基于GMA 再生型車削顫振抑制系統實驗研究*

陳 成

(無錫科技職業學院 中德機電學院，江蘇 無錫 214028)

0 引言

切削顫振是金屬切削過程中刀具與工件之間產生的一種十分強烈的相對振動，是一種非常復雜且十分有害的機械振動。顫振容易引發強烈尖銳噪音，使人心情煩躁，車間噪聲污染嚴重，還會破壞刀具，引發機床明顯振動，大大降低機床與刀具使用壽命，過度的顫振甚至會威脅現場人員人身安全。顫振切削后工件表面留下清晰振痕，嚴重影響工件表面精度和產品性能，增加產品的報廢率，因此研究如何有效抑制顫振發生，在生產加工中有著比較重要的實際意義。

國內外在抑制顫振方面做了大量研究，如:Virginia 大學Pratt 建立一種基于傳感器和制動器的有效振動檢測和控制系統分析鉆削顫振;Columbia 大學Altintas.Y 開發一種以開放結構傳感器焊成的智能控制器進行振動控制;Jordan 大學Hamdan. M 研究了刀具的集合形狀因素對顫振的影響;Martinez 采用壓電式制動器對精密加工進行振動控制研究;Segalman 提出基于機床周期性改變阻抗理論的緩和控制顫振方法。國內華中科技大學楊叔子研究采用模式向量的顫振識別和利用時序的顫振預報;吉林工業大學曲興田借助特征參數Pa 研究顫振預報;同校的于駿一采用振動波形不規則系數θ 及利用加速度響應與動態切削力之間信號相關系數預報顫振;西安交通大學董衛平通過振動加速度和動態切削力信號相關系數預報顫振;同校的李庚新采用“零間距法”判別顫振的發生，這些研究在某種程度上都取得了一定的成效［1］。

雖然目前顫振控制方法較多，但均有一定局限性，有些甚至只是得出理論結論，大都很難運用于實際，因此提出一種安全可靠、簡單易行的顫振抑制方法十分有必要。本文擬采用基于超磁致伸縮致動器(GMA)為執行元件的顫振抑制系統來控制切削顫振，闡述其穩定性，并通過實驗驗證顫振抑制的可行性。

1 切削顫振產生機理

顫振是一個十分復雜的振動過程，目前國際國內關于切削顫振產生機理的觀點較多，其中再生型顫振被認為是顫振產生機理中最直接、最主要的激振機制。假設把機床結構簡化為一單自由度系統，切削運動由工件的自轉N與刀具沿工件徑向的進給S0組成，S0在數量上又等于平均切削厚度;F(t)是作用在刀具上的切削力;x(t)為機床結構的變形量，等于刀具對于工件在水平方向的振動位移，由此可以建立再生型顫振物理模型如圖1 所示。

圖1 再生型顫振系統動力學模型

理想切削狀態下刀刃相對于工件運動軌跡為阿基米德螺旋線(圖1)，此時工件表面厚度S0的一層金屬被平穩均勻切下，切削力F0為一恒量，因此作用在機床結構上引起的振動變形X0也同樣為一恒量，反之X0又保證了切削厚度S0恒定不變，S0的恒定不變確保了切削力F0的恒定不變，理想情況下此切削過程就可以一直持續平穩進行下去。但實際切削時總會存在各種各樣的阻擾，假設在切削中刀刃突然碰到工件材料中某一硬質點的干擾，切削力將瞬時獲得一動態增量ΔF(t)，而ΔF(t)引起振動變形x(t)，x(t)又使瞬時切削厚度發生了Δs(t)的變化，立即引起切削力二次變化ΔF'(t)。工件轉動1 轉，切削力動態增量會增加，即ΔF'(t)＞ΔF(t)，同理工件再轉動1 轉后，ΔF″(t)＞ΔF'(t)＞ΔF(t)……如此循環往復，切削力增量ΔF(t)及振動變形x(t)不斷變化上升，越往后越激烈，最終形成強烈的自激振動，即再生型顫振。

根據圖1，可將運動方程寫成

式中:m表示機床結構失穩模態的模態質量;c表示模態阻尼;K表示模態剛度。

若切削厚度動態變化量Δs(t)較小，則ΔF(t)可表示為

式中ΔF(t)表示切削力動態增量(N);b表示切削寬度(mm)，即式(1)中工件厚度(垂直于圖1 面);Kd表示切削力的切削厚度系數(N/mm2)，即單位“bΔs(t)”下的切削力值。

2 微位移刀架和車削顫振抑制實驗

磁致伸縮材料具備磁致伸縮效應功能，它可以在變化磁場作用下實現尺寸和體積發生相應改變的磁(電)能—機械能轉換，其飽和磁致伸縮系數λs一般為10-6數量級。超磁致伸縮致動器(Giant Magnetostrictive Actuator，簡稱GMA)是利用稀土—鐵超磁致伸縮材料在外加磁場作用下形狀或體積發生變化這一特性，實現電磁能向機械能轉換的一種新型轉換器，它的特點是應變大、推進力大、快速響應和無老化、無極化等，其飽和磁致伸縮系數λs一般大于30 ×10-6。

實驗系統采用基于超磁致伸縮致動器為執行元件的微位移刀架，結構如圖2 所示。超磁致伸縮棒處在激勵線圈和偏置線圈產生的磁場中。當激勵線圈通入變化電流時，由于發生電磁感應效應，線圈將產生變化磁場，在磁致伸縮效應的作用下，超磁致伸縮棒就會發生伸縮變形，進而長度發生變化，推動輸出頂桿移動。

圖2 微位移刀架結構圖

本車削顫振抑制實驗主要測試車削加工時的振動情況，利用江蘇聯能電子技術有限公司生產的CA-YD-107 壓電式加速度傳感器收集刀具切削時的各種振動信號，經電荷放大器AZ408-A 放大后，用數據采集儀AZ308R 采集，最后采用南京安正軟件公司生產Ad-Cras 數據采集軟件對采集的振動信號進行記錄和分析，判定切削顫振的發生。切削顫振的控制是在判定顫振發生時，通過功率放大器對微位移刀架施加振動激振信號，當超磁致伸縮致動器(GMA)發生微位移變化時實現振動切削，從而抑制顫振的發生，如圖3 所示。

圖3 車削顫振抑制系統工作原理圖

實驗用機床型號為濟南第一機床廠生產的616A-1 型精密車床，刀具材料選用YT15，車刀焊接在自制刀桿(如圖4)上，車削時通過螺栓聯接固定在微位移刀架上，刀具幾何參數如表1 所示:

圖4 自制刀桿示意圖

表1 刀具幾何參數

實驗時自制刀桿和以超磁致伸縮致動器為執行元件的微位移刀架相連，固定安裝于機床刀架上(如圖5)，實驗中為使測量信號不受其它因素干擾，應使系統接地。經過反復多次試驗，發現采用較長懸伸量的工件，更容易誘發顫振現象，以方便驗證實驗的進行。實驗條件參數如下表2 所示:

表2 實驗條件參數

圖5 GMA 微位移振動切削刀架機床安裝示意圖

(1)切削顫振實驗

觀察實驗現象如下:實驗過程中機床發出強烈刺耳的尖叫噪音，刀具產生明顯振動，車床小刀架有后退現象，工件表面出現明顯規則的條紋狀等距振痕(如圖6)，測量得到此時的表面粗糙度值和壓電式加速度傳感器輸入電壓值較大(見表3)，說明發生切削顫振后，工件表面質量較差，振動現象劇烈。

圖6 顫振工件表面振痕

從時域圖(如圖7)上可以看出，在系統進入顫振時，振動加速度的振幅增大，在顫振穩定時達到最大，表明振動能量在不斷積累增大。從頻譜圖(如圖8)上可以看出，在顫振急劇增長以后，靠近機床某個失穩模態的固有頻率附近的振動立即上升，信號的主頻帶會向低頻段移動，占據了主要地位，并出現了顫振的四個頻 率，分 別 是 306. 25Hz、612. 50Hz、918. 75Hz、1225.00Hz。分析這些頻率可以發現，高頻部分的頻率都是以306.25Hz 為基頻的倍頻成分，因此可以認為該機床的切削顫振頻率為306.25Hz。結合實驗出現的現象和對振痕的觀察分析，表明在這樣的切削狀態下，系統已完全進入顫振狀態。

圖7 切削顫振時域圖

圖8 切削顫振頻譜圖

(2)顫振抑制實驗

發生顫振后，整個系統進入一種相對穩定狀態，當前情況下，對微位移振動切削刀架在吃刀方向和進給方向上(如圖5 所示)施加不同振幅和頻率的振動信號，觀察系統的振動情況。

圖9 施加振動信號后時域圖

圖10 施加振動信號后頻譜圖

在進行多次施加不同頻率和振幅的振動信號試驗嘗試后，發現當給吃刀和進給兩個方向上施加頻率120Hz，振幅40pm 的振動信號時，實驗過程中強烈的尖銳噪聲消失，觀察工件表面振痕，顫振時工件表面留下了規則的條紋狀等距振痕(如圖6)。施加振動信號后條紋狀振痕消失，留下相對比較平滑的工件表面，測量得此時表面粗糙度值有明顯下降，說明工件表面質量有明顯提升;同時刀具與工件之間振動減小，壓電式加速度傳感器輸入電壓值有明顯下降，說明切削振動現象有顯著改善;從時域圖(如圖9)上看:振動加速度的幅值也逐漸變小;從頻譜圖(如圖10)上看EU 值下降，高頻信號部分呈現發散趨勢，原本集中在高頻部分的頻率及其倍頻成分的比重逐漸減小，并向平穩切削時的各個頻段上趨于分散，低頻信號部分比重逐漸增加。實驗系統由原先的顫振狀態逐漸過渡到一個相對平穩狀態。測量并記錄下切削顫振時和顫振抑制后兩實驗的表面粗糙度值和壓電式加速度傳感器輸入電壓值，如表3 所示:

表3 切削顫振和顫振抑制兩種情況下實驗數據比較

綜合比較切削顫振時和顫振抑制后的實驗現象、表面粗糙度值和加速度傳感器輸入電壓值，分析兩實驗在時域及頻域信號上的差異，所有實驗數據表明:通過對基于超磁致伸縮微致動器(GMA)微位移振動切削刀架施加一定的振動信號后，切削顫振已被較好的抑制。

3 結論

通過分析再生型顫振產生的機理，建立再生型顫振和以超磁致伸縮致動器(GMA)為執行元件的顫振抑制系統兩者動力學模型，開發了基于GMA 的車削顫振抑制實驗系統，利用該系統在車床上進行車削振動實驗研究。通過觀察對比分析切削顫振時和顫振抑制后兩實驗現象與數據結果，得出結論如下:采用基于超磁致伸縮致動器(GMA)為執行元件的微位移顫振抑制系統可以有效的抑制切削顫振，該顫振抑制系統安全可靠、簡單易行，可以較好的運用于生產實踐，具有一定的指導意義。

［1］馬魏. 復合進給技術環境下振動切削及顫振抑制研究［D］.南京:東南大學，2008.

［2］梁巖里，王凱，楊三強，等.薄壁件銑削加工顫振控制研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2012(4):28 -31.

［3］胡耀斌，江涌濤，張春良，等.基于支持向量回歸的切削顫振狀態趨勢預測的研究［J］. 組合機床與自動化加工技術，2006(3):42 -46.

［4］賀文海.數控車床受迫振動特性仿真分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2007(8):68 -70.

［5］袁偉軍. 銑削加工過程穩定性計算機仿真及試驗研究［D］.北京:北京工業大學，2003.