]。吉林大学孔繁森、于骏一在切削
颤振研究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,给出了模糊稳定性极限切削宽度集合的可能性分
布及其置信区间，并用计算机编程绘制了模糊稳定性图[9]。
引发再生型颤振的因素从最先研究的线性影响因素发展到现在的非线性影响
因素，国内外学者在此方面已进行了大量深入的研究。C.J.Hook 等在 1963 年发现
有限振幅不稳定现象，并研究了机床结构的非线性因素和切削过程的非线性因素
对切削颤振的影响。J.Tlusty(1988)等研究了其线性模型并发展了其理论。1995 年
Marui E[10]用试验方法研究了刀具侧面与工件之间的干涉效应和再生效应。David E
等研究了再生颤振模型，认为再生颤振是一种具有非线性时滞特性的自激振动，
满足发生 Hopf 分叉的条件。并给出了系统稳定边界上特征值的准确描述方法、
Hopf
参数的变化过程及相应的 Floquet 指数[11]。
国内学者梅志坚、杨叔子等在研究再生型颤振时引入了两个非线性因素，即
当颤振振幅超过一定值时,刀具会部分离开工件加工表面引起的非线性和切削力
对切削厚度的非线性依赖关系，并据此建立了微分方程来描述机床切削颤振过程
[12]。高国利等以非线性再生型颤振理论为基础，推导出一种简化的再生型颤振数
学模型。该模型是与非线性模型等效但方差最小的单自由度系统自由振动微分方
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程，它能够很好地解释以往的线性模型无法解释的非线性现象，便于对切削过程
的稳定性及切削颤振的发展过程进行分析研究。对该模型进行计算机仿真，取得
了令人满意的结果[13]。但由于实际条件的复杂多变，该方法还有待试验的考证。
2）摩擦型颤振
摩擦型颤振的产生机理是 K.N.Arnold 于1946 年提出的，主要是指在切削速度
方向上工件与刀具之间由于相对运动产生的摩擦而引起的颤振，这种摩擦主要存
在于刀具的前、后刀面与工件之间。自 1970 年J.Tlusty 提出“速度分量原理”以
来，随后也有不少人研究过这种类型的颤振。李宝灵等研究了摩擦型颤振的机理，
认为切削力主要由两部分组成，即做为主要部分的稳态切削力和做为次要部分的
摩擦型动态切削力。切削力中的摩擦力部分随相对速度大小的变化而变化，属于
周期性激励，导致了工件与刀具系统的自激振动。通过某些特殊的边界润滑方法
可以改善刀具与工件摩擦副间的摩擦学性质，使摩擦力不随相对速度的变化而改
变。因此，即使工件表面曾留下很深的规则或不规则刀痕，再次进刀也不会在钢
筒类零件切削时形成再生型颤振。由此得出结论：摩擦自激振动是导致切削颤振
的主要原因[14]。虽然该文献中的理论有其合理性，但由于受单一实验条件的限制，
其结论还具有一定的局限性。此外，NETER STELTER 研究摩擦型颤振，建立了以
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削速度变化下的分叉行为，并且用试验验证了其正确
性,最后又讨论了摩擦力的识别和梁系统的时域特性[15]。
3）振型耦合型颤振
考虑到实际的切削振动系统都是多自由度系统，当刀具的振动轨迹在各主振
模态互相耦合互相关联的作用下，使系统在切入工件时消耗的能量小于切出工件
时贮存的能量，便会产生颤振，这种颤振称为振型耦合型颤振。
J.Tlusty 首次提出了振型耦合型颤振。吉林工业大学的于骏一基于两自由度振
动系统的动力学模型,分别研究了耦合型颤振、滞后型颤振及再生型颤振条件下工
艺系统刚度主轴方位对切削过程稳定性的影响规律。理论研究和实验考证均表明：
工艺系统刚度主轴方位对系统稳定性的影响与切削过程动态切削力的构成有关。
如果动态切削力的构成不同,工艺系统刚度主轴的最佳方位也不同[16]。Gasparetto
等对刀具的运动轨迹进行研究，建立了振型耦合颤振模型，得到了其切削稳定性
条件[17]。李成山等对振型耦合型颤振的机理进行了分析，推导出只有当机床结构
刚度较弱方向α位于 0～β区域内时，才能产生振型耦合型颤振。其中β为切削力
与振动方向 y的夹角。该结论表明：通过改变对振型耦合型颤振起重要作用的α角
和两个主振模态的刚度之差，即可以提高机床抵抗这种颤振的能力。上述结论的
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正确性在文中得到了实验验证[18]。
D）切削过程的混沌效应
随着对机床颤振机理研究的不断深入，不少人发现了金属切削过程中的混沌
现象，这给机床颤振机理研究领域增添了新的生机。混沌是一种确定性的非线性
随机过程，通过混沌现象的研究，能够深入探讨各种强非线性系统的特征，开创
了系统模型化的新途径。1995 年鲁宏伟等研究了机床颤振的混沌特性，用分维数
刻画混沌吸引子的“奇异”程度[19]。他们还对铣削加工系统做了研究，数值计算
证明：当切削宽度在适当的范围时,相应的切削力和位移信号呈现出混沌特性，并
用庞加莱映射和系统吸引子的分维数证明了该结论的正确性[20]。Janez Gradisek 等
在提出切削过程中存在混沌现象后，利用神经网络法对混沌切削过程进行了参数
优化[21]；2002 年Grzegorz Litak 等研究了再生型切削颤振的混沌效应[22]；2003 年
Stepan G 等研究了高速铣削中的混沌现象[23]。
此外，针对机床颤振的其他机理，如刀具工作角度动态变化效应、切削速度
效应等也有学者展开了大量有益的研究。杨辅伦等对刀具工作前角时变系统稳定
性进行了研究[24]。刘习军等针对速度型切削颤振，建立了刀架弹性子系统、工件
弹性子系统在非线性动态切削力耦合下的多自由度切削颤振理论模型,数值模拟显
示：此系统存在内共振现象，从而解释了速度型切削颤振发生的机理[25]。成志清
用数字仿真技术研究了速度型切削颤振系统的临界状态与颤振状态[26]。
§1.2.2 机床切削颤振控制的研究现状
切削颤振的控制按照不同的方法可以有多种分类。比如，按照控制方法是否
具有实时调控性分为离线控制与在线控制；按照控制理论的分类方法，可以分为
被动控制、主动控制和半主动控制等方法。近年来新出现的切削颤振的智能控制
方法也显示出了非凡的优越性，它是将仿人智能的数据信号处理技术与控制方法
结合起来而产生的。以下将按照控制理论的分类方法对切削颤振控制的研究现状
进行评述。
1）被动控制
所谓被动控制是通过附加的减振、隔振、吸振装置，对机床薄弱环节进行结
构改进，或通过调整机床的支撑间隙，采用合理的装夹方式适当增加辅助支撑来
抑制自激振动的。被动控制不需外界能源，只需一个附加的减振装置，且装置结
构简单，成本低廉，容易实现。调整间隙的控制方法简单易行，关键在于准确地
确定调整部位与合理的间隙量。吴雅对 MX-4 车床系统进行了深入研究，通过将
工件与中心架支承面之间的间隙调整至 0.12mm 左右，使系统的振动频率由 530Hz
转变为 740Hz，有效的抑制了 MX-4 车床的振动，从而降低了切削噪声并避免了第
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二汽车制造厂的断轴重大事故[27]。李立等研究了立轴平面磨床的动态特性，通过
调整 M7475B 型立轴平面磨床的主轴轴承间隙，将系统的振动由 169Hz 的第 4阶
模态振动改变为 43.4 Hz 的第 2阶模态振动，有效控制了磨削颤振[28]。上述被动控
制方法虽然对某些条件下的振动可进行有效的抑制，但它们都属于离线控制，当
切削状态发生变化时，被动控制无法实时调整系统参数，进行在线控制。
2）主动控制
主动控制是在振动控制过程中，根据所检测到的振动信号，应用一定的控制
策略，经过实时计算，进而驱动作动器对控制目标施加一定的影响，以达到抑制
或消除振动的目的[29]。
机床颤振的主动控制需要三大部件：即传感器、控制器和作动器。传感器用
于检测机床的振动信号；控制器接收来自传感器发出的信号，对其进行实时处理
分析，并输出控制信号实时控制作动器的作动方式。作动器是实施主动控制的关
键部件,是主动控制系统的重要环节，其作用是按照控制器发出的控制信号来对受
控对象施加确定的控制力，以减少机体的振动。Shiraishi 等用状态空间方法对切削
加工过程建立模型，通过调节刀具和工件之间的相对位置来对切削颤振进行闭环
控制[30]。采用闭环控制，其可靠性有一定的提高,但这必须建立在对切削过程进行
精确建模的基础上,而建立满足实际工况的精确的切削加工过程闭环控制模型是很
困难的，而且合理准确地调节刀具和工件之间的相对位置也并非易事。
C.Mei 等建
立了再生型颤振系统的动力学模型，并运用控制最优法对再生颤振实施主动控制，
综合时域和频域分析的稳定性图表明该控制方法效果较好[31]，但该方法仍需要对
系统进行精确的建模。
3）半主动控制
结合主动控制适应性强和被动控制可靠性高的特点，近年来控制领域又发展
一个新的分支——半主动控制。该方法所需的外部能量很小，可以对系统某些参
数进行在线调整，从而达到实时控制振动的目的。已有的研究表明，合理的半主
动控制系统能够实现主动控制系统的控制效果[32]。
现有的调整切削参数方法及利用智能材料减振装置的切削颤振控制方法均可
归入此类。这些方法虽然直接调整改变的是主轴转速、进给量、刀具角度等切削
参数及作用在智能材料减振装置上的外加电压及磁感应强度等电参数，但它们的
本质都是对切削系统的刚度和阻尼进行在线调整，以此来破坏颤振产生的条件，
从而消除或减弱颤振。这种控制方法使用起来简单易行，尤其在数控机床上非常
方便。
通过改变主轴转速来抑制颤振有两种不同的方式。其中一种方式是通过连续
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改变主轴转速来抑制切削颤振,简称为变速切削法。变速切削法的优点是它适用于
不同动态特性的切削系统,不存在最佳切削速度的选择问题,对它来说调整的参数
只是速度变化的形式和幅度。N.Sri 等为了研究变主轴转速对再生型颤振的抑制机
理，在 Hanna-Tobias 模型的基础上采用微扰法获取再生型颤振系统的有限维微分
方程。通过连续调节主轴转速获取最大切削宽度，可抑制颤振的发生。实验结果
显示该方法抑振效果很好[34]。于骏一,吴博达等对变速铣削机理进行了深入的研究，
认为变速铣削之所以具有减振作用的更为本质的原因是变速切削时机床加工系统
的振动响应属于变频激励条件下的瞬态响应，它具有向幅频响应曲线的衰减区转
移的特性，因此其振动幅值会显著减小。该研究还表明：只要变速幅度取得足够
大，使铣削在不稳定区和条件稳定区交替进行，才能取得较好的减振效果[35]。但
变速切削法在实际应用中还存在一定的问题。由于机械传动系统存在较大的转动
惯量和低的响应特性,大的转速变动率和大的转速变动幅值不易得到。此外,变速切
削不能适用于精加工,而且还会造成很大的瞬间电流通过驱动电动机[32]。另一种变
主轴转速切削方法是当发现颤振征兆时，直接调整主轴转速至最佳转速，使切削
过程处于稳定区内，从而达到抑制颤振的目的。Tarng Y.S 提出了利用颤振频率修
正主轴转速来抑制钻削颤振的方法，并通过 Nyquist 稳定标准分析了切削宽度、颤
振频率与切削速度的关系，给出了颤振频率与切削速度之间的定量表达式，试验
验证表明此方法效果较好[36]。
机床进给运动方向的动刚度比其他方向低得多，对机床工作性能的影响也比
较大。因此，对进给速度的调整也可以做为抑制机床颤振的一种手段。机床的动
刚度随进给速度的变化而变化，低进给速度时有较高的动刚度，进给速度增加动
刚度降低。基于以上理论通过适当降低进给速度应可以达到抑制机床切削颤振的
目的。庞川等研究了变进给对外圆磨削颤振的抑制作用，根据磨削由稳定阶段向
颤振阶段过渡时,振动信号在幅值域上概率密度曲线的变化趋势,建立了颤振预报
函数，同时对时变进给抑振机理进行了分析。结果表明：进给速度变化幅值越大，
频率越高，抑振效果越好，但过大的进给速度变化会在工件表面留下进给量变化
波纹，从而影响加工表面质量；而变化频率太高可能会使步进电机出现失步现象，
对抑振造成负面影响。因此，必须根据实际情况合理选择参数。由此，论文设计
了在线变进给抑制颤振的方法，最后通过实验验证了其方法的有效性[32]。徐燕申
等提出采用有限随机进给法来抑制磨削颤振，即在有限的范围内进行随机进给磨
削。实验结果表明，该方法确实可行，有进一步研究和实用化的前景[37]。
改变刀具的前、后角等参数可以导致切削系统的刚度和阻尼发生变化。由此，
F.Yang 等对该方法进行了研究，试验证明：在同等条件下，连续改变刀具前角，
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题的提出众所周知，中国已然成为一个经济大国，要想让经济更好更快的发展，就得大力提高科技水平，科技水平的发展状况是衡量国家综合实力的一个重要指标。做为当今世界上最大的制造业大国，我国的科技水平与世界发达国家相比，还相差一段距离。切削加工是制造行业中最重要、最直接、也最有效的加工方法之一，而切削振动是提高切削加工效率和产品质量的一个重要瓶颈。因此，要想大力发展中国经济，努力赶超发达国家，就必须在提高加工水平控制切削振动上狠下功夫。任何的机械振动按其成因来分都可以分为以下三种：自由振动，受迫振动和自激振动。机床切削颤振属于自激振动，它是指切削加工时在没有周期性外力的作...

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