机床再生颤振系统研究现状的综述

1、2007年8月第35卷第8期机床与液压MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CSAug . 2007Vol 135No 18机床再生颤振系统研究现状的综述汤爱君1, 2, 马海龙2(11山东大学机械工程学院, 济南250061; 21山东建筑大学材料学院, 济南250101摘要:切削系统的稳定性是高速加工领域的一个重要研究内容, 在工程实践中有着广泛的应用。本文在颤振机理与模型研究的基础上, 分析了再生颤振产生的原因, 以及目前国内外研究的发展状况。关键词:高速加工; 切削; 再生颤振; 稳定性叶瓣图中图分类号:TG502114文献标识码:A 文章编号:1001-3

2、881(2007 8-223-3Survey on the Regenera ti ve Cha tter of the M ach i n e ToolT ANG A ijun , MA Hail ong(11Mechanical Engineering School of Shandong University, J inan 250061, China;21Shandong J ianzhu University, J inan 250101, China Abstract:The stability of cutting syste m is an i m portant task i

3、n the high s peed machine (HS M , which have been widely used in vari ous industry 1The reas on of the regenerative chatter, and the evoluti on all over the world at p resent were 。Keywords:H igh 2s peed machine; Cutting; The regenerative chatter; The stability l obes diagra m1, 220引言高速切削加工具有高效率、势,

4、是目前最重要, 一, , , 机床的, 振动使机床的零件过早出现疲劳破坏, 从而使零件的安全性、可靠性和强度下降, 并且还会导致被加工工件的表面光洁度和精度降低, 刀具寿命和生产率下降。高速加工的诸多优越性的发挥必须以无振动稳定性切削的实现为前提。因此在高速加工领域内, 有关减振、消振的研究一直受到国内外学者的广泛关注。本文在颤振机理与模型研究的基础上, 主要针对再生颤振产生的原因以及国内外的研究发展状况进行了探讨。1再生颤振产生的原因及机理高速加工中的振动按其性质可进行分类, 如图1所示。其中再生颤振在实际切削过程中最普遍, 对高 速切削加工的影响最大。(t , 并再次残留下振, , 形成颤

5、1振。该系统的组成及其机理模型如图3所示。还必须看到, 瞬图2切削厚度的变化图间切削厚度不仅与刀刃在当时的振动位移有关, 而且还与工件在上一圈时的振动有关, 由此可见, 这里存在振动图3再生颤振系统的组成位移的延时反馈。因此, 金属切削过程中发生的再生颤振是由于上次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位差导致刀具的切削厚度的不同而引起的颤振, 又称为切削厚度变化效应。其数学模型为:(t +c x (t +kx (t =F c (t (1 m x ¨(2 F c (t =K c ah 0-x (t -x (t -T 式中:F c (t 为动态切削力, N; m 为振动系统的等效

6、质量, N s /mm;c 为振动系统的等效阻尼,N s/mm;k 为振动系统的等效刚度, N /mm;x (t 为本次切削的振纹; x (t -T 为上次切削残留下的振纹;2K c 为单位切削宽度上的切削力系数, N /mm; a 为轴向切深, mm; h 0为理论切削厚度; 为前后2转(次 切削的重叠系数。数学模型产生的原理如图4所示。从图4可以看出, 在切削过程中, 刀具或工件在任一时刻的微小偏移, 都有可能在下一次的切削过程中产生新的表面。通过前一次切削和这次切削产生的表面, 可以计算出2图1高速加工振动的分类在金属切削过程中, 除极少数情况外, 刀具总是完全地或部分地重复切削到前一次

7、或者前一个刀齿切削过的表面。如果由于某种原因, 在已加工表面上残留有振纹, 则当刀具再一次切削到这些有振纹的表面时, 切削厚度就会发生变化, 如图2所示, 切削厚度224机床与液压第35 卷刀具和零件之间, 特别是切屑区的相互作用条件, 从它们之间的相互作用条件可以得到它们的切削模型和力学模型。然后, 新图4数学模型原理图的相互作用条件又从t +d t 时刻再次开始了新一轮的循环。2再生颤振研究的状况早在1907年, Tayl or 第一次在其著作中对于颤振的产生进行了描述。自20世纪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, 发展出机床动力学、切削动力学的学

8、科分支。50年代中期, R 1S 1Hahn 在他写的2篇论文金属切削颤振及其防治、精磨加工再生型颤振理论中提出了再生型颤振的概念, 他认为切削振动起。1958年, Tobias &Fishwick 稳定性进行了分析, 跳出切削、, Tlusty &Polacek 和Merrit 、等分别于1963年、1965年、1968年, 在线性切削范围内, 对于再生颤振产生的原因和机理进行了进一步的研究并发展了其理论。线性切削过程特性假设的前提是机床在切削点的相对振动很小, 也就是说切削厚度的改变与名义切削厚度相比很小, 可忽略不计。然而, 无论试验还是计算机仿真, 在这样小的振幅下很难

9、确认机床切削稳定性极限。实际中, 机床切削过程中失稳现象经常发生。所以, 用线性切削过程模型来确定稳定性极限,2仅能获得近似且相当局限的结果。事实上, 绝大多数切削过程均属于非线性过程。切削过程中瞬间切削力、瞬间切削厚度的变化都是非线性的。因此, 必须对切削过程进行非线性研究。再生型颤振的非线性理论自C 1J 1Hook 等发现有限振幅不稳定现象后开始研究, 考虑了切削过程中的非线性因素(诸如后角限制、刀具振离工件表面等 以及机床结构的非线性因素(诸如机床结构的非线性刚度等 , 建立了非线性模型。Tlusty &Is mail 检测了机床的稳定性, 特别是高速切削的稳定性(HS M 。

10、在颤振分析时提出了一种时域仿真方法, 对切削过程中的颤振机理和切削力的基本非线性现象进行了分析和研究, 精确地预测了铣削过程中基于轴向切削深度和主轴转速的稳定性极限图, 因而弥补了有关在铣削中切削速度影响这一知识的空白。M inis等和M inis &Yanushevsky 在推导铣削稳定性的数学公式中, 引入了傅立叶定理和傅立叶级数, 使用奈奎斯特稳定判断依据, 从数学的角度解决了稳定性极限4图。A ltintas 和Budak 考虑了刀具和工件之间的动态接触, 采用平均傅立叶级数进行稳定分析, 用数值迭代的方法求解出最终的稳定性表达式, 并在后来发展了一个三维的频域模型, 分析模拟

11、了铣削过程中的3-6颤振现象。这种方法后来被应用到球头立铣的稳定性研究中。在我国, 也有不少学者对于切削的再生颤振进行了研究。华中工学院师汉民等人提出了切削加工中发生颤振的非线性理论模型, 考虑了2个非线性因素:其一是当颤振振幅足够大时, 刀刃运动轨迹的一部分越出工件之外; 其二是切削力对切削厚度是非线性依赖关系, 而机床结构假定是线性的。在此基础上, 建立了非线性、, 给出了模糊稳定性极, 最, 经计算机编程绘制了模糊稳定性7图。华中理工大学吴雅等根据其方程提出了强迫再生颤振理论, 并通过计算机仿真研究了其谱阵特征,8得出了强迫再生颤振的判别方法。同济大学的李沪曾等运用计算机仿真对铣削振动进

12、行了研究, 也取得了一些成果。3再生颤振系统的稳定性机床或加工中心抵抗切削过程振动(包括受迫振动和自激振动等 的能力, 称为切削稳定性, 也称机床抗振性。机床切削时, 从稳定切削到发生颤振存在着明显的界限, 这个界限就是稳定性的极限, 或2者称为机床切削稳定性的条件。要实现无振动稳定切削, 首先要判断系统在什么样的情况下出现振动, 即根据稳定切削临界条件判别稳定和不稳定切削区域。在高速切削过程中, 为了有效防止颤振的发生, 实现稳定切削, 以获得高的生产效率和加工质量, 关于切削稳定性的研究主要集中在切削稳定性极限的判别和极限阈值的预测分析理论和方法。Tobias 在1965年就建立了稳定性极

13、限图的概念, 如图5所示。从此稳定性极限图逐步发展并成为描述机床切削过程动态行为, 以及在图5稳定性极限图切削加工规划阶段预测第8期汤爱君等:机床再生颤振系统研究现状的综述 225切削稳定性的一种方法, 并被广泛接受。“耳垂线”的上方为不稳定区, 在切削过程中将会有振动发生; “耳垂线”的下方为稳定区域, 在切削过程中不会发生振动。从图5可以看出, 当以一定的轴向切深进行切削时, 连续改变主轴转速会使切削过程在稳定区和不稳定区之间交替进行。因此, 在切削加工时, 可通过在稳定切削条件下选择优化切削参数来获得最大可能的材料去除率。很多学者用它来进行切除稳定性分析和评价。随着高速铣削的发展, 关于

14、高速切削稳定性的研究也在不断地发展。在最近的几年, 半离散性方法(S D 和瞬时有限元分析方法在高速、断续铣削中的应用, 出现了新的稳定性叶瓣图。4结语本文对于机床再生颤振产生的原因及机理进行了探讨, 并且综述了颤振的研究发展状况。从中可以看到, 对于机床再生颤振的研究还有待于进一步的发展, 理论和工程应用方法, 用的基础, 。End M ills C 1Fifth I nternati onal Conference on H igh Speed Machining, 2006:769-7781【11】师汉民1机械振动系统分析、测试、建模、对策M1华中科技大学出版社, 2004131【12】

15、李加种1金属切削动力学M1浙江大学出版社,19931zu 1edu 1cn 。收稿日期:2006-09-06(上接第167页(2 发动机转速迅速下降, 且中间轴转速与发动机转速脱离, 表明操作人员已经松开油门踏板, 并踩下离合器踏板, ;(3 , 这表明车辆(和状态(2 一样, 操作人员又进行下一次换档操作;(5 高低档开关亮, 表明现在变速箱在高档区参考文献【1】杨棣, 等1机床动力学M1机械工业出版社,1983:199-2101进行档位转换。通过数据采集系统采集到的数据曲线, 可以非常方便地分析出车辆当前的运行状态。4结论该数据采集系统是研制A MT 系统时进行系统调试的一个得力的工具。它

16、直接应用了T MS320LF2407A 中自带的CAN 模块进行数据传输, 具有很高的传输速率, 每秒钟传输200帧数据。应用了LabV IE W 强大而灵活的特点, 并配以US BCAN 接口卡可以迅速地搭建了上位机采集程序, 该系统在研制AMT 系统的过程中起了非常重要的作用。通过大量的实验, 表明该系统软硬件工作稳定可靠, 可以实时地显示车辆的当前状况, 为研究人员提供了一个直观、快捷、精确的数据采集分析平台。【2】韩兴瑞1机床切削振动的结构动力学模型的探讨J .机床与液压, 2003(4 1【3】A ltintas Y 1, Budak E 11Analytical p redicti

17、 on of stabilityl obes in m illing J 1Annals C I RP, 1995, 44:357-3621【4】Yusuf A ltintas 1数控技术与制造自动化M1化学工业出版社, 20021【5】Y 1A ltintas, P 1Lee 1A General Mechanics and Dyna m icsModel f or Helical End M ills J 1Annals of the C I RP, 45/1/19961【6】Y 1A ltintas, S 1Engin 1Generalized Modeling ofMechanicsa

18、nd Dyna m ics of M illing Cutters J 1Annals of the C I RP, 50/1/20011【7】王立刚, 刘习军, 贾启芬1机床颤振的若干研究和进展J 1机床与液压, 2004(11 1【8】吴雅1机床切学系统的颤振及其控制M1科学出版社, 19931【9】BYM arian W iercigr och, Erhan Budak 1Sources of Nonlin 2earities, Chatter Generati on and Supp ressi on in M etal Cut 2ting J 1Phil 1Trans 1R 1Soc 1Lond 1A, 2001, 359:663-6931参考文献【1】李洪斌, 张承瑞1基于有限状态机的AMT 车辆传动系统建模研究J 1公路, 2005(7 :168-1691【2】刘和平, 等1T MS320LF240X DSP C 语言开发应用M1北京:北京航空航天大学出版社, 20