淺析在機械加工中用變速切削抑制再生顫振
論文導讀：再生顫振是在進行某一限度以上的重切削（在二維切削中加大切削寬度的加工，或者在通常切削中加大切削深度的加工）時，產(chǎn)生的自激振動，它總是對強力切削的能力規(guī)定了一個界限。這就是用變速切削抑制再生顫振的原理。
關鍵詞：再生顫振，能量轉換，變速切削
我們在機加工軸類等工件的時候，經(jīng)常遇到加工中因為工件顫動而影響加工精度或顫動幅度過大不能加工。通過對顫動產(chǎn)生原因的分析及多次試驗實踐比較，通過改變切削速度可以改變顫動對加工件精度的影響。
再生顫振是在進行某一限度以上的重切削（在二維切削中加大切削寬度的加工，或者在通常切削中加大切削深度的加工）時，產(chǎn)生的自激振動，它總是對強力切削的能力規(guī)定了一個界限�？萍颊撐摹Ｔ偕澱竦脑蚴窃偕�，即是由于上一次切削時因顫振而殘留在已加工表面上的波紋，在這一次切削中一邊以滯后于這個波紋的相位作仿形般的振動，一邊進行切削，在機械結構系統(tǒng)中產(chǎn)生了使固有振動持續(xù)下去的滯后的交變切削力。
如果通過經(jīng)常改變切削速度，以破壞工件的同一切削部位在前后兩次切削中切削速度相等的條件，則再生效應就能相反地抑制顫振的作用。這就是用變速切削抑制再生顫振的原理。
因為變速切削在原理和方法上都比較簡單，必要的附加裝置也容易辦到，在操作方面的故障也比較少，所以它可以在各方面得到應用。
1 變速切削的理論分析
1．1 從能量平衡來看再生顫振的產(chǎn)生機理
包含再生效應的切削過程的動態(tài)特性——切削過程動剛度Tc(z,n)(即切削深度的周期性變動和切削力的周期性變動之間的傳遞函數(shù))，如圖所示，可以用圓周上下班點Tc來表示。這個圓的半徑與切削寬度（在外圓車削中為切削深度）成正比；另外，表示點Tc在圓周上位置的角度φ就等于內(nèi)調(diào)制波（這次切削中所產(chǎn)生的波紋）與外調(diào)制波（前次削時所產(chǎn)生的波紋）之間的相位差。在車削的情況中，φ可用下式給出：
φ=2πJf60Z/n=Ji+Jf,
其中：z表示顫振頻率，
n表示主軸的回轉速度，
可見，角度φ是一個由z和n來確定的量值。
在車削加工中，如果使切削深度逐步增大，則這個圓Tc(z,n)就變大，最后就會和機械結構動鋼度Tm(z)的圖線相交。這時系統(tǒng)就會變得不穩(wěn)定，在輸入機械結構的能量和機械結構中因阻尼而消耗的能量達到平衡之前，振動的振幅就不斷增大。這種能量平衡的狀態(tài)，是當Tc和Tm在點A或 點B處一致時才產(chǎn)生的。即在振動的一個周期中，機械結構所消耗的能量WM可用下式給出：WM=∫TmXdX=π|X|2|Tm|sinθM，，其中X表示刀具和工件之間的相對位移，|X|表示它的振幅。因此，如前圖所示, WM與點Tm到實軸的距離成正比。同時,在振動的每一周期中從切削過程輸入機械結構的能量Wc，與Tc點到實軸的距離成正比，這可用公式給出：Wc=∫TcXdX=π|X|2|Tc|sinθc，由上述可知，當Tc和Tm在點A或 點B處一致時，輸入的能量Wc和消耗的能量WM平衡，穩(wěn)定顫振就將持續(xù)下去。
1.2 變動主軸轉速時的能量轉換
在前面說明Wc和WM在不平衡的情況下,在振動的每一個周期中,在機械結構中就儲存了用下式給出的能量的增量�！鱁= Wc-WM=π|X|2{|Tc|sinθc-|Tm|sinθM}。因此，若能控制主軸的轉速使點Tc在圓周上的位置經(jīng)常在點A或和點B的下側，則就能使Wc（從切削過程輸入機械結構的能量）保持比WM（機械結構內(nèi)消耗的能量）為小的數(shù)值。這時，△E就為負值，就能使振動衰減。如果點Tc位于實軸的下側，則Wc本身就為負值，切削過程本身就要從機械結構中吸收振動能量。
在實際情況下，要嚴格地控制機床主軸的轉速以達到這種狀態(tài)還是困難的�？萍颊撐�。但是，可用另一種方法來代替，即經(jīng)常改變主軸的轉速，使點Tc經(jīng)常在圓周上周轉。在這種情況下，主軸轉速的變動率越大，φ角的變化就越快，點Tc在圓周上的周轉就越快，因此，點Tc處在AB間上側圓弧的時間就越短，在此期間所產(chǎn)生的振動就有可能抑制到很小。由此以可以得出：若AB間上側圓弧的長度越短，則點Tc處在這段圓弧上的時間也就越短，振動不容易加強。
根據(jù)以上的理論分析，可預測到下面的情況：
�。�1）主軸轉速的變動率越大，抑制顫振的效果也越明顯；
�。�2）切削過程和機械結構動鋼度Tc(z,n)和Tm(z)的圖線相互交叉的范圍越狹，改變速度而產(chǎn)抑制顫振的效果就越明顯。
2 變速切削法的基本試驗
2.1切削試驗在車床上以下面兩種加工情況進行
�。�1）在剛性低的心棒上安裝工件，進行車削試驗：
在裝著重物的長心棒的一端裝上圓盤狀工件，進行外圓車削。當切削速度一超過50米/分，在主軸轉速不變的情況下，只要切削深度在0.2㎜以上，這個系統(tǒng)就會產(chǎn)生顫振。
�。�2）在剛性低的鏜桿進行車削試驗：
使用剛性低的鏜桿對裝在卡盤上的工件（與鏜桿相比，工件的剛性非常大）進行外圓車削。在切削速度超過60米/分，主軸轉速不變的情況下，只要切削深度超過0.2㎜，這個系統(tǒng)就會產(chǎn)生顫振。
通過試驗，在一定的轉速下使安裝在心棒上的工件在切削中產(chǎn)生顫振，待顫振的振幅達到某一穩(wěn)定值后，用指令信號使轉速開始改變。轉速一開始改變，振幅就迅速衰減，表示改變主軸轉速對抑制顫振是有效的。
2.2通過試驗總結影響抑制顫振效果的因素有如下幾點：
�。�1）主軸轉速的變動率和變動量峰值
在對心棒上的工件進行的車削試驗中，我們使主軸轉速的變動率和變動量峰值作各種變化，來比較抑制顫振的效果。如果轉速的變動量峰值在平均轉速的20%以上，轉速變動量峰值對抑制顫振效果幾乎沒有影響。也表明轉速變動率越高，抑制顫振的效果就越明顯。
（2）切削深度
在對心棒上的工件進行的車削試驗中使切削深度和轉速變動率作各種變化，比較抑制顫振的效果。科技論文。通過比較發(fā)現(xiàn)切削深度越小，抑制顫振效果的效果越好。切削深度越大，即使改變主軸的轉速，振動仍容易產(chǎn)生。轉速變動率越大，抑制顫振的效果也越好。因此，在切削深度大時，要抑制顫振就必須增大轉速變動率。
�。�3）切削速度
在使用鏜桿進行的車削試驗中，使平均切削速度和主軸轉速變動率作各種變化，來觀察抑制顫振的效果。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，切削速度越高振動的振幅也越大。由此可以知道：切削速度高時，為了抑制顫振就必須增大主軸轉速的變化率。
�。�4）轉速指令信號的波形
通過與恒速切削的比較，轉速指令信號使用的方波、階梯波都有抑制顫振的效果。以及由于主軸實際轉速的變化因轉動慣性發(fā)生滯后的現(xiàn)象，所以方波重復地升高和降低在實際上就成為三角波，使得所用的機床的主軸傳動系統(tǒng)有可能得到最大的轉速變動率。
3 變速切削法的結論和優(yōu)點
3.1 由試驗結果表明，對于變速切削可得到以下結論：
�。�1）如果主軸轉速一定，則在發(fā)生再生顫振的條件下，只要改變主軸轉速就能抑制顫振。
�。�2）轉速的變動率越大，抑制顫振的效果也就越好。
�。�3）如果轉速的變動量峰值在平均轉速的20%以上，則轉速變動量峰值對抑制顫振的效果幾乎沒有影響。
�。�4）如果切削深度變大，或在切削速度變高的情況下，為了抑制顫振，一般得增大轉速變動率。
（5）變動轉速的指令信號，除了用三角波以外，也可以考慮用其他各種波形。特別是方波，它具有信號發(fā)生器的構造簡單、且具有最大轉速變動率的優(yōu)點。
3.2 變速切削法的優(yōu)點：
�。�1）必需的主要裝置僅是直流電動機。
�。�2）沒有反饋，可以說是開環(huán)控制，所以當控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)不當時，不會反過來加劇不穩(wěn)定性，控制是可靠的。
�。�3）傳感器和執(zhí)行機構等附屬裝置不必設置在切削點附近，對切屑的排出、刀具的調(diào)整、工件的檢測等工作很少妨礙。
由于這些原因，在車削、鏜孔、鉆孔、銑削等粗加工中，這種方法會有較高的實用價值。
4 變速切削法的實際應用和缺陷
根據(jù)已進行的切削試驗，在機械結構系統(tǒng)的動剛性極低，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，而且反而會加劇顫振。因此，要機械結構系統(tǒng)具有一定程度的動剛性時，若希望進一步提高它粗加工能力，則變速切削法就有其實用價值。
對于象鏜桿那樣，即使以0.2㎜的切削深度進行精加工也會產(chǎn)生再生顫振的情況中,只要鏜桿的動剛性不是極低,用變速切削法來抑制再生顫振還是有可能的.但是此時實際所得到的加工表面還難以達到通常切削加工所要求的精度.因此,對切削精加工,變速切削法沒有實用價值.
在轉動系統(tǒng)的回轉慣性不太大的鏜孔加工和車削加工的情況中,實際應用的轉速變動參數(shù)可取轉速變動頻率在0.5～3Hz,轉速變動量的相對峰值在±10～20%，用三角波的轉速變動指令。當頻率高于3Hz時，抑制顫振效果反而下降。另外，若轉速變動量相對峰值超過
±20%，那么精加工表面上的光澤將出現(xiàn)顯著的不均勻而使加工表面惡化。為了改變上述情況，在實現(xiàn)轉速變動時，就必須使主軸傳動系統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)的時間常數(shù)0.3秒或更短并具備良好的響應特性。
對于加工大直徑工件的立式車床和大型車床等機床，由于轉動系統(tǒng)的回轉慣性極大，要進行變速切削就需要強大的驅動電動機。轉速變動方式采用下列方式是恰當?shù)模涸诓粷M1轉的恒速回轉期的兩端進行相互交變的梯形波轉速變動。
變速切削帶來的缺陷是有很大的瞬時電流通過驅動電動機。在實際應用中，必須對供電線路及功率放大器的能力、電動機的熱載荷能力有充分的考慮。
對于其他事項，特別是影響操作的事項在實際應有中也應加以考慮。
參考文現(xiàn)
[1]星鐵太郎 [日] 機械加工顫振的分析與對策 顧崇銜 褚家麟 陳人亨 等譯 上�？茖W技術出版社 1984
