薄壁零件的加工顫動研究

張弟

摘要：學術界和工程界一直關注的研究熱點就是工件與刀具之間的顫動。由于自身結構特點，薄壁零件在加工過程中極容易發(fā)生切削震動和變形，這對于提高加工效率及加工質量是極為不利的。本文通過回顧切削震動的機理研究歷史，介紹了近幾年逐步發(fā)展起來的切削顫動的非線性分析理論，分析了切削顫動研究中目前存在的問題及未來發(fā)展動向。

關鍵詞：顫動;薄壁零件;非線性理論

引言

薄壁零件是指零件的壁厚小于2mm的零件，主要用于航天航空、機械制造等領域。但由于薄壁零件剛度低、結構復雜、工藝性差、加工余量大，在切削熱、切削力及殘余應力等因素的影響下極易發(fā)生變形和切削顫動。刀具與工件之間的顫動，不僅會破壞加工系統(tǒng)的使用壽命，嚴重時還會使切削加工無法進行，延緩了整個產品的制造周期，大大降低了加工效率。目前整體薄壁結構零件制造技術的水平，已經成為衡量世界各國工業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一。本文通過回顧了切削顫動的研究歷史，在為機械加工過程中減小或消除加工顫動提供了有益的參考。

1.切削顫動的機理研究

切削顫動的機理研究構成了切削顫動理論的內容。各種類型的顫動，根據(jù)其產生的機理，可歸納為下述幾點：

（1）切削厚度變化的再生效應;

（2）振型關聯(lián)效應;

（3）進給速度變化的切入效應;

（4）刀具工作角度的動態(tài)變化效應;

（5）切削力隨切削速度增加而減少的下降特性;

（6）刀具的刀面與工件之間的摩擦系數(shù)，隨相對運動速度增加而減少的下降特性。

在實際中，切削過程受許多復雜因素的影響，使其發(fā)生顫動的大多是上述多個因素共同作用的結果。所以，許多學者近些年一直著力于研究切削顫動的復雜情形，并且提出了一些新的理論和分析方法。

切削因為受到許多因素的影響，所以并不是一個確定的過程。通過將切削系統(tǒng)視為一隨機的振動系統(tǒng)，并且用時間序列的分析方法建立工況下的切削系統(tǒng)模型，進而進行顫動分析，這為切削顫動的研究開辟了新的途徑。這種研究方法的結果更為接近實際，因為分析信號來源于工況下的切削過程。

2.切削顫動的非線性分析理論

切削過程的動態(tài)特征與機床機構系統(tǒng)的動態(tài)特征，在切削顫動的線性理論中假定為線性的。然而在實際中出現(xiàn)的，如顫振振幅穩(wěn)定性、有限振幅不穩(wěn)定性、起振閥與消振閥的分離等是切削顫動的線性無法解釋的。當其線性項無法被系統(tǒng)的非線性特性直接取得時，必須采用非線性的理論進行穩(wěn)定的分析。并且只有非線性理論才能解釋切削顫動中的有限振幅不穩(wěn)定性的問題。通過歸納，影響切削顫動的幾個非線性的因素為：

（1）機床機構中的非線性剛度;

（2）切削力的非線性特征;

（3）后角限制;

（4）刀刃運動軌跡的一部分越出工件材料之外。

3.切削顫動研究中存在問題

盡管開展了大量的工作研究，關于切削顫動的研究仍不是很成功。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）理論欠完善，由于物理模型過于簡單，不能完整的描述切削系統(tǒng)的動態(tài)特征。首先，研究中將切削系統(tǒng)簡化為一維的系統(tǒng)，而事實上大多是三維切削。其次，假定切削系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，而事實上非線性是比較明顯的。因此這方面的研究還很不充分。

（2）切削系統(tǒng)動態(tài)特征難以準確確定。首先，切削過程的動態(tài)特性未能得到完整而準確的描述。目前，切削機理研究還不完善，因此用理論計算方法來確定切削力的特性很難保證其正確性;而在用試驗方法識別參數(shù)時，又受到切削顫動理論的假設條件限制，對復雜的切削過程描述過于簡單，對切削過程非線性特性的描述及識別缺乏研究。其次，機床機構的動態(tài)特性也沒能準確的描述。有許多結合部及相對運動環(huán)節(jié)，在機床機構系統(tǒng)中，其特性很難計算分析。靜態(tài)與空運轉激振試驗與實際切削狀態(tài)差別很大。因此，機床機構系統(tǒng)非線性描述與參數(shù)識別，尚是一個有待研究的問題。

（3）試驗技術有待進一步發(fā)展。就目前的測試設備與技術水平而論，開展此方面的工作還有許多困難，特別是動態(tài)切削力的測量及處于工件與刀具之間的切削點的相對位移的測量。這有待于試驗方法的創(chuàng)新和試驗技術的發(fā)展。

4.未來發(fā)展動向

目前，切削顫動的檢測與控制技術還處于發(fā)展之中。由于目前的顫動檢測與控制技術是建立在切削顫動的線性分析理論基礎之上，因此不可避開切削顫動理論研究而獨立發(fā)展。考慮切削顫動的非線性特征，還是一個嶄新的問題。但是隨著人們對切削顫動機理認識的不斷深入，切削顫動的檢測及控制技術會更加的可靠和有效。

5.結束語

薄壁零件的加工極易發(fā)生切削顫動，因此是生產實踐中的一大難題，切削顫動會影響切削過程、零件質量及生產率。本文回顧了切削顫動的機理研究歷史，并分析了切削顫動的非線性分析理論，分析了切削顫動研究中目前存在的問題及未來發(fā)展動向。

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