現代高速切削加工刀具減振技術

文章導讀：

1. 被動減振技術

被動控制是通過增加切削系統剛度、阻尼或者附加被動動力吸振器(Dynamic vibration absorber,DVA)吸收振動來抑制顫振的方法。

（1）材料減振。利用材料減振方法主要是使用高強度的新型材料來增加刀具質量和靜剛度來防止顫振，剛度和強度都比較大的硬質合金材料備受青睞。

日本東芝公司將減振刀桿的兩邊平行的切除一部分，鑲嵌上硬質合金材料，這種三明治結構受到硬質合金材料自身剛度和厚度以及鑲嵌粘結緊密程度的影響，最大長徑比也只有6，如圖1所示。山特維克可樂滿公司在鏜桿內如注入比重較高的類似水銀的重金屬增加靜剛度，但是這種鏜桿在鏜削加工過程中一旦斷裂會產生很嚴重的環境污染，如圖2所示。美國的肯納公司生產的減振刀具（刀桿最大長徑比L/ D=8）主要是采用特殊的材料制成，也屬于提高刀桿靜剛度的一種，如圖3所示。日本三菱公司采用新型材料和結構的減振鏜桿，其商標為Dimple，為了提高鏜桿的減振性能且保證鏜桿靜剛度，三菱公司在設計種鏜桿時，大幅度的減輕了鏜桿鏜削頭的質量，如圖4所示。國內的一些減振刀具很多都處于研究階段，采用的都是增加刀體靜剛度的方法，例如鎳基重合金防振刀具等。但是大部分的減振措施都是在工藝上進行改良或是在加工過程中采用一些技巧。

圖1 三菱減振鏜桿

圖2 山特維克可樂滿減振鏜桿

圖3 肯納減振鏜桿

圖4 三菱減振鏜桿

此外，Nagano S、Takayuki K采用基于樹脂的碳纖維增強塑料增強鏜桿抑振性能。Lee D G等設計的鏜桿，利用高剛度碳纖維環氧復合阻尼，長徑比為10.7時顫振還沒發生。吳能章、周利平對鏜桿的芯部嵌入硬質合金的新型刀具進行了分析，在允許的精度范圍內制作長徑比較大的刀桿。Hwang HY、Kim JK等人，通過采用特殊的材料——高剛度碳纖維復合型材料來制造鏜桿，來提高鏜桿的靜剛度，從而達到降低鏜桿振動的目的。研究表明這種鏜桿在長徑比為10時，其在切削過程中的振動還不是很明顯。西華大學則從復合材料角度來研究刀具的靜剛度。專家學者早年就在新型材料上進行深入探究,并取得較好成果應用在生產上,并且新型高強度材料的應用能很好的和其他減振方法有機結合,但是應用新型材料一般成本較高。

（2）阻尼減振。阻尼減振原理，主要通過增大系統阻尼系數使得振動的能量加速損耗，達到振幅迅速衰減的目的。Hahn、R.R曾把液體阻尼的蘭契斯特阻尼應用在鏜桿，質量塊放在靠近刀具的一端的空腔里，注入油介質并保證質量和孔壁之間的徑向間、軸向間隙根據體積和介質調整。

黃宏彪將擠壓液膜阻尼技術應用于精鏜孔加工中，對精鏜孔加工液膜阻尼系統進行仿真，分析了液膜阻尼器各相關參數對減振效果的影響規律。

何將三從彈性力學基本理論出發，討論了層復合阻尼鏜桿的結構和動力學模型，鏜桿發生機械振動時，粘附的阻尼層隨鏜桿作彎曲振動，阻尼材料產生交變的拉壓應力和應變，使結構的振動能量得到損耗而達到減振效果。

山東大學夏峰等人設計的約束型減振鏜桿，如圖5所示，包括四個部分：鏜刀頭、基體層、阻尼層和約束層，并通過實驗驗證相同長徑比（L/D=6）下，采用該鏜桿所得到的表面粗糙度較普通鏜桿降低50%，證明了約束型阻尼減振鏜桿的良好抗振性，目前該鏜桿還只是處于試驗階段。

（3）摩擦減振。葉偉昌等在鏜桿內部放置一重塊，被支承在兩個彈簧中間，重塊選用密度大的材料，在鏜削加工過程中，腔內組合件組成一個動態系統，該系統在支承面上連續不斷地運動，產生一種吸收鏜桿振動的阻尼摩擦，可減小鏜桿的振動。類似的還有扭轉摩擦減震器（Lanchester damper），它用彈簧連結系統的主質量和附加質量，如圖6所示。

日本的Ecita Edhi等在鏜桿內設計摩擦減振器，通過調整永磁塊、振子質量、空間三者關系，改變摩擦消振能力，從理論和實驗都證明摩擦阻尼器有效抑制赫茲附近的高頻顫振。摩擦減振原理主要通過主結構與附加質量的摩擦中消耗能量，來抵消鏜桿振動時的能量，具有非線性的特點。

圖5 約束阻尼型鏜桿結構

1.刀頭 2.基體 3.阻尼層 4.約束層

圖6 采用彈簧支承高密度金屬塊的鏜桿

趙東等探討了一種新型耗能摩擦阻尼器的耗能原理及其在重型機械振動控制中的簡單變力雙向摩擦阻尼器。如圖7所示，工作時，外殼體或活塞中的一個與振源機械連接，另外一個固定在基礎上。振源機械振動時，帶動阻尼器的活塞和外殼體產生相對運動，在摩擦力的作用下，滾柱轉動，由間隙最大的位置向間隙較小的位置滾動，從而對彈性體進行擠壓，彈性體產生的抵抗力使滾柱與外殼體產生摩擦力，消耗振動能量。

瑞士Rego-Fix公司則現階段新推出一種Xtended Length（X L）加長型刀柄。X L刀柄的特點是該公司對微摩擦阻尼（MFD）系統的開發和應用，該技術可有效減小刀柄以及刀具的振動。這種加長刀柄采用CAT、BT、HSK和Rego-Fix CAPTO錐度的接口型式。已有的產品系列為該公司刀柄的ER16、ER32、PG10、PG15和PG25系列。

刀具夾頭材料的密度越大，其減振性能就越好。為了在不使用昂貴的重金屬夾頭的情況下，在長懸伸加工中獲得良好的減振效果，夾頭上組合使用了兩種不同類型的鋼制部件，從而產生了一種能消除共振的“微摩擦阻尼效應”。

總的來說，基于摩擦阻尼器的減振技術仍屬于被動控制的范疇，不需外部能源，一般只對某種設定的振動特性進行控制，缺乏跟蹤和調節能力。材料和工藝方面的問題主要是控制摩擦力，摩擦力對環境和荷載能十分敏感，當溫度、正壓力發生變化，以及發生多方向滑動時，摩擦力都會發生變化,反復滑動還會使結合面磨損。摩擦阻尼器存在長期的可靠性與維修問題。

（4）動力減振。動力減振原理與沖擊式或摩擦式減振器不同，它不是靠消耗能量來減振。而是利用附加質量的動力作用，使彈性元件加在主系統的力與干擾力盡量平衡來減弱振動的。在設計吸振器時，可根據主系統的質量和固有頻率選定吸振器的質量，并進一步求出剛度和阻尼比。根據作用方式的不同，可分為主動式和被動式兩種，被動式一旦被設計好固有頻率，動剛度都不能改變，而主動式可以通過調節子系統改變鏜桿的動剛度，適應范圍較廣。

肯納公司產品中有主動式可調的動力減振鏜桿，如圖8所示。山特維克可樂滿減振鏜桿（最大長徑比L/D=16）是目前世界先進的鏜桿，它所采取的方法是給鏜桿加內置動力減振器，如圖9所示。山高專利Steadyline系列減振刀具，推陳出新，在刀柄體內采用了一種“動態被動式系統”，該系統中的質量減振器會進行反向振動以抵消第一次彎曲振動，從而可在極端切削工況下有效降低不必要的振動，現已包含鏜頭，如圖10所示。

此外，T r u h a r等人利用Lyapunov方程對減振鏜桿中動力吸振器的位置進行優化。在此之后又有一批學者提出了關于減振鏜桿一系列的優化準則，長春理工大學在刀桿內部加阻尼減振系統來提高刀具的動剛度，和瑞典山特維克可樂滿刀具的設計理念相同，哈爾濱理工大學“高效切削及刀具”國家地方聯合工程實驗室在鏜桿內部加入特殊的動力減振裝置提高刀具的動剛度。

（5）沖擊減振。沖擊減振器是常用的減振裝置，工作原理是由一個自由質量反復沖擊振動體而消耗其振動的能量，進而達到減振目的。這種沖擊式減振鏜桿雖因沖擊碰撞產生噪聲，但結構不復雜，體積小重量輕減振效果好，適用頻率范圍大，包括內沖擊式和外沖擊式兩種。

圖7 簡單變力雙向摩擦阻尼器1.外殼體 2.活塞（截面為矩形） 3.彈性體 4.滾柱 5.空腔 6.耐磨襯層

圖8 肯納動力減振刀具

圖9 山特維克可樂滿動力減振鏜桿

圖10 山高Steadyline減振鏜桿

20世紀80年代，Popplewel發明了豆包減振器(Bean Bag Impact Damper)。其結構是將沖擊減振器內有數個裝有大量鉛粒的柔性包袋。在收到器壁沖擊時，包袋的柔性表面可起到緩沖作用，然后作用力傳遞到包袋內部，則鉛粒之間再互相摩擦碰撞，以此來耗散能量。

李偉利用離散單元法模擬了BBD在不同振動參數的減振效果。主系統的固有頻率越高，激振力越大時，BBD的減振效果越好，如圖11所示。但當激振力增加到某一定值時，豆包的效果便趨于平緩，說明它存在一個減振的極限值。同時改變BBD的結構參數后模擬發現，其對減振效果影響很小。但是目前對于沖擊減振器的研究目前還處于實驗階段，市場上尚無產品出現。

2. 主動減振技術

主動控制方法基于反饋控制的原理，檢出系統目標狀態量的變動，然后把與該狀態量反相的同頻率、同幅度控制量加到這個狀態量本身或作相應變動后加在別的狀態量上。對于頻率低的大型鏜桿主動控制優勢更加突出。

劉春穎采用壓電陶瓷作為控制元件，采用遺傳算法對壓電片的貼放位置進行了優化，對鏜桿再生型顫振進行了主動控制仿真研究，通過在鏜桿中內置壓電疊堆并在鏜桿外粘貼壓電片2種途徑，有效控制了鏜削過程的顫振幅度。劉鵬利用壓電陶瓷(PZT)的正負壓電效應，將負責感知的壓電片得到的電信號反向放大后加到負責執行的壓電片上，產生反向振動來抑制切削振動。梅德慶等人，他們依據磁流變液能夠在液態和固態之間快速的進行連續可逆的轉換特性，發明了磁流變液減振鏜桿。這種鏜桿在切削過程中能夠適時地改變磁流變液中磁場的強度，使鏜桿在切削過程中避開切削振動頻率，從而有校的降低了鏜桿在切削過程中的振動，如圖12所示。kesson等設計了自適應控制器對基于壓電驅動的抑振鏜桿進行了主動控制。

由于閉環控制對抑制顫振效果好并且可靠性高，采用此控制方法是比較理想的，然而現實實現還是有一定難度的，首先必須對切削過程和切削系統進行精確建模，精確建立滿足實際要求的切削加工過程閉環控制模型是有一定難度的，而且要求設計和制造一套自動控制系統及一套支持控制系統的能源裝置，成本較高，所以現今多數停留在實驗室階段。目前應用于主動控制的主動控制元件有壓電陶瓷、記憶合金，控制方法多采用基于BP融入人工神經網絡控制、粒子群控制和自適應控制器等。

3. 半主動減振技術

圖11 豆包減振器

圖12 磁流變液減振鏜桿的結構圖

1.底座 2.支撐套 3.電磁鐵芯 4.端蓋和密封圈 5.鏜桿 6.鏜刀孔7.加速傳感器 8.勵磁線圈 9.磁流變液 10.線圈殼體

半主動控制機構是在不向被控系統輸入能量的條件下仍然具有實時調控的能力的機構。其主要優點是減振器的參數可根據實際振動情況實現自適應調節。智能材料元件質量輕，嵌入性好，多被用于傳感元件和致動元件，并且不影響結構的固有性能，還可以提高整個控制系統的可靠性?；谥悄懿牧系陌胫鲃涌刂品椒ㄅc主動控制方法相比，沒有能量直接輸入到切削系統中，而是通過智能材料調整切削系統的動態特性參數以避免切削顫振的發生。王民利用電流變材料設計了一種具有在線可調動態特性的智能化鏜桿，通過連續小范圍地改變鏜削系統固有頻率，成功地實現了切削顫振的在線抑制。梅德慶等把磁流變材料應用于鏜削系統，改變鏜桿剛度從而有效抑制顫振。甘新基通過調整附加在鏜桿上的壓電片的驅動電壓，可在一定程度上抑制鏜削加工過程中的顫振。然而學者們的研究也僅僅是局限于實驗研究，目前刀具市場上未見此類產品出現。