基于磁流变材料的车削减振技术的研究
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 课题的提出
车削加工一直以来都是制造业中的主要加工手段，而车削振动现象是制约车削
加工效率和产品质量提高的一个重要因素。在机床发明后的近百年里，众多学者
对于车削振动这一现象进行了较为深入的研究，它的主要危害有： 1) 使零件的加
工表面产生振纹，严重影响零件的表面质量和性能；2）振动使得机床切削加工系
统的内部环节承受较大的周期性负荷，损坏机床零部件的连接、配合关系，降低
加工精度和机床零部件的使用寿命；3）使得刀具更易磨损，更严重的可能造成崩
刀、打刀等现象；4）剧烈的振动会产生较高分贝的噪音，恶化了加工环境。
针对切削振动的诸多危害，很多学者和技术人员致力于控制切削振动的研究，
较为普遍的减振方法有： (1) 改进机床的整体或局部结构，包括对床身、立柱等
重要部件的改进来加强机床的抗震性，这需要较高的理论分析能力以及丰富的设
计经验。（2）在车削振动区域附近使用吸振和隔振器件，主要是在主轴、刀具部
件部位附近增设一个附加振动系统，把主振部位的振动能量转移到附加系统上，
从而抑制主振部位的振动，但这种被动型吸振器需要找到最佳安装位置才能达到
良好效果，且参数一经设置便无法调节，只适合特定的机床与加工状况。（3）改
变切削参变量来避开切削振动区域，这种方法不需要对机床结构进行改造，只需
将工件转速、切削宽度、进给量、刀具主偏角等切削参数进行适当调整以避免切
削振动的发生。该方法相对简单且易于实现。但是也存在一定缺陷，比如要真正
实现变主轴转速控制，必须对供电线路及电动机的负荷能力有充裕的考虑，而且
该方法不适用于精加工；切削深度的改变可能造成加工精度及加工效率的下降；
刀具角度的改变由于要在刀架部位附加调整装置而会给加工操作带来不便。可见
以上几种控制切削振动的方法均存在不同程度的缺陷。
上述各种切削减振方法其本质都是对切削系统的刚度和阻尼进行调整，如能找
到一种可方便的在线调整刚度和阻尼的控制介质，则能对切削振动进行有效地在
线控制。目前新兴的智能材料——磁流变材料则可以满足上述要求。磁流变液是
一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料。它在无外场作用下表现为
流动良好的液体状态，然而在强磁场作用下可在短时间(毫秒级)内表观粘度增加两
个数量级以上，并呈现类似固体的力学性质，其强度由剪切屈服应力来表征，而
且粘度的变化是连续、可逆的，一旦去掉磁场后磁流变液又变成可以流动的液体。
磁流变效应连续、可逆、迅速和易于控制的特点使得磁流变液装置能够被广泛
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应用于各种领域，如在土木工程领域被用于高层建筑、大型桥梁的抗震；在流体
控制领域被应用于各种控制阀的设计；在机械工程领域则被用于制作机器人的活
动关节；在直升机、船舶及汽车工程领域被应用于振动、冲击与噪声的控制等，
它在各工程领域的广泛应用为研究新的切削振动控制方法指明了方向。
近几年已经有学者开始利用电流变、磁流变等智能材料进行机械加工振动控制
的研究。孔天荣等[1]针对深孔镗削过程中的颤振问题，开发了一种基于磁流变液的
智能镗杆构件，通过镗削试验得出：磁流变智能镗杆结构使得镗杆悬伸端的振动
加速度从 300 m/s2下降到 50 m/s2以内。同时与磁流变材料类似的电流变材料在领
域也有较为活跃的应用。王茂华等[2]研究开发了一种控制切削颤振的电流变减振
器，通过实验证实，采用电流变减振装置可以使铣床心轴的振幅降低 50%~80%。
王民等[3]将电流变液应用于镗削加工，研制了一种具有在线可调动态特性的智能化
镗杆，通过连续小范围地改变镗削系统固有频率，成功地实现了切削颤振的在线
抑制。这些研究都为本研究的进行提供了宝贵的经验和可供借鉴的理论支持。
因此，本文提出了利用磁流变材料削减车削加工振动的命题。借助磁流变材
料的优良特性，将其应用于车削系统的薄弱环节，通过在线调整作用于磁流变材
料上的磁场强度来改变车削系统的阻尼和刚度，从而达到抑制颤振的目的，这应
是一种新颖有效的切削振动在线控制方法。本课题受到了上海市教委项目——“磁
流变材料在切削颤振控制中应用的研究”（NO.09YZ224）的资助。
从理论意义和工程实践来看，本论文的研究丰富了车削振动的控制方法，并为
提高车削加工水平提供了可借鉴的方法和手段。
§1.2 国内外研究现状分析
§1.2.1 机床切削颤振相关技术的研究现状
1、切削颤振机理的研究现状
众多国内外学者的研究表明，切削振动主要分为有外加干扰的受迫振动和切
削系统内部自发形成的自激振动。在相对较好的加工环境下，切削振动很大程度
是在没有周期性外力的作用下自发形成的刀具与工件之间强烈的相对振动，也就
是颤振（自激振动）。所以颤振问题一直以来都受到了许多国内外学者的高度关注。
由于颤振具有很强的破坏作用，很多学者对于颤振的形成机理进行了深入的研究，
在这个过程中出现了很多理论，较为权威的有[4,5]：
a）负摩擦理论 1944 年，前苏联学者 首次提出了负摩擦理
论，认为切削力的负摩擦效应是产生切削颤振的主要机理之一。这种效应也被称
作切削力的下降特性，它是指切削力随着切削速度的提高而减小的特性，当在切
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削力具有下降特性的速度范围内进行切削时，如果由于外界的偶然干扰，而使得
刀具和工件的相对振动引起了切削速度的变化，则切削力将随之变化，就有可能
导致颤振。
b）再生效应 1953 年Hahn 提出了切削厚度变化的再生效应，在切削过程中
刀具总是完全地或部分地重复切削到前一次或者前一个刀齿切削过的表面，如果
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
厚度就发生变化。切削厚度的变化引起切削力的波动，将激起刀具和工件的相对
振动，并再次留下振纹，如此重复将开始较少的振纹波及整个加工表面，形成颤
振。
c）振型耦合效应 1954 年捷克学者 J.Tlusty 在切削试验中发现，在机床切削
系统发生颤振时，振动体在空间的振动轨迹不是一条直线而是一个空间封闭曲线，
并据此建立了机床切削颤振的耦合理论。这种现象如今被称为“振型耦合型颤振”。
上述三种效应是国内外学者普遍认同的颤振机理，其中再生效应目前被认为
是颤振最直接的诱因。
对于切削动力学模型的研究，形成了两种流派。Merrit,H.E.等将工件视为刚体
的刀具振动系统，在这种系统中刀具通常被建模成具有单、双自由度的振动系统。
这种模型比较适合长刀具的深孔加工。当进行平面切削时这种模型就不适用了。
在此种加工状态下，很多学者将刀具结构视为刚体，而认为工件的粘弹性远大于
刀具结构的粘弹性，据此 Elamecki 等建立了柔性工件结构的 Euler-Bernoulli 梁模
型。近来学者 Erturka 等将用于解释横向剪切效应的 Timoshenko 梁理论应用到了
车削振动研究中[6]。
2、颤振监测技术的研究现状
近年来迅猛发展的传感、信号处理、微型计算机技术为切削振动控制技术的
发展提供了新的方向——切削振动的在线监测和控制，这项技术可以延伸人的感
知能力，代替人来对切削状态进行监测，根据监测结果，自动调整系统的某项参
数，使切削系统处于稳定状态，实现切削加工的在线控制。近年来已经有很多国
内外学者投入到该技术的研究中。该技术包括切削振动在线监测技术与切削振动
在线控制技术两方面。
切削振动的在线监测技术需对切削信号进行实时地采集，而后快速准确地提
取时域和频域的变化特征，为后继控制系统的决策提供依据。该技术是计算机技
术、传感技术、信号处理技术和专家经验的融合，可概括为硬件和软件两个方面
的内容。
切削振动在线监测系统的硬件主要是由传感器、放大器、数据采集卡、计算
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机等仪器设备组成，其中传感器可扩展人的感知能力，随着现代信息处理技术以
及计算机技术的高速发展，它已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件。
在切削振动在线监测系统中，传感器作为系统的前端单元，能把表征切削状
态的物理量转变成便于利用的电信号，是被测信号输入的第一道关口，其重要性
变得越来越明显。因此，切削振动在线监测的硬件技术关键就在于能否正确合理
地选择和利用传感器。最为常用的有位移传感器、加速度传感器，因为它们最能
直接地反映机床切削的平稳性。有学者尝试采用声音[7,8]、光[9]等信号对切削振动
进行监测。福罗里达大学的 J. Tlusty 等[7]通过麦克风采集机床振动时的噪声信号来
监测振动，试验结果表明利用该信号能对振动进行较好的监测。但是使用该方法
对机床所处环境要求较高，并且需要信号采集系统具有良好的去噪能力；普度大
学的 Yung C. Shin 等[10]利用声发射传感器监测磨削过程中工件和砂轮的振动情况，
由于该传感器独特的性能，可以有效地避免外界干扰信号的影响。
一般来说，传感器采集的原始切削加工信号不能直接用于监测颤振是否即将
发生，还需要经放大及 A/D 转换后输入计算机，通过软件技术对其进行适当的处
理，提取出对切削振动敏感的、易于判断的特征量（如信号方差、相关函数、均
方频率等），进而对切削状态进行判定。
目前已被提出的特征量大致分为两类：时域特征量和频域特征量。许多研究
表明：切削过程从稳定状态向不稳定状态过渡时，振动信号具有时域上振幅逐渐
增大、概率密度函数由正态分布向盆形分布过渡、频域上频带由宽带向窄带过渡
等特征。
时域特征量主要是利用概率统计方法分析计算获得的。吴博达等[11]利用振动
信号 y(t)在采样周期内穿越 y=0 的次数与 y(t)在同一周期内的峰、谷点数之和的比
值R作为监测切削稳定性的参数，当比值趋近于 1时表示切削过程失去稳定性。
梅志坚等[12]将振动位移信号的相关函数作为特征量。Eman K 等[13]根据 ARMA 模
型得到系统的模态阻尼比，利用模态阻尼比作为预报参数进行颤振预报。还有学
者[14]利用 Dempster-Shafer 证据论方法对功率和加速度传感器两种信息进行数据融
合，试验与理论分析表明：经过信息融合得到的基本概率分配函数可作为颤振状
态的识别参数。时域特征量运算方便、快捷，但是时间序列模型的建立和可靠的
特征量选取比较困难，且时域特征量容易受到噪声信号的干扰。
鉴于从平稳切削到发生颤振时系统频域内能量分布的显著差别，很多学者也
致力于频域特征量的研究。T.Inamura 等[15]将颤振谱峰值与空运转状态同一频率的
谱峰值之比作为特征量，在比值超过某一极限值之后就判断颤振即将来临。吴雅
等[16]利用车床尾架顶尖处 z向振动加速度信号的互谱、共谱、重谱等作为特征量。
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与时域特征量相比，频域特征量更具有可观测性和准确性，但是运算量较大，速
度较慢。
为了判定切削过程是否处于颤振状态，需要对提取的特征量设定一个阈值。
当特征量超过这一设定值时，即认为切削系统将发生颤振，显然该阈值设定的是
否合理直接关系到颤振控制的及时性和准确性。研究表明切削过程是复杂的时变
系统，从平稳切削阶段到发生颤振是一个渐变的过程，随着加工条件的改变，无
论是时域特征量还是频域特征量，其颤振阈值也将随之变化，这就给阈值的设定
带来了困难，如果只采用单一的时域特征量或是频域特征量预报颤振，难免会产
生误判和漏判。因此如何通过阈值的设定来准确判定切削状态一直是制约颤振预
报技术发展的瓶颈。
近年来发展起来的智能控制技术弥补了上述缺陷，新加坡国立大学的 A. Y. C.
Nee 等[17]使用基于自适应共振理论的神经网络模型（ART2 Neural Network），将 2
个加速度信号的相关函数、声发射信号的功率比作为网络的输入，通过较少样本
的训练，即对颤振进行了成功的预报，该方法可同时避免传统建模方法的繁杂和
仅用单一阈值造成的误判。康晶等[18]提出了利用基于离散隐马尔可夫模型(DHMM)
的模式识别理论来预报颤振的新方法，试验证明该方法对颤振孕育过程的识别是
十分有效的，其预报准确率达 93.3%。
3、颤振控制技术的研究现状
基于现代传感、检测和控制技术的切削振动控制，更是展现出一派欣欣向荣
的景象。主要形成了调整切削参数方法和振动控制方法这两个分支。
调整切削参数的方法就是通过在线调整主轴转速、进给量、切削深度、刀具
工作角度等切削参数对颤振进行抑制。这种控制方法相对其他方法来说比较简单，
易于实现。包善斐等[19]研制了时变进给系统来抑制颤振，试验表明：时变进给量
变化幅度及变化频率越大，抑制效果越好，该方法比较适合在自动化加工系统中
应用。然而当切削深度大于 1mm 时，应用该方法控制振动的效果并不理想。F. Yang
等[20]通过试验证明：在同等条件下，连续改变刀具前角，可以更有效地削弱颤振，
并且抑振效果随着前角改变频率的提高而提高。但该方法需要附加在线调整刀具
角度的装置，使切削操作受到一定程度的限制。Smith[21]发现了切削系统内部的一
个规律：调整主轴转速使颤振频率等于切削系统固有频率时，刀具振动波纹和工
件表面波纹之间相位差等于 2π，这时系统稳定性最佳，颤振将受到抑制。Alpay
Yilmaz 等[22]提出了主轴转速的多步随机变化方法，数字模拟和切削试验均表明该
方法可有效提高切削系统的稳定性。调整主轴转速是众多调整切削参数抑振方法
中最受推崇的方法，但要真正实现变切削速度控制，必须对供电线路及电动机的
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负荷能力有充裕的考虑，而且该方法不适用于精加工。
而振动控制方法有主动控制和被动控制之分。主动控制方法利用反馈控制原
理，对切削系统中某一状态量的变化进行监测，然后把与该状态量同频率、同幅
度但反相的控制量加到这个状态量本身，或作相应变动后加在其它状态量上。刘
鹏等[23]将主动控制与切削振动理论相结合，在车刀刀杆上粘贴了压电传感器和压
电执行器，将负责感知的压电片得到的信号反相、放大处理后加到负责执行的压
电片上，产生反相振动，以抑制切削颤振。试验结果显示，该控制系统对于低速
切削情况下的不同转速和背吃刀量的振动都有着良好的控制效果。密西根大学的 C.
Mei 等[24]通过对铣削系统建立状态方程、设计了基于再生效应切削动力模型的最
优控制器，试验表明利用该控制器可使系统的振动情况大为改善。
被动控制方法主要是通过在系统中加入吸振部件来达到减振抑振的效果，它
有消极和积极之分。前者不必附加能源，减振器结构简单、工作可靠，已经得到
了广泛的使用。李启堂等[25]在镗刀杆上添加被动式动力吸振器，对于在较小范围
内变化的扰频实现了较好的减振效果。这种方法主要是通过在系统中加入吸振部
件来达到减振抑振的效果，其缺点就是吸振部件一旦设计好后，性能参数就固定
不可调，只能控制特定的振动情况，而不能适应多变的加工状况。
积极地被动控制又称为半主动控制，它需要附加能源，优点就是减振器的关
键指标（刚度、阻尼等）可以根据实际情况进行调节。半主动控制既具有主动控
制的控制范围宽、适应性强的优点，又具有被动控制的高可靠性，但要将其成功
应用于切削颤振控制中，还需寻找响应速度快、控制方便的调节执行介质，目前
智能材料中的电、磁流变材料能很好地满足这项要求。徐平等[26]根据磁流变效应，
设计了一种基于磁流体——泡沫金属的阻尼器，它通过与传感器、电荷放大器、
计算机等设备的协同工作，最终实现了集数据采集、处理、状态显示为一体的响
应速度快、控制精度高的机床颤振在线控制。王安民等[27]利用机床动力学原理对
数控车床的动态特性进行了分析，得出主轴组件是切削振动的薄弱环节，由此在
主轴上设置了电流变液阻尼器，并采用振幅为特征参数进行实时控制，从而提高
了车床的抗振性。
现阶段研制出的大多数电流变材料，其剪切强度较低、稳定性差等缺点已成
为该技术成功应用的瓶颈。而与电流变材料相近的磁流变材料由于已有多种成熟
的商品问世，且其制成的阻尼器与电流变阻尼器相比具有体积小、屈服应力较高
（50～100kPa）、控制电压低等优点而展示出了更好的工程应用前景。
§1.2.2 磁流变技术的研究现状
1、磁流变效应机理及材料的研究现状
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第一章绪论1第一章绪论§1.1课题的提出车削加工一直以来都是制造业中的主要加工手段，而车削振动现象是制约车削加工效率和产品质量提高的一个重要因素。在机床发明后的近百年里，众多学者对于车削振动这一现象进行了较为深入的研究，它的主要危害有：1)使零件的加工表面产生振纹，严重影响零件的表面质量和性能；2）振动使得机床切削加工系统的内部环节承受较大的周期性负荷，损坏机床零部件的连接、配合关系，降低加工精度和机床零部件的使用寿命；3）使得刀具更易磨损，更严重的可能造成崩刀、打刀等现象；4）剧烈的振动会产生较高分贝的噪音，恶化了加工环境。针对切削振动的诸多危害，很多学者和技术人员致力于控制切削振动的研究，...
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作者：陈辉
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时间：2024-11-19
