減振鏜桿抑制振動的研究進展

李洪強,蘇國勝,夏巖,王寶林,沈學會

齊魯工業大學(山東省科學院)機械工程學院

1 引言

在金屬切削加工中,內孔加工占有很大比重。隨著科技的進步發展,內孔加工在軍工、航空航天、能源設備等領域都有廣泛應用。在深孔加工中,由于采用懸伸量較大的大長徑比鏜桿進行加工,導致切削過程中易發生振動。切削振動是影響加工產品質量和加工系統穩定性的主要原因,易導致工件表面產生明顯的振紋,同時還會降低機床、刀具的使用壽命,嚴重時還會產生崩刃、斷刃,降低加工效率,甚至危害操作人員的健康[1]。因此,需要對切削振動產生的機理進行分析,闡述振動抑制方法。本文主要以鏜削振動為例,對振動機理及抑制方法進行了介紹。振動抑制方法主要包括調整加工參數以及被動式減振、主動式減振和半主動式減振。鏜削振動抑制技術種類繁多且復雜,通過分析比較發現,大長徑比、懸臂式鏜桿依舊是最為普遍的加工方式,因此本文對其進行了分類歸納總結,通過分析不同減振鏜桿的減振機理、特點、結構及不足,為減振鏜桿的研究提供幫助。

2 鏜削振動種類及抑制

一般而言,切削加工過程中產生的振動分為三大類[2],分別是自由振動、強迫振動和自激振動。

自由振動是受到原始激勵而產生,如加工過程中刀具突然受到外力碰撞等。這種振動是一次性獲得能量,不能夠持久產生,會慢慢消失,因此,在實際加工過程中可以不考慮自由振動。

強迫振動是機床在加工時受到外部持續周期性力的影響而產生的,其振源分為由外部振動傳導到機床上的機外振源和機床自身在加工過程產生振動的機內振源[3]。

自激振動又稱顫振,是機床—刀具—工件構成的閉環切削系統的動態不穩定現象,其產生的根源在于切削力發生變化。自激振動[4]的產生需要強迫振動作為引導。強迫振動發生后,會產生一個動態的切削力,并反饋給機床切削系統維持機床切削系統的振動。自激振動是一種不衰減的振動[5,6],其振動過程本身會引起某種外力周期性變化,并能從不具有交變特性的能源中周期性地獲得能量,以維持振動的存在。

上世紀八十年代,我國學者梅志堅等[7,9]、師漢民[8]提出了切削顫振的非線性理論模型,通過建立切削顫振的非線性函數,揭示了影響切削顫振的幾個非線性因素。

現在公認的顫振類別主要有三類[10],分別是再生型顫振[11]、摩擦型顫振[12]和振型耦合顫振[13]。

在深孔加工中一般采用具有大長徑比的鏜刀進行加工,而加工系統的弱剛性往往容易引起加工振動,嚴重影響鏜削的加工質量與加工效率。目前抑制鏜削振動的主要方法有:①優化加工參數與刀具結構參數;②設計被動式減振鏜桿,一般通過改變桿體的材料或結構來實現;③設計主動式減振鏜桿,主要通過壓電、電磁等形式驅動桿體達到抑振的效果;④設計半主動式減振鏜桿,通過填充智能材料、設置剛度調節結構或超聲振動輔助加工實現。

按照上述減振控制方法,本文對減振鏜桿的開發設計進行了歸納。圖1為鏜削抑振技術近十年的發展歷程。隨著科學技術的發展,新結構、智能材料以及高強度高阻尼材料被用于提高鏜桿的剛度或阻尼,動力吸振器和超聲振動輔助加工技術在鏜削加工中得到應用,可以顯著提高鏜削加工系統的穩定性,降低加工振動,此外,基于壓電驅動或電磁驅動的主動減振方式能夠精準地對振動進行抑制。

圖1 減振技術發展

2.1 選用合理的切削參數進行減振

在振動抑制研究初期,學者們一般從加工參數出發,探尋加工參數和振動之間的關系,尋找使振動最小的加工參數。

王晨羽等[14]針對鈦合金進行了干式車削實驗,通過單因素實驗法研究了切削用量中的切削速度、進給量和切削深度對切削振動的影響,研究結果表明,通過選擇合適的切削用量可以達到抑制振動的效果。由于鏜削與車削加工過程相似,因此鏜削也可以通過控制參數抑制振動。張海生等[15]也指出,鏜削加工時應盡可能提高切削速度,減小進給量,降低背吃刀量,以達到降低刀尖徑向振動幅值的目的。

合理選擇刀具角度同樣可以抑制振動[16]。當進行高速車削時,選擇負前角的刀具振動最小;中速切削時增大刀具前角,切削力減少,振動減少。在切削深度和進給量不變時,隨著主偏角增大,切削力減小,所以適當增大主偏角可有效消除振動。

2.2 基于被動減振方式的減振鏜桿

被動減振策略主要通過增加系統的阻尼、剛度或者利用被動吸振器來抑制振動。由于被動式減振的結構簡單,使用和維護方便,因而被廣泛應用于實際加工中。

2.2.1 基于結構改善的減振鏜桿

在被動減振鏜桿研究初期,受限于材料問題,學者們只能針對鏜桿結構進行改善,通過設計桿體結構,提高鏜桿的靜剛度、固有頻率和阻尼,從而獲得更好的減振性能。

Zhang C.等[17]基于改進分解法(AMDM)建立了錐形復合材料鏜桿的模型(見圖2),并利用有限元軟件驗證了改進分解法的有效性,通過選擇合適的錐度比、鋪層角度、疊層順序、L/D比和碳復合材料,可以提高錐形模型的固有頻率和顫振穩定性。

圖2 錐形復合鏜桿模型[17]

Hayati S.等[18]提出一種鏜桿桿體內部帶有可調螺栓的中空結構(見圖3),通過調整螺栓可以改變鏜桿的質量和剛度,從而改變鏜桿的固有頻率,結果表明系統穩定區增加了20%。

圖3 可變剛度減振鏜桿[18]

袁黎[19]采用減小鏜刀桿頭部質量可以減少振動時間的原理,在鏜刀桿的頭部開設容屑槽、側斜面以及凹槽等結構(見圖4),并對桿體結構尺寸進行優化。與普通鏜桿相比,優化后的鏜桿結構具有較好的減振效果。

圖4 鏜桿結構優化[19]

改進鏜桿結構的主要實現形式包括改變刀頭的質量及形狀、優化桿體結構、改變桿體內部或外部結構等。雖然這類鏜桿結構簡單,使用方便,但是所需理論設計較為復雜,可能會出現誤差,無法達到最優的減振效果。

2.2.2 基于高剛度材料的減振鏜桿

大長徑比鏜刀桿的剛性往往較弱,在加工過程中極易產生顫振。為了克服該問題,學者們通常會使用高剛度材料制作鏜桿,從而提高刀桿的剛度和減振性[20]。

Ghorbani S.等[21]設計了具有不同截面的阻尼復合鏜桿來抑制振動(見圖5a),并制作了長度為160mm的十種不同截面的縱向槽刀桿(見圖5b),與普通鏜桿對比,這些縱向槽使用環氧花崗巖填充。經切削實驗發現,由復合材料加固的刀柄橫截面在很大程度上改變了刀具的靜態和動態剛度。

(a)改進鏜桿截面形狀

郭海偉等[22]制備了一種由碳纖維為增強體、樹脂為基體的復合材料鏜桿。對比普通結構的金屬鏜桿,復合結構鏜桿具有更高的剛度與更加優良的動態性能。王軍等[23]設計了一種由碳纖維復合材料與金屬材料組成的層狀復合結構減振鏜刀桿(見圖6)。與普通硬質合金鏜桿對比,復合結構鏜刀桿具有更加優良的動態性能,適用于高速鏜削加工。

1.硬質合金套 2.橡膠黏劑 3.復合材料 4.鋼管 5.減振芯

高剛度材料減振鏜桿一般通過鑲嵌、嵌入硬質合金和復合材料來提高整體剛度,進而實現減振。這類設計結構簡單,制作方便,但是其減振效果難以調節。

2.2.3 基于阻尼材料的減振鏜桿

隨著新型材料的研究不斷深入,在鏜刀桿上添加高阻尼材料可以縮短鏜桿的振動時間,進而有效抑制刀桿振動。

為了減小加工過程中產生的振動,Krishna V.V.等[24]設計了夾在主鏜桿和鋁管之間的黏彈性層,即約束黏彈性層阻尼器(CVLD),采用低密度鋁管和天然橡膠作為黏彈性層材料,用以提高鏜桿的固有頻率和阻尼性能(見圖7a)。實驗結果表明,采用CVLD鏜桿可使加工穩定性提高15%。

(a)約束黏彈性阻尼鏜桿

宋清華等[25,26]設計了一種約束阻尼型鏜桿,如圖8所示,該鏜桿的阻尼層材料為阻尼性能良好的泡沫鋁合金,約束層為剛性較好的YG20C硬質合金,這種結構可以有效提高桿體的固有頻率、靜剛度及阻尼比。與普通鏜桿相比,該鏜桿在相同激勵下振幅減小34%,表面粗糙度值降低50%以上。

圖8 約束阻尼型鏜刀桿[25]

Hayati S.等[27]提出一種新型鏜桿阻尼結構,如圖9所示,該結構由一些縱向壓裝在鏜桿內的銷組成,將直徑為5mm的銷釘壓入四個直徑為4.99mm的孔中,四個孔圍繞刀具的中心軸分布,其圓周半徑為6mm。與常規鏜桿對比,這種鏜桿具有一定的減振效果且不會對刀桿的剛度和結構造成影響。

圖9 阻尼鏜桿與普通鏜桿結構對比[27]

Chockalingam S.等[28]研究了高碳鋼鏜桿上化學鍍鎳磷(Ni-P)涂層在不同pH值下的減振性能。研究了pH值對材料沉積的阻尼效應。通過對涂層基體進行熱處理,利用沖擊錘試驗分析了pH值和熱處理工藝對涂層試樣結構穩定性的影響,發現在pH=4時涂覆的鏜桿可在基底上更好地沉積鎳和磷,并為基底提供更好的阻尼性能。

Shao Q.等[29]提出了一種擠壓油膜阻尼器系統,結構如圖10所示。當鏜桿發生徑向振動時,兩個表面的間隙相互靠近并擠壓間隙中的液體形成擠壓液膜,進而產生可以使阻尼器間隙距離變化的阻尼力。該結構在靜態試驗、動態試驗和現場應用中,其振幅可降低30%以上。

圖10 擠壓油膜阻尼器系統結構[29]

在鏜刀桿內部、外部添加阻尼材料可以在一定程度上實現振動抑制,其減振效果取決于阻尼材料的性能、阻尼鋪墊結構和阻尼材料的厚度,且阻尼刀桿的桿體制作過程較為復雜,在一定程度上限制了阻尼刀桿的推廣。

2.2.4 基于沖擊耗能機理的減振鏜桿

沖擊耗能減振也是鏜刀桿減振的一種常見方式,利用物體間的相互碰撞來消耗振動的能量從而達到減振的目的。沖擊耗能減振鏜桿的填充物多為金屬材質的減振塊或顆粒,設計開發時重點在于安裝方式、間隙選擇、沖擊顆粒材質、大小、填充比等參數,由于理論建模分析較復雜,多采用實驗研究的方式進行分析。此外,通過研制高吸振性能的材料作為填充物可進一步提升鏜桿的減振性能[30]。

Singh G.等[31]嘗試了一種基于顆粒阻尼技術的新型顫振抑制方法以減少鏜刀的顫振,放置在關鍵位置的空腔中的鋼丸會吸收振動能量,使機床顫振減小,進而降低表面粗糙度。

張恒明等[32,33]設計了一種內置多段分層式顆粒阻尼器結構(見圖11)。通過錘擊試驗對比分層式和整體式顆粒阻尼鏜刀結構的阻尼效應,通過測量加工工件表面粗糙度發現,隨著顆粒阻尼器層數的增大,鏜刀的減振性先增強后減弱;三層式顆粒阻尼鏜刀的抑振性最佳,其阻尼比達到了5.28%,較整體式提高了20.83%,且加工工件表面粗糙度比整體式減小22.97%。

圖11 顆粒阻尼鏜刀結構[32]

朱垂岱等[34]對各種填充條件下的顆粒阻尼鏜刀進行了阻尼比測試與鏜削實驗,比較顆粒密度、粒徑、填充率對減振效果的影響發現,70%填充率和0.2mm左右的粒徑有較好的減振效果。

閆俊霞等[35]通過調整螺釘改變永磁片的距離來調節摩擦振子與主結構的正壓力,達到改變鏜桿動態特性與摩擦損耗能量的目的(見圖12)。通過對比實驗發現,正壓力使滑動摩擦消耗能量達到最大值又不處于粘接狀態,此時系統抑振效果最佳。

圖12 鏜桿結構[35]

2.2.5 帶有動力吸振器減振鏜桿

動力吸振器的理論較為成熟,許多學者將其運用到減振鏜桿中。動力吸振器原理是在振動體上添加質量—彈簧系統,當振動體振動時,通過質量—彈簧系統的振動吸收振動體的能量,從而減弱振動體的振動。

Prasannavenkadesan V.等[36]采用彈殼黃銅作為減振器,與普通鏜桿相比,配備黃銅作為減振器的鏜桿在位移、刀具磨損和溫度方面具有更好的效果。Rubio L.等[37]在建模時將鏜桿視為Euler-Bernoulli懸臂梁,減振器可簡化為彈簧和阻尼器連接在梁的特定截面上(見圖13),通過研究被動吸減振器鏜桿的顫振穩定性,使用適用于無約束優化問題的經典Nelder-Mead方法,獲得了具有最佳參數的吸振器減振鏜桿。

圖13 被動吸振器減振鏜桿[37]

馬曉軍等[38]設計了一款參數可調的伸縮式動力減振鏜桿,結構如圖14所示。該鏜桿由內鏜桿、鏜桿套和平衡減振塊組成,內鏜桿安裝在鏜桿套內,平衡減振塊安裝在鏜桿套后端。內鏜桿減振效果好,鏜桿套剛性強,內鏜桿可在鏜桿套內伸縮,實現了減振效果與切削剛性的匹配,可以適應不同加工工藝的要求。

1.絲桿方頭 2.螺母 3.鍵 4.鏜桿支架 5.鏜桿壓蓋

羅紅波等[39]提出內置式并聯型雙減振鏜桿結構,如圖15所示,此鏜桿系統是由兩個減振單元并聯組成的三自由度系統,并采用分支定界算法得到了最優參數,實驗表明雙減振鏜桿的減振性能比單減振鏜桿更優越。

1.鏜桿體 2.橡膠圈 3.減振塊Ⅰ 4.阻尼液Ⅰ 5.擋塊 6.減振塊Ⅱ 7.阻尼液Ⅱ 8.橡膠圈 9.堵 10.刀頭

被動減振裝置的結構簡單,經濟實用,可取得較好的減振效果,但被動減振裝置設計、制造成型后,其模態參數固定不變,難以適應復雜多變的切削加工條件。

2.3 基于主動減振方式的減振鏜桿

主動減振原理是在被動減振系統的基礎上增加一個控制系統,對振動進行及時有效的檢測和反饋。主動減振系統具有精準反饋切削過程中工況的優點,并對系統的結構參數進行調節,達到快速、精確抑制振動的目的。

2.3.1 基于壓電驅動的減振鏜桿

壓電驅動材料具有響應速度快、功耗低等優點,諸多學者將壓電驅動材料應用于減振鏜桿的主動控制中。

Parus A.等[40]在工件支架結構中運用主動元件,允許修改工件的動態特性并且能夠主動控制其振動。該控制器被用于塑造機床—切削加工系統動態特性,從而顯著提高固有頻率附近的阻尼系數,能夠在較高的切削參數下實現穩定加工。Wang C.等[41]把壓電執行器和傳感器集成到刀架中并進行了實驗驗證,該方法能有效抑制顫振。Matsubara A.等[42]提出利用安裝在鏜桿中的壓電致動器和作為機械動力吸收器的電感—電阻電路來抑制鏜桿的振動,其結構如圖16所示。

圖16 壓電執行器減振鏜桿[42]

壓電執行器連接在電感電阻的電路中,在鏜桿中設計了堆疊式壓電致動器來提供足夠的力和剛度,并使用等峰法進行電感電阻參數優化,使鏜桿具有較好的減振效果。

2.3.2 基于電磁驅動的減振鏜桿

如圖17所示,Lu X.等[43,44]研發了一種新型非接觸式磁力驅動器并將其運用到鏜刀桿的減振控制中。該磁性驅動器內部裝有四個相同的線性化電磁單元,產生的磁力可以在兩個徑向方向上傳遞,以此驅動鏜桿,通過比例—微分控制器對刀桿進行控制,使系統的動態剛度顯著提升。

圖17 磁力驅動式減振鏜桿[43]

Bak C.等[45]提出了一種用Terfenol-D材料制成的磁致伸縮驅動器,如圖18所示。此磁致伸縮致動器只使用一個線圈,但可以同時作為傳感器和致動器工作,這有利于組成簡單系統。實驗表明,顫振衰減率為原始顫振的40%。

圖18 磁致伸縮驅動器結構[45]

Chen F.等[46]提出了一種新的磁力驅動器的鏜桿主動阻尼方法,如圖19所示。該致動器設計為具有相對于輸入電流的線性力輸出,并在兩個徑向和角度方向上具有三個自由度,用以阻尼彎曲和扭轉振動。實驗表明,鏜桿的動態剛度顯著增加,導致無顫振材料的去除率顯著增加。

圖19 主動減振裝置[46]

楊浩[47]基于動力吸振及電磁理論設計了一款變阻尼減振鏜桿,如圖20所示,通過外接控制系統和電源系統改變勵磁線圈電流的大小,進而改變靜態磁場、波動電流和阻尼的大小,使變阻尼減振鏜桿適應不同切削參數下的振動,最終實現抑制振動的目的。

圖20 變阻尼減振鏜桿結構[47]

主動減振裝置具有較強的適應性和調節性,可實現較精確的振動控制,但受限于可靠性差、能源消耗高、系統復雜、造價與維修費用高等問題。

2.4 基于半主動減振方式的減振鏜桿

半主動減振屬于參數控制減振,主要依據內部結構及少量的能量輸入來達到提供控制力的目的,并利用控制力對結構振動的變形速度進行控制,以此將減振效果最大化。

2.4.1 基于智能材料的減振鏜桿

磁流變液屬于可控流體,通過改變施加的磁場強度可以改變其流固狀態。利用磁流變液的這種特性,學者們已將其應用在鏜桿減振中。

魏旭民[48]根據磁流變液擠壓模式設計的磁流變阻尼器具有小位移大輸出力的動態特性,通過將磁流變阻尼器安裝在刀桿上,刀桿振動時會帶動磁體切割線圈產生電流,增大磁流變液黏度來抵抗振動,實驗結果表明可以有效抑制加工顫振。

Sajedi Pour D.等[49]設計了一種半主動模糊控制器來控制磁流變阻尼器,通過改變機床的剛度和阻尼抑制顫振。分析表明,所設計的控制器可以將穩定性邊界提高50%左右,然而系統的動態響應時間過長,控制算法需要改進。

楊立煜等[50]通過研究磁流變彈性體的性能發現,可以將磁流變彈性體應用于鏜刀桿作為減振器,其結構如圖21所示。由于磁流變效應,磁流變減振系統的阻尼、剛度和固有頻率會發生變化,進而改變整個鏜刀的阻尼、剛度和固有頻率,達到減振效果。

1.刀頭 2.刀桿 3.出線孔 4.殼體 5.后端蓋 6.橡膠墊片 7.勵磁線圈 8.磁流變彈性體

Biju C.V.等[51]將一根桿作為反向懸臂安裝在特殊設計的鏜桿空腔內,并將其中充滿磁流變液,通過在鏜桿后端施加磁場控制磁流變液黏度的方式進行減振,如圖22所示。桿在磁流變液中振動,其運動阻力受磁流變液黏度的影響,并且主結構的剛度也會增加,從而導致固有頻率發生變化。通過實驗對比,激勵電流為3.5A時減振效果最佳。

圖22 磁流變液填充減振鏜桿[51]

Saleh M.K.A.等[52]設計了一種用于鏜桿減振的新型海綿型磁流變液阻尼器,結構如圖23所示。減振器呈環形形狀,在所有徑向方向提供減振。磁流變阻尼器由填充bidisperse磁流變液的海綿層、電磁線圈組件和阻尼器支架組成。使用厚度為2mm、平均孔徑為500μm的聚氨酯泡沫層作為流體保持器,將MR流體容納在鏜桿和電磁線圈之間的間隙內。對帶有新型磁流變阻尼器的鏜桿進行模態分析的結果表明,系統的阻尼和動態剛度均有所改善,并顯著增加了穩定性波瓣圖上的無顫振切削深度。

圖23 鏜桿磁流變阻尼器及其部件模型[52]

基于流變智能材料所提出的減振鏜桿通過改變桿體剛度實現對鏜桿的減振調節。為進一步提高減振效果,需要對其控制策略以及應用結構開展深入研究,根據不同的工作狀態精確調節控制參數,并進一步實現控制系統集成化、結構整體緊湊化,便于桿體的安裝及使用。

2.4.2 基于變參數的動力吸振器減振鏜桿

另一種常見的半主動減振方式是基于變參數動力吸振器的減振刀桿。此類減振鏜桿能夠改變刀桿子系統的阻尼和剛度,主要通過在桿體內安裝伸縮懸臂動力吸振器來達到減振目的,具有一定的調節功能。

Li L.等[53]設計了一種安裝剛度可變的動力吸振器減振刀桿,動力吸振器由減振塊、橡膠襯套和阻尼油組成,如圖24所示,通過旋轉動力吸振器末端的端蓋可以調節吸振器的剛度。經過鏜削實驗證明,合理選擇軸向壓縮量可以有效抑制振動。

圖24 變剛度動力吸振器鏜桿結構[53]

Liu X.等[54]基于動力吸振器理論提出一種新型變剛度動力吸振器阻尼鏜桿,其結構如圖25所示。新設計的變剛度動力吸振器安裝在阻尼鏜桿前部空腔中。鏜桿將振動傳遞到動力吸振器以減少振動的同時,空腔內的阻尼液體與減振塊摩擦消耗振動的能量,并且可以通過調整懸臂梁長度控制吸振器的剛度以適應不同的切削參數。通過激振試驗、沖擊試驗和鉆孔試驗對所提出的阻尼鏜桿進行了測試,驗證了其減振的有效性。

1.刀具 2.刀頭 3.減振塊 4.伸縮懸臂梁 5.阻尼液 6.密封圈 7.鏜桿 8.螺桿 9.定位銷 10.調整螺母 11.滑銷

劉強等[55]基于動力吸振理論設計了質量可變的吸振器,提出通過高密度液體調節吸振塊質量實現對減振鏜桿減振性能的調節,從而達到最優減振的目的(見圖26)。通過實驗分析得出,使用此鏜刀桿減振時,只有當激振頻率大于86.58Hz才能實現減振。因此,在實際加工中需要首先測出激勵頻率并繪出振幅倍率曲線,根據曲線調節吸振器中吸振塊質量。

1.刀片 2.鏜刀頭 3.懸臂梁 4.變質量吸振器 5.高密度液體 6.輸氣/液管 7.鏜桿桿體 8.供液系統

何世玉[56]提出將阻尼合金材料與動力吸振相結合的方法,設計了一種變頻率—阻尼合金減振鏜桿,如圖27所示,在刀桿前端加入頻率可調的動力吸振結構,通過調整滑動支撐塊改變減振塊的懸伸長度,進而改變減振塊振動頻率,以提高減振鏜桿對于各種加工參數的適應能力。在刀桿后端使用非均勻阻尼合金層,以增加桿體的阻尼,達到抑制顫振的效果。

圖27 變頻率—阻尼合金減振鏜桿[56]

趙康等[57]為解決內置式動力減振鏜桿因阻尼液易泄漏和橡膠圈易疲勞失效等問題,提出一種可調磁力的新型減振鏜桿,如圖28所示,其阻尼效果是由電磁鐵產生的磁場對減振塊鐵芯的吸力而產生,通過控制電磁鐵使減振塊懸浮在平衡位置,比普通內置式動力減振鏜桿具有更好的減振效果。

1.刀頭 2.堵 3.保護橡膠圈 4.減振塊 5.限位橡膠圈 6.電磁鐵 7.減振塊鐵芯 8.墊片 9.鏜桿體

楊月婷等[58]提出將磁流變液運用到動力吸振器中,用磁流變液替代動力吸振器中的阻尼液,得到了可變阻尼的半主動動力吸振器鏜桿。該鏜桿可以根據外部的振動環境調節磁場強度,改變切削系統的剛度和阻尼,提高系統穩定性。

2.4.3 基于超聲振動輔助技術的減振

20世紀50年代,日本學者隈部淳一郎提出超聲振動輔助切削,隨后得到國內外學者的廣泛研究。20世紀90年代,學者Shamoto E.等[59]提出了超聲橢圓振動加工技術,克服了單向超聲振動切削容易出現的崩刃問題。如今,超聲振動輔助技術已經被廣泛應用于切削加工中,并且有著一些優越的效果。在提高加工表面質量[60]、加工精度[61]、系統剛度[62]以及減小切削力[63]、抑制顫振[64]等方面已經取得了許多成果。超聲振動輔助加工中速度系數K是非常關鍵的參數[65],根據速度系數K可分為分離型超聲橢圓振動切削和不分離型超聲橢圓振動切削。當速度系數K<1時為分離型超聲橢圓振動切削,此時刀具與工件在加工過程中會發生分離,達到減小動態切削力[64]、抑制顫振的作用。

徐英帥等[66]通過設計超聲振動輔助加工系統對難加工材料進行有無超聲振動的車削對比實驗,發現施加超聲振動可以顯著降低切削力,提高加工表面質量。岑亞輝[67]從能量、切削力等多個角度研究超聲振動對再生型顫振的效果作用,發現超聲振動輔助加工可以減少切削力對振動系統做功從而抑制顫振。

Xiao M.等[68]指出,常規切削中刀具幾何形狀對顫振的發生有很大影響。采用振動切削后工作位移振幅從10～102μm降低到3～5μm,并且在不依賴刀具幾何形狀的情況下有效抑制顫振。馬春翔等[60,69]指出,超聲橢圓振動加工時前刀面與切屑之間的摩擦力會出現反轉,導致背向切削力在一個切削周期內出現負值,使平均切削合力大幅度減小。

隋翯等[70]以耦合顫振為研究對象,研究了超聲振動切削的影響及機理(見圖29)。超聲振動切削可以增大穩定切削深度及切削寬度[71],并且通過控制系統能量攝入抑制耦合顫振。

圖29 弱剛度超聲鏜桿[70]

王立江等[64]通過研究分離型超聲波振動切削時切削厚度與位移的關系發現,刀具只是高頻間斷地參加切削,這時動態切削力對振動系統所做的正功明顯下降,起到消減顫振振幅的作用。

李文等[72]提出了一種新型數控變徑超聲橢圓振動鏜削加工的方法,如圖30a所示。其根據超聲波固—固傳振定理設計了一種預緊力加載結構,如圖30b所示。這種結構可減小襯套和刀座相對滑動產生的非線性超聲系數,提高傳振效率,保證超聲波傳振效果。通過長徑比大于20的復雜深腔切削實驗,對比驗證了超聲變徑數控鏜削比普通鏜削具有提高加工精度、表面質量和抑制顫振的優勢。

(a)超聲變徑數控鏜削結構

張成茂等[73]在分析橢圓超聲振動切削機理的基礎上,通過切削實驗發現,當橢圓超聲振動刀桿和導套間隙配合時刀具會產生一定的超聲振動振幅,導套結構的橢圓超聲振動切削仍然具有降低切削力和提高加工精度的工藝效果,其結構如圖31所示。

圖31 橢圓振動鏜削裝置[73]

Dong G.等[74]設計了一種用于深孔零件的超聲橢圓振動鏜孔裝置,并在高精度機床上進行了高強度鋼深孔零件的超聲橢圓振動鏜孔試驗,實驗結果表明,提高激勵電壓可以有效降低切削力和表面粗糙度,提高鏜孔過程的穩定性(見圖32)。Jung H.等[75]將超聲振動橢圓加工技術應用到摩擦型顫振的研究中,指出刀具側面犁削誘發了摩擦顫振,而超聲橢圓振動通過改變刀具的導程角可以顯著抑制摩擦型顫振。

圖32 激勵電壓對鏜削力的影響[74]

李勛等[63,76]利用換能器本身結構不對稱的情況下會發生復合振動的原理,設計出一種能夠在單一縱向激勵下產生橢圓振動的換能器結構(見圖33)。利用此結構進行精密切削加工實驗,實驗結果表明,橢圓振動切削可以大幅度降低切削力,明顯改善薄壁工件的形狀精度,同時工件還具有較好的表面粗糙度。

圖33 換能器結構[76]

Yin S.等[77]同樣基于變幅桿“非對稱結構”產生橢圓振動軌跡的機理,開發并優化了一種“非對稱結構”的高效單激勵UEVC器件(見圖34)。該裝置的諧振頻率為40.8kHz,振幅達到14μm,有效突破了UEVC對切割速度的限制。在確定單一激勵裝置時不能改變橢圓振動軌跡的形狀,因此在設備的設計過程中應根據不同加工需要進行特殊優化設計。

圖34 超聲橢圓振子[77]

分離型超聲振動對振動的抑制有著顯著效果,其抑振效果與凈切削時間[78]有很大關聯,凈切削時間越短,效果越明顯,這樣容易降低加工效率,限制了超聲振動加工應用。因此超聲振動輔助加工技術多用于精密加工。

除分離型超聲振動加工可以抑制顫振外,不分離型超聲振動(K≥1)輔助加工同樣在抑制顫振方面有一定的有效性[79]。

于勁等[80]指出,超聲波振動車削在國內外極少研究的K≥1區段同樣有較強烈的抑制作用,這一發現拓寬了超聲波振動切削的應用范圍,也是對傳統超聲波振動切削理論的突破。李勛等[81]在深入分析橢圓振動切削過程和表面微觀形貌形成機理的基礎上,通過具體的切削試驗驗證了超聲橢圓振動切削在不分離區仍然具有降低切削力、抑制加工顫振等優勢,這些特性在不分離切削區隨著速度系數的增加而逐漸減弱,當速度系數K>3后,這些優勢基本消失。李文等[82]也深入研究了不分離型超聲橢圓振動切削降低平均切深抗力的有效性機理,揭示了不分離型超聲橢圓振動切削逆變區及動態前角是降低平均切深抗力的主要原因。

半主動減振控制系統具有不需要輸入過多能量便可進行實時調控結構振動的優點,嵌入質量較輕的智能材料傳感器一方面不影響減振器的固有性質,另一方面又可提高控制系統的穩定性。但有關智能材料在工業應用上,目前還沒有一套成熟和完善的設計標準實現主動裝置的設計、安裝和校準的標準化制造。

通過以上分析,歸納整理不同類型減振鏜桿的結構、減振機理及特點和不足,如表1所示。

表1 減振鏜桿類型及特點

3 結語

綜上所述,被動減振鏜桿主要是通過改善桿體結構、使用高強度材料或桿體內填充其他材料來進行減振,目前,被動減振鏜桿的種類繁多,技術較為成熟,具有安裝簡單,使用、維護方便等優點,在市場上應用廣泛,可以解決大部分鏜削的振動問題。然而,被動減振鏜桿也有自身調節能力不足及適應性較差等缺點,仍需對減振機理、新結構、新材料和復合型減振鏜桿等方面深入研究。

主動減振鏜桿主要通過壓電和電磁驅動桿體來達到減振的目的,實現主動控制減振。主動減振鏜桿的適應性更強,能利用多種驅動方式和控制算法抑制振動,通過調節相關參數可以實現更好的抑振效果。然而,主動減振鏜桿結構復雜,控制參數眾多,計算量大,輔助設備復雜,操作技術要求較高,以上問題限制了主動減振鏜桿的實際應用。因此,主動減振鏜桿的發展需要在控制算法及驅動結構等方面進行深入研究。

半主動減振主要通過在桿體內填充磁流變液等智能材料或設置剛度、阻尼調節裝置來達到減振的目的。其中,超聲振動輔助加工在振動抑制方面有深入的研究,隨著一些用于航空航天的難加工材料對切削加工提出了更高要求,超聲振動輔助加工可以很好地應對這一情況。因此,鏜桿的結構、材料和控制方式以及超聲振動輔助加工依然是目前研究的重點。

隨著新型材料的發現、結構設計的提高、減振機理的深入研究以及控制技術的提升和人工智能技術的發展,減振鏜桿的研究會趨向于多元化、集成化和智能化。