減振刀具技術(shù)研究進展

■高效切削及刀具國家地方聯(lián)合工程實驗室 （黑龍江哈爾濱 150080） 劉立佳 劉獻禮 許成陽 邊立健

減振刀具技術(shù)研究進展

■高效切削及刀具國家地方聯(lián)合工程實驗室 （黑龍江哈爾濱 150080） 劉立佳 劉獻禮 許成陽 邊立健

本文闡述了切削振動產(chǎn)生原因和危害，介紹了減振刀具在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了減振刀具各種減振方式及市場上流行的減振刀具產(chǎn)品，展望了減振刀具未來發(fā)展方向。

刀具振動產(chǎn)生的原因及危害

1. 產(chǎn)生的原因

20世紀60年代，以Teeness為代表的刀具研究團隊，已經(jīng)充分證明切削產(chǎn)生振動的根源：“振動可看成是切削刀具的可變撓曲，如果無撓曲，也就無所謂振動?！睂е碌毒咔邢鬟^程產(chǎn)生振動的因素有很多，主要有以下三方面：①包括刀具在內(nèi)的工藝系統(tǒng)剛性不足，導致其固有頻率低。②切削產(chǎn)生了一個足夠大的外激力。③這個外激力的頻率與工藝系統(tǒng)的固有頻率相同，隨即產(chǎn)生共振。

2. 危害

隨著近年來難加工材料的應(yīng)用和高速切削的技術(shù)推廣，振動成為了提高加工效率的障礙之一，振動的產(chǎn)生直接影響了加工精度和表面粗糙度；使刀具磨損加快，甚至產(chǎn)生崩刃，嚴重降低刀具壽命，振動使得機床各部件之間的配合受損，精度下降，嚴重時會使切削加工無法進行。

刀具減振技術(shù)

1. 被動減振技術(shù)

被動控制是通過增加切削系統(tǒng)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(zhì)量和靜剛度來防止顫振，剛度和強度都比較大的硬質(zhì)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(zhì)合金材料，這種三明治結(jié)構(gòu)受到硬質(zhì)合金材料自身剛度和厚度以及鑲嵌粘結(jié)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(nèi)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(chǎn)生很嚴重的環(huán)境污染，如圖2所示。美國的肯納公司生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)計種鏜桿時，大幅度的減輕了鏜桿鏜削頭的質(zhì)量，如圖4所示。國內(nèi)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(shè)計的鏜桿，利用高剛度碳纖維環(huán)氧復(fù)合阻尼，長徑比為10.7時顫振還沒發(fā)生。吳能章、周利平對鏜桿的芯部嵌入硬質(zhì)合金的新型刀具進行了分析，在允許的精度范圍內(nèi)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(fù)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(fù)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(yīng)用在生產(chǎn)上,并且新型高強度材料的應(yīng)用能很好的和其他減振方法有機結(jié)合,但是應(yīng)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(tǒng)阻尼系數(shù)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(yīng)用在鏜桿，質(zhì)量塊放在靠近刀具的一端的空腔里，注入油介質(zhì)并保證質(zhì)量和孔壁之間的徑向間、軸向間隙根據(jù)體積和介質(zhì)調(diào)整。

黃宏彪將擠壓液膜阻尼技術(shù)應(yīng)用于精鏜孔加工中，對精鏜孔加工液膜阻尼系統(tǒng)進行仿真，分析了液膜阻尼器各相關(guān)參數(shù)對減振效果的影響規(guī)律。

何將三從彈性力學基本理論出發(fā)，討論了層復(fù)合阻尼鏜桿的結(jié)構(gòu)和動力學模型，鏜桿發(fā)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(chǎn)生交變的拉壓應(yīng)力和應(yīng)變，使結(jié)構(gòu)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(shè)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(nèi)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(nèi)組合件組成一個動態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在支承面上連續(xù)不斷地運動，產(chǎn)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(zhuǎn)摩擦減震器（Lanchester damper），它用彈簧連結(jié)系統(tǒng)的主質(zhì)量和附加質(zhì)量，如圖6所示。

日本的Ecita Edhi等在鏜桿內(nèi)設(shè)計摩擦減振器，通過調(diào)整永磁塊、振子質(zhì)量、空間三者關(guān)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(jié)構(gòu)與附加質(zhì)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(jié)構(gòu)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(chǔ)上。振源機械振動時，帶動阻尼器的活塞和外殼體產(chǎn)生相對運動，在摩擦力的作用下，滾柱轉(zhuǎn)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(chǎn)生的抵抗力使?jié)L柱與外殼體產(chǎn)生摩擦力，消耗振動能量。

瑞士Rego-Fix公司則現(xiàn)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(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，該技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)生了一種能消除共振的“微摩擦阻尼效應(yīng)”。

總的來說，基于摩擦阻尼器的減振技術(shù)仍屬于被動控制的范疇，不需外部能源，一般只對某種設(shè)定的振動特性進行控制，缺乏跟蹤和調(diào)節(jié)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(huán)境和荷載能十分敏感，當溫度、正壓力發(fā)生變化，以及發(fā)生多方向滑動時，摩擦力都會發(fā)生變化,反復(fù)滑動還會使結(jié)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(zhì)量的動力作用，使彈性元件加在主系統(tǒng)的力與干擾力盡量平衡來減弱振動的。在設(shè)計吸振器時，可根據(jù)主系統(tǒng)的質(zhì)量和固有頻率選定吸振器的質(zhì)量，并進一步求出剛度和阻尼比。根據(jù)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(shè)計好固有頻率，動剛度都不能改變，而主動式可以通過調(diào)節(jié)子系統(tǒng)改變鏜桿的動剛度，適應(yīng)范圍較廣。

肯納公司產(chǎn)品中有主動式可調(diào)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(nèi)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(nèi)采用了一種“動態(tài)被動式系統(tǒng)”，該系統(tǒng)中的質(zhì)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(xiàn)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(yōu)化。在此之后又有一批學者提出了關(guān)于減振鏜桿一系列的優(yōu)化準則，長春理工大學在刀桿內(nèi)部加阻尼減振系統(tǒng)來提高刀具的動剛度，和瑞典山特維克可樂滿刀具的設(shè)計理念相同，哈爾濱理工大學“高效切削及刀具”國家地方聯(lián)合工程實驗室在鏜桿內(nèi)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(zhì)量反復(fù)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(chǎn)生噪聲，但結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，體積小重量輕減振效果好，適用頻率范圍大，包括內(nèi)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(fā)明了豆包減振器(Bean Bag Impact Damper)。其結(jié)構(gòu)是將沖擊減振器內(nèi)有數(shù)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(nèi)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(shù)的減振效果。主系統(tǒng)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(jié)構(gòu)參數(shù)后模擬發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)品出現(xiàn)。

2. 主動減振技術(shù)

主動控制方法基于反饋控制的原理，檢出系統(tǒng)目標狀態(tài)量的變動，然后把與該狀態(tài)量反相的同頻率、同幅度控制量加到這個狀態(tài)量本身或作相應(yīng)變動后加在別的狀態(tài)量上。對于頻率低的大型鏜桿主動控制優(yōu)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(yōu)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(nèi)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(yīng)，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(zhí)行的壓電片上，產(chǎn)生反向振動來抑制切削振動。梅德慶等人，他們依據(jù)磁流變液能夠在液態(tài)和固態(tài)之間快速的進行連續(xù)可逆的轉(zhuǎn)換特性，發(fā)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(shè)計了自適應(yīng)控制器對基于壓電驅(qū)動的抑振鏜桿進行了主動控制。

由于閉環(huán)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(xiàn)實實現(xiàn)還是有一定難度的，首先必須對切削過程和切削系統(tǒng)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(huán)控制模型是有一定難度的，而且要求設(shè)計和制造一套自動控制系統(tǒng)及一套支持控制系統(tǒng)的能源裝置，成本較高，所以現(xiàn)今多數(shù)停留在實驗室階段。目前應(yīng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、粒子群控制和自適應(yīng)控制器等。

3. 半主動減振技術(shù)

圖11 豆包減振器

圖12 磁流變液減振鏜桿的結(jié)構(gòu)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(gòu)是在不向被控系統(tǒng)輸入能量的條件下仍然具有實時調(diào)控的能力的機構(gòu)。其主要優(yōu)點是減振器的參數(shù)可根據(jù)實際振動情況實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。智能材料元件質(zhì)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(jié)構(gòu)的固有性能，還可以提高整個控制系統(tǒng)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(tǒng)中，而是通過智能材料調(diào)整切削系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)以避免切削顫振的發(fā)生。王民利用電流變材料設(shè)計了一種具有在線可調(diào)動態(tài)特性的智能化鏜桿，通過連續(xù)小范圍地改變鏜削系統(tǒng)固有頻率，成功地實現(xiàn)了切削顫振的在線抑制。梅德慶等把磁流變材料應(yīng)用于鏜削系統(tǒng)，改變鏜桿剛度從而有效抑制顫振。甘新基通過調(diào)整附加在鏜桿上的壓電片的驅(qū)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(chǎn)品出現(xiàn)。

刀具減振技術(shù)展望

到目前為止，國內(nèi)的工具廠商還沒有在車刀和鏜刀方面有大的進展，特別是在制造長徑比比較大的方面基本沒有，而且內(nèi)置減振系統(tǒng)防振刀桿方面的開發(fā)工作也還很少。在國內(nèi)也有很多高校在研制減振刀具，如浙江大學、四川大學、燕山大學、哈爾濱理工大學、長春理工大學、北京航空航天大學、東北大學、吉林大學和西華大學等。隨著研究工作的進行，刀具的減振技術(shù)可在以下三個方面得到發(fā)展:

（1）隨著智能材料研究的深入，現(xiàn)代控制理論應(yīng)用，現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，主動控制是未來倍受青睞的研究主題之一。

（2）半主動控制可靠性高，控制范圍寬、適應(yīng)性強也將成為今后研究的方向之一。

（3）精簡結(jié)構(gòu)，提高可控性，增強穩(wěn)定性：目前鏜桿上的主動或半主動控制結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，導致了較低的可靠性，巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計仍然是未來研究的主題之一。

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20150316）