刀具-夾具內(nèi)阻尼對(duì)銑削刀具系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的研究

馬雙雙 唐委校

(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1，山東 濟(jì)南 250061；山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，山東 濟(jì)南 250061)

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刀具-夾具內(nèi)阻尼對(duì)銑削刀具系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的研究

馬雙雙1唐委校2

(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1，山東 濟(jì)南 250061；山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，山東 濟(jì)南 250061)

針對(duì)銑削刀具系統(tǒng)顫振及振動(dòng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，建立了考慮內(nèi)阻尼影響的刀具-夾具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型?；趧?dòng)力學(xué)模型的特征方程，推導(dǎo)了內(nèi)阻尼矩陣與內(nèi)外阻尼比之間的關(guān)系。根據(jù)特征值實(shí)部分析法，得出內(nèi)阻尼對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響和刀具-夾具之間不同涂層材料和轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)內(nèi)阻尼的影響。仿真分析、隨機(jī)響應(yīng)和模態(tài)分析表明，內(nèi)阻尼越大，對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)越具有抑制作用；材料阻尼比越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定；內(nèi)阻尼與自身材料阻尼比都與振型有關(guān)。

高速銑削系統(tǒng) 智能控制器 傳感器 動(dòng)力學(xué)模型 固有特性 穩(wěn)定性 內(nèi)阻尼 阻尼比 特征方程

Internal damping Damping ratio Vibration mode Characteristic equation

0 引言

內(nèi)阻尼最初是由Kimball在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的[1]。Kimball[2]用不同材料的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)來(lái)研究?jī)?nèi)摩擦，發(fā)現(xiàn)過(guò)盈配合和非過(guò)盈配合工況都有內(nèi)阻尼的存在。他假設(shè)阻尼的滯后作用，使轉(zhuǎn)子軸向一方偏斜或正進(jìn)動(dòng)，從而研究?jī)?nèi)阻尼力的幅值。Lund[3]建立了轉(zhuǎn)子過(guò)盈配合的內(nèi)摩擦動(dòng)力學(xué)模型，認(rèn)為內(nèi)阻尼引起的交叉耦合力矩是造成轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定的重要原因。他建立了線性黏性阻尼模型，并分析得到：當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)第一臨界速度時(shí)，反進(jìn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響不會(huì)超過(guò)正進(jìn)動(dòng)對(duì)穩(wěn)定性的影響。Pust[4]等人建立了有沖擊和干摩擦的二自由度的非線性動(dòng)力學(xué)模型。趙鵬仕[5]建立了二維微分的振動(dòng)切削模型，研究了分線性現(xiàn)象，試驗(yàn)驗(yàn)證了在振動(dòng)過(guò)程中存在非線性現(xiàn)象。張智海和鄭力[6]研究了預(yù)測(cè)切削不穩(wěn)定的方法，優(yōu)化了波形刃銑刀的設(shè)計(jì)，建立了離散的數(shù)學(xué)模型，提出了參數(shù)標(biāo)定和計(jì)算切削的算法，試驗(yàn)驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型的有效性。F.Forestier[7]首次提出基于模型的刀尖傳遞函數(shù)的方法，為了確定合適的切削條件和顫振穩(wěn)定性，建立了主軸-SVDH-工具系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。Indperger和Stepan[8]建立了高速銑削機(jī)床的穩(wěn)定性圖表，得出振動(dòng)頻率的flip分叉和不穩(wěn)定區(qū)域。何國(guó)毅和何國(guó)威[9]為了分析切削過(guò)程中刀具的顫振問(wèn)題，從實(shí)際金屬切削加工出發(fā)，采用力學(xué)角度解釋非線性顫振的機(jī)理，得出顫振發(fā)生條件。賈方[10]將混沌控制引入顫振控制，研制出智能控制器、傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬切削顫振的精確控制。Mei[11]考慮到顫振對(duì)銑削加工過(guò)程的影響，提出時(shí)間和頻域的混合方法分析動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性圖表，仿真分析了時(shí)間與頻率混合的新方法，驗(yàn)證了系統(tǒng)穩(wěn)定性圖表的正確性。薛小強(qiáng)[12]針對(duì)銑削過(guò)程中的切削顫振問(wèn)題，建立了銑削顫振理論模型，通過(guò)模態(tài)分析和銑削加工試驗(yàn)，得出了動(dòng)態(tài)性能參數(shù)和銑削力參數(shù)，獲得了銑削加工的穩(wěn)定性耳垂圖。宋清華[13]應(yīng)用共振區(qū)的半寬帶理論，研究了因自激振動(dòng)引起顫振穩(wěn)定性和因強(qiáng)迫振動(dòng)引起的表面質(zhì)量的關(guān)系。吳化勇[14]搭建試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)和高速銑削隨機(jī)響應(yīng)試驗(yàn)，繪制了一定條件下切削穩(wěn)定性極限圖。Erol Turkes[15]應(yīng)用τ分解和OTF的混合方法，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的顫振頻率，通過(guò)模態(tài)分析和切削試驗(yàn)得出預(yù)測(cè)的顫振頻率大于系統(tǒng)的固有頻率。汪通悅[16]利用高速加工中心以及相應(yīng)的儀器和軟件，進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)和銑削力辨識(shí)試驗(yàn)，得到了考慮工件和刀具固有特性的穩(wěn)定性葉瓣圖。王玉松[17]以考慮內(nèi)阻尼的高速銑削刀具-主軸系統(tǒng)作為研究對(duì)象，建立了考慮內(nèi)阻尼二自由度的動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用內(nèi)阻尼理論，研究過(guò)盈配合、刀具的不同懸深長(zhǎng)度對(duì)內(nèi)阻尼的影響。

為了提高銑削系統(tǒng)的切削效率以及工件表面質(zhì)量、降低系統(tǒng)的顫振問(wèn)題，本文以銑削系統(tǒng)BT40刀柄系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了考慮刀具-夾具之間內(nèi)阻尼對(duì)高速銑削系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，理論分析了內(nèi)阻尼對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性以及穩(wěn)定性的影響，并通過(guò)仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性。

1 計(jì)算模型

1.1 加涂層后的內(nèi)阻尼

刀具-夾具之間的內(nèi)阻尼與接觸面的摩擦系數(shù)關(guān)系密切，即與觸面材料的阻尼比有關(guān)[7]。根據(jù)應(yīng)變能原理，材料加層后的結(jié)構(gòu)阻尼比可由結(jié)構(gòu)振型和質(zhì)量得到。

(1)

(2)

式中:M為刀具質(zhì)量矩陣；ξ1為刀具的阻尼比；ξ2為加層阻尼材料的阻尼比；Φ為振型向量。

材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性表

1.2 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型前，需考慮以下3點(diǎn)。

①刀具-夾具之間存在內(nèi)阻尼，故夾具與刀柄之間采用剛性連接；因過(guò)盈配合，故不考慮其接觸面的內(nèi)阻尼。②由于刀具切削過(guò)程中刀具周期性旋轉(zhuǎn)，故所受切削力是隨時(shí)間變化的周期簡(jiǎn)諧力。③刀具工件受外界溫度影響不大，刀具-夾具內(nèi)阻尼所受溫度影響不大。刀柄系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 刀柄系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)上述動(dòng)力學(xué)模型，建立刀柄系統(tǒng)的微分方程：

(3)

可得：

(4)

特征方程為：

(5)

式中：m1為刀具質(zhì)量；m2為夾具質(zhì)量；x1為刀具位移；x2為夾具位移；k1為刀具與夾具等效剛度；k2為夾具與主軸等效剛度；F為切削力；ω為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速；Ri為系統(tǒng)內(nèi)阻尼矩陣；Re為系統(tǒng)外阻尼矩陣。

根據(jù)特征方程的特征根實(shí)部來(lái)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性原理：當(dāng)特征根實(shí)部小于0，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；當(dāng)特征根實(shí)部大于0，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；當(dāng)特征根實(shí)部為0，系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

由Ri=2ξmωn可得：當(dāng)系統(tǒng)的阻尼比改變，則剛度改變，第一階固有頻率會(huì)隨之變化，內(nèi)阻尼亦發(fā)生改變。

響應(yīng)函數(shù)為：

(6)

式中：ωn為第n階轉(zhuǎn)速；x0為系統(tǒng)輸入位移；ξ為阻尼比；y為系統(tǒng)輸出位移。

2 有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和隨機(jī)響應(yīng)分析

由于離心力產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的作用，使自振頻率有增大的趨勢(shì)，其產(chǎn)生的效果已經(jīng)不可忽視，因此需要考慮預(yù)應(yīng)力對(duì)剛度的影響。預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析就是用于分析含預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。

響應(yīng)譜分析是一種頻域分析，其輸入振動(dòng)載荷的頻譜，從頻域角度計(jì)算結(jié)構(gòu)的峰值響應(yīng)。載荷頻譜為響應(yīng)幅值與頻率的關(guān)系曲線。仿真模型由刀具、彈簧筒夾、涂層材料、刀柄構(gòu)成。

2.1 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

刀具變形曲線對(duì)比圖如圖2所示。圖2中的5條曲線分別表示在無(wú)阻尼和涂有4種阻尼材料后的刀具變形曲線。

圖2 刀具變形曲線對(duì)比圖

刀具變形主要是由彎矩引起的，變形主要發(fā)生在刀具的刀尖部分，會(huì)對(duì)工件切削產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。當(dāng)?shù)毒咄磕ú牧献兓瘯r(shí)，隨著主軸的轉(zhuǎn)速增加，預(yù)張力增大，使系統(tǒng)的剛度提高，故使刀具更不容易變形，提高了刀具銑削精度。由仿真結(jié)果得出，5種工況下，預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析的6階固有頻率如表2所示。

表2 5種工況的6階固有頻率表

從表2可知，當(dāng)?shù)毒呱贤坑凶枘岵牧?，且阻尼材料的阻尼比逐漸增大時(shí)，刀具與夾具之間接觸面的摩擦系數(shù)會(huì)發(fā)生改變，影響其預(yù)應(yīng)力，從而改變系統(tǒng)的剛度，固有頻率也隨之改變。當(dāng)接觸面的材料阻尼比逐漸增大時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，系統(tǒng)的預(yù)張力、剛度以及各階固有頻率均隨之增大，從而改變系統(tǒng)穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)速區(qū)間。

2.2 隨機(jī)響應(yīng)分析

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到各工況下的諧響應(yīng)幅頻曲線如圖3所示。

圖3 諧響應(yīng)幅頻曲線

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性結(jié)果分析

當(dāng)系統(tǒng)處于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其動(dòng)態(tài)特性受到主軸轉(zhuǎn)速的影響。5種工況下仿真結(jié)果系統(tǒng)的坎貝爾圖如圖4所示。圖4中，實(shí)線為正進(jìn)動(dòng)，虛線為反進(jìn)動(dòng)。

圖4 系統(tǒng)坎貝爾圖

由圖4可知，固有頻率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，在1 000～30 000 r/min內(nèi)，轉(zhuǎn)速的固有頻率由160 Hz上升到220 Hz；當(dāng)阻尼值達(dá)到一個(gè)特定的數(shù)值，固有頻率呈現(xiàn)不上升甚至略有下降的趨勢(shì)。刀柄涂上合金阻尼材料，整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率有所增加。低于固有頻率的轉(zhuǎn)速范圍越大，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的范圍也越大。由仿真數(shù)據(jù)可得，當(dāng)系統(tǒng)以反進(jìn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)以正進(jìn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)超過(guò)零軸以上部分轉(zhuǎn)速，將處于不穩(wěn)定區(qū)域。5種工況在阻尼增加的情況下，特征方程的特征值實(shí)部減小，則系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域的轉(zhuǎn)速減小。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)臨界轉(zhuǎn)速范圍，系統(tǒng)才可能進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域。阻尼值的增加擴(kuò)大了系統(tǒng)穩(wěn)定性的范圍。阻尼值的增加對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)不穩(wěn)定性有抑制作用。

3 內(nèi)阻尼模態(tài)試驗(yàn)和銑削試驗(yàn)

3.1 模態(tài)試驗(yàn)

通過(guò)力錘給予刀具-夾具系統(tǒng)一定的激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)通過(guò)加速度傳感器、信號(hào)放大器、信號(hào)采集分析系統(tǒng)，使用傅里葉變換把時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)。刀柄上分別是無(wú)阻尼材料和涂抹Zn-Al、 Fe-Cr、 Cu-Mn、金屬?gòu)?fù)合阻尼合金材料，進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)的固有頻率隨內(nèi)阻尼的增大逐漸上升，與仿真模態(tài)分析的結(jié)果一致。

3.2 切削試驗(yàn)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性

機(jī)床轉(zhuǎn)速為15 000 r/min，切削深度為1 mm，切削工件為45號(hào)鋼。采用位移傳感器，獲得工件表面與傳感器之間的位移。由試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可得，工件表面位移的最大值由2×10-6m減小到1×10-6m。

試驗(yàn)表明，阻尼材料有效地抑制了刀具切削過(guò)程中的顫振問(wèn)題，由此證實(shí)了增加系統(tǒng)阻尼可以有效減小刀具系統(tǒng)的共振和顫振。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)銑削刀具系統(tǒng)存在的振動(dòng)不穩(wěn)定性問(wèn)題，研究了內(nèi)阻尼對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。以彈簧筒夾的刀具夾具系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)建立考慮內(nèi)阻尼的刀具-夾具的動(dòng)力學(xué)模型，利用特征方程方法得到特征根的實(shí)部與虛部。內(nèi)阻尼的增加使特征根實(shí)部減小，坎貝爾圖曲線走向不穩(wěn)定區(qū)域的轉(zhuǎn)速范圍變大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性區(qū)間變大。

試驗(yàn)表明，在轉(zhuǎn)速小于150 000 r/min、過(guò)盈量大于0.03 mm的情況下，內(nèi)阻尼的增大可以增大系統(tǒng)的固有頻率，即擴(kuò)大了系統(tǒng)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速區(qū)間、減小了振動(dòng)幅值、改善了工件表面質(zhì)量。

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Research on the Influence of the Internal Damping of Tool-fixture on Stability of Milling Tool System

To solve the problem of instability caused by flutter and vibration in milling tool system,a dynamical model of the tool-fixture system is established with consideration of the influence of internal damping.Based on the characteristic equation of dynamics model,the relationship between internal damping matrix and internal/external damping ratio is deduced.According to the method of eigenvalue real part analysis,the influence of internal damping on system stability and the influence of different coating materials between tool-fixture and the rotational speed on the internal damping of system are obtained.The simulation analysis,random response and modal analysis show that the larger the internal damping is,the more inhibition of the vibration of the system is; the larger the material damping ratio is,the greater the stability of the system is; internal damping and material damping ratio are both related to vibration mode.

High speed milling system Intelligent confroller Sensor Dynamics model Internal damping Inherent characteristic Stability

教育部博士學(xué)科點(diǎn)博導(dǎo)類(lèi)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2011013111043)。

馬雙雙(1989—)，女，現(xiàn)為山東大學(xué)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生；主要從事振動(dòng)研究與控制方向的研究。

TH-3;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611010

修改稿收到日期： 2016-04-14。