【正文】 的接口之間。阻尼器對(duì)高頻也有效，因此無需調(diào)諧，本文首先介紹了一種在精鏜中消除高頻顫振的摩擦阻尼器的典型設(shè)計(jì)，其有效性由切削試驗(yàn)得以證明，并保證刀尖的正常壽命。對(duì)這種新型阻尼器基本原理的理解在理論和實(shí)驗(yàn)分析中得以介紹。在鏜削過程中這種新型阻尼器能夠有效的防止超過5000赫茲的顫振。關(guān)鍵詞 ： 高頻振動(dòng) , 摩擦阻尼器 , 精鏜 引言 金屬切削中的振動(dòng)總體上是受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)引起的。受迫振動(dòng)是由回轉(zhuǎn)件的失衡引起的，比如失衡的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，伺服不穩(wěn)定或者多齒零件的撞擊。受迫振動(dòng)可以認(rèn)為是由振動(dòng)頻率和受迫力頻率對(duì)比引起的，但相應(yīng)的措施可以被用來減小或消除這些振動(dòng)來源。 自激振動(dòng)包括兩部分：基本類型（不可再生類型）和再生類型。不可再生式自激振動(dòng)出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)件的波動(dòng)表面對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)沒有相影響的時(shí)候，如車螺紋。因此它只和切削過程中受到的力有關(guān)。再生式自激振動(dòng)是因?yàn)楣ぞ咄ㄟ^時(shí)，系統(tǒng)的振動(dòng)和回轉(zhuǎn)件的波動(dòng)表面相互作用產(chǎn)生的，再生式自激振動(dòng)對(duì)加工過程的影響最為不利。 先前有研究報(bào)告稱精鏜中出現(xiàn)超過10000赫茲的高頻顫振。這種頻率首先發(fā)現(xiàn)于留在切削表面的振紋上，然后在切削實(shí)驗(yàn)中直接使用激光位移計(jì)測(cè)量得到進(jìn)一步的證實(shí)。從鏜刀的自然彎曲振動(dòng)以及自我激發(fā)的切削過程中的動(dòng)力學(xué)再生效果、內(nèi)調(diào)制虛部的影響和xy方向的循環(huán)發(fā)現(xiàn)了這種顫振。本研究的目標(biāo)是防止這種顫振振動(dòng)的發(fā)生。預(yù)防切削顫振的有效措施可能是通過提高刀具系統(tǒng)的阻尼能力。阻尼能力是通過以下方面產(chǎn)生的：（1）包含在刀具系統(tǒng)接口處的某些微量滑動(dòng)；（2）在晶界滑移內(nèi)部振動(dòng)引起的阻尼損耗（內(nèi)耗）；（3）在主振動(dòng)結(jié)構(gòu)和振動(dòng)阻尼器接口處的摩擦。許多研究人員對(duì)不同類型的用以防止顫振振動(dòng)，并提高鏜刀或其他切削操作穩(wěn)定性的阻尼器進(jìn)行了研究。該阻尼器已不是傳統(tǒng)阻尼器的動(dòng)態(tài)特性或沖擊特性了，動(dòng)態(tài)阻尼器包括額外的彈簧質(zhì)量子系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的固有頻率，使之與主體結(jié)構(gòu)相匹配。一般動(dòng)態(tài)阻尼器設(shè)計(jì)包括任意方向的滑動(dòng)或內(nèi)部摩擦耗能的彈性材料。彈性阻尼器由一個(gè)或多個(gè)的自由移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其原理是利用自由移動(dòng)體撞擊主體結(jié)構(gòu)來耗散顫振能量。阻尼器受一定的速度影響才能有效的發(fā)揮其功能，因此不能適用于抑制低頻振動(dòng)。近來有報(bào)道一種動(dòng)力與摩擦混合阻尼器，并發(fā)現(xiàn)它能有效地抑制低頻振動(dòng)。本文中所設(shè)計(jì)的阻尼器必須能有效地抑制高達(dá)10000赫茲的高頻率顫振，而且它的設(shè)計(jì)受到鏜刀本身的工作空間及其自身大小的限制。它最完美的地方就是不需要調(diào)整。該阻尼器在本研究提出一個(gè)大規(guī)模隸屬永磁結(jié)構(gòu)的概念。本研究的目的是為了分析抑制高頻振顫阻尼器的有效性及其阻尼特性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，已進(jìn)行一個(gè)類似于抑制精鏜中高頻顫振的切削試驗(yàn)以及理論和實(shí)驗(yàn)的能源阻尼耗能分析。鏜刀測(cè)試和阻尼器結(jié)構(gòu)的構(gòu)想根據(jù)研究，在精鏜中原本有一個(gè)高頻顫振問題，鏜刀本身包括一個(gè)直徑分別為13毫米和20毫米的長(zhǎng)懸臂桿和法蘭。，以適應(yīng)5毫米或孔徑更小的阻尼器。該孔的位置選擇在徑向方向，因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道高頻振動(dòng)在XY方向循環(huán)。當(dāng)鏜刀空轉(zhuǎn)時(shí)，阻尼器被孔壁的離心力推動(dòng)但可以再徑向方向自由移動(dòng)。上限用以保護(hù)運(yùn)行中的阻尼器。該阻尼器的有效性已經(jīng)通過了檢測(cè)并準(zhǔn)備和其他鏜刀做比較。用作比較的工具之一具有相同直徑的長(zhǎng)懸臂桿即直徑為13毫米，但其延伸超出了前沿10毫米并產(chǎn)生約5000赫茲的顫振振動(dòng)。其他與之比較是16毫米直徑懸臂式鏜刀，將以更大的長(zhǎng)徑比產(chǎn)生較低頻率的顫振振動(dòng)。新型摩擦阻尼器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)附加質(zhì)量和永久磁鐵的組合，其中質(zhì)量平面平行于主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方向。磁鐵可以是不可分割的或者是可分割的都行。另一部件，墊片，可以插入到永久磁鐵和主要結(jié)構(gòu)之間，其目的是控制電磁力的大小。新型摩擦阻尼器在抑制高頻振動(dòng)的有效性已得到積極評(píng)價(jià)。系統(tǒng)模型加工系統(tǒng)通?？梢员荒M成帶有邊界范圍的一維分布式結(jié)構(gòu)。對(duì)于一個(gè)不回轉(zhuǎn)的鏜削加工，工件比鏜刀本身還硬。典型鏜刀的扭轉(zhuǎn)硬度比彎曲硬度要大，因此它可以被模擬成一種懸臂梁。使用一維分布式結(jié)構(gòu)的彎曲歐拉梁，動(dòng)力學(xué)平衡方程式如下： （1）是沿著橫梁的距離，為時(shí)間，為集中力，E為彈性模量，為密度，A為截面面積。古典偏微分方程的解決方案通常使用本征函數(shù)展開。響應(yīng)通過無數(shù)個(gè)組件模式之和來表達(dá)： （2）和 (i=1,2, …∞)分別是系統(tǒng)的模態(tài)形狀和模態(tài)坐標(biāo)。這種模態(tài)形狀通常使之標(biāo)準(zhǔn)化： （3）L是懸臂梁的長(zhǎng)度，δ 是狄拉克函數(shù)運(yùn)動(dòng)的方程式可以用模態(tài)坐標(biāo)來描述：. （4）是模態(tài)力：. (5)應(yīng)該指出，在實(shí)際中式組件的數(shù)量通常用n替代無窮。在一個(gè)主導(dǎo)模式的情況下，n =1.在切削力和刀具在切削過后留下的起伏不定的工件表面相互作用下，方程式1變?yōu)椋? (6a)是切削剛度，由工件材料和刀具形狀決定的，B是切削深度，T是周期，μ是重疊因子， μ在0到1之間變化，在最壞的情況下（μ=1），上式變?yōu)椋? (6b)運(yùn)用模態(tài)坐標(biāo)來表達(dá)動(dòng)力方程式，和方程1到4相同的步驟： (7)b=是關(guān)于切削深度的無量綱參數(shù)，是第個(gè)模式下的自然頻率。 方程式7是結(jié)構(gòu)無阻尼自由振動(dòng)微分方程，事實(shí)上因?yàn)闆]有純粹的結(jié)構(gòu)無阻尼自由振動(dòng)微分方程存在，假設(shè)結(jié)構(gòu)存在粘滯阻尼，方程式就變?yōu)椋? (8)通常是個(gè)0到1間很小的正數(shù)，最常用的是≤. 實(shí)驗(yàn)方法為了驗(yàn)證該阻尼器控制顫振的有效性，并保證正常的刀具磨損和表面粗糙度，切削試驗(yàn)將與其設(shè)計(jì)尺寸一樣，與13毫米直徑的鉆孔工具配合使用。這樣的話，鏜刀安裝在一個(gè)臥式加工中心的主軸上，通過設(shè)置調(diào)整孔直徑以自動(dòng)控制刀尖徑向位置。將內(nèi)表面是由旋轉(zhuǎn)刀具鏜加工的環(huán)型工件準(zhǔn)備好。工件的材料是SCM420H合金鋼，淬火至硬度為313～332HBS，外徑為25mm，177。，長(zhǎng)度為15mm。工件由專門設(shè)計(jì)的具有足夠硬度的夾具裝夾。切削試驗(yàn)是在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行的，切削速度為130m/min，,，切削過程中不使用任何切削液。一種新的尖端技術(shù)在加工過程中不斷調(diào)整加工條件。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)兩次，其中一次在鏜刀系統(tǒng)中安裝阻尼器，而另一次不安裝。刀具材料用的是非涂層TiC金屬陶瓷，其軸向前角為50，徑向前角為150。對(duì)于直徑為16毫米的工件振動(dòng)的測(cè)量，準(zhǔn)備用另一個(gè)安裝程序?qū)h(huán)行工件的外表面固定。這樣的話，工件被夾緊使測(cè)試在一對(duì)立式加工中心機(jī)床基板上舉行。環(huán)行工件和機(jī)床主軸一同旋轉(zhuǎn)。5. 摩擦阻尼器的機(jī)理分析 理論分析振動(dòng)的產(chǎn)生，一旦達(dá)到一定的振動(dòng)幅度，阻尼器將開始滑動(dòng)，由此引起阻尼器的主體結(jié)構(gòu)和界面的摩擦，從而耗散振動(dòng)能量，并防止振幅不斷增大甚至超出極值振幅。 實(shí)驗(yàn)分析為了確定該假設(shè)庫侖力和粘性摩擦的區(qū)別，一個(gè)主體結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)的兩個(gè)理論模型的有效性監(jiān)測(cè)了二者的不同狀況，并激發(fā)了電動(dòng)式激振器外部。用作主體結(jié)構(gòu)的是一直徑為16毫米的懸臂鋼梁，它和原長(zhǎng)為170mm的鏜刀具有相似的設(shè)計(jì)，其二階彎曲頻約能達(dá)到5700Hz。在檢測(cè)梁的端部振動(dòng)時(shí)將使用微型加速度測(cè)量計(jì)。阻尼器主體結(jié)構(gòu)的頂部有一磁鐵，并通過此處與油管口相接。首先采用隨機(jī)激勵(lì)確定主體結(jié)構(gòu)的固有頻率。然后是應(yīng)用在正弦激勵(lì)變幅的動(dòng)力輸入f至z微調(diào)周圍隨機(jī)激勵(lì)確定固有頻率。與此同時(shí)，用FFT分析儀分析振幅在主體結(jié)構(gòu)出的響應(yīng)差異。激發(fā)各周期能源供應(yīng)量的正弦振動(dòng)是從測(cè)量f時(shí)開始的，計(jì)算如下當(dāng)x是降低阻尼器或與供油接口相連接時(shí)，主體結(jié)構(gòu)的振幅也降低了。當(dāng)使用阻尼器時(shí)，振幅x將不會(huì)增大。對(duì)于較低的頻率，雖然也能有一定大的抗振效應(yīng)，但效果并不明顯。結(jié)論在這篇論文里，一個(gè)從波的觀點(diǎn)出發(fā)在一定頻率范圍內(nèi)吸收振動(dòng)能的減振器被應(yīng)用在再生振動(dòng)的鏜削過程中。盡管在系統(tǒng)中有一個(gè)主要的模式主導(dǎo)響應(yīng)，但剩下的模式也或多或少影響著系統(tǒng)的振動(dòng)。此外，當(dāng)控制器僅僅由主模式來設(shè)計(jì)時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)控制溢流（被用來控制主要模式的力會(huì)引起剩余模式的變化），就像從勃朗寧實(shí)驗(yàn)觀察的一樣。在這次研究中，控制器在在很寬的頻率內(nèi)設(shè)計(jì)的，阻尼在這頻率范圍內(nèi)的模式上。因此它不僅能消除溢流問題，也能很好地減小主模式和其他模式引起的振動(dòng)。 為了控制頻率高達(dá)10000Hz的高頻顫振，正如以前報(bào)道的精鏜過程一樣，利用一種新的阻尼器與主體結(jié)構(gòu)之間的摩擦效應(yīng)，削弱振動(dòng)能量而達(dá)到減振目的。新的阻尼器由一個(gè)聯(lián)接在主振動(dòng)結(jié)構(gòu)上的附加質(zhì)量與一小塊永久磁鐵構(gòu)成。據(jù)目前的研究已證實(shí)了庫侖力和粘性摩擦在滑動(dòng)界面的產(chǎn)生。由于庫倫摩擦力，發(fā)生在主體結(jié)構(gòu)處的滑移就能抵消一部分顫振能量，而且它們之間大致是呈線性關(guān)系的。如果在此條件下能夠充分的消耗顫振能量，則就可以抑制顫振了。在抑制高頻顫振時(shí)，該阻尼器顯得更為有效。由于受到阻尼器主體結(jié)構(gòu)自身?xiàng)l件的限制，在精鏜中該阻尼器能抑制的最高顫振頻率只能略高于5000Hz。由于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也無需經(jīng)常調(diào)整，使用擬阻尼器抑制連續(xù)切削高頻率顫振（如精鏜等）是一種可行性方法。致謝本研究得到了NT工程公司的大力支持。他們提供了大量的研究材料和工具，得到了Y. Komai先生和M. Nakagawa先生的大力支持和幫助。