（机械设计及理论专业论文）切削加工中的自激颤振分析与润滑控制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 切削颤振，是金属切削过程中刀具与工件之间产生的一种十分强烈的自激振 动。由切削过程中所产生的动态周期性力激发而引起，并能维持其振动不衰减。 在切削加工中，切削颤振不仅破坏了被加工零件的表面质量，而且还加速了刀具 的磨损，严重时甚至使切削无法进行。为了避免发生振动或减小振动，有时不得 不降低切削用量，我国目前的机床切削效率仅相当于工业发达国家平均水平的一 半，而机械加工振动问题没有很好地解决是其中的一个重要原因。 切削颤振的研究已历时半个多世纪，引起颤振的原因，首推“再生效应”学说， 其次是“负阻尼特性”学说。但许多学者认为这两种理论在解释噪声的产生上存在欠 缺，或至少认为不是主要原因。特别是近年有学者认为前人的学说忽视了系统中 正阻尼或系统内部相互作用伴生阻尼的存在。 本文以车床切削钢简为主要实验内容，人为制造颤振环境，通过实验的方法 研究振动，对振动信号进行分析，测量并计算了负阻尼，得出了摩擦力一速度下 降特性所带来的负阻尼无法抵消系统中正阻尼带来的影响的结论。 本人在刀具和工件待加工表面涂抹一薄层特殊配制的润滑减振油液，其强粘 特性使得刀具微观粗糙表面谷底油膜厚度大于峰顶厚度，从而使摩擦表面的初始 轮廓高度相对降低，其表面绝大多数悬臂微凸体都有了可靠的弹性支承，既可缓 和冲击，又可提高微凸体抵抗切向力的能力，因此可有效减少磨损。这种油膜的 引入可使摩擦副间的摩擦力不再因相对滑动速度变化而变化，从源头上抑制了摩 擦颤振。经实践证明，采用对刀具浸油的方式来降低噪声，具有很好的效果，由 此得出了边界润滑对减振降噪有显著效果的结论。 关键词：切削颤振负阻尼边界润滑噪声控制 i 华中科技大学硕士学位论文 a b a s t r a c t c h a t t e ri sv e r yi n t e n s es e l f - s t i m u l a t e dv i b r a t i o nb e t w e e nc u t t e ra n dw o r kp m c ei n m e t a lc u t t i n g i ti ss t i m u l a t e db y d y n a m i c a l l yp e r i o d i cf o r c eg e n e r a t e di nc u t t i n gp r o c e s s ， w h i c hw i l lk e e pv i b r a t i n gf r o ma t t e n u a t i n g c h a t t e rn o to n l yd a m a g e st h eq u a l i t yo ft h e f i n i s h e dw o r kp i e c e ，b u t ，a c c e l e r a t ew e a r so fc u t t e r i ns o m es e r i o u sc a s e ，i tc a r le v e n p r e v e n tc u t t i n gf r o mg o i n gf u r t h e r s o m e t i m e s ，i no r d e r t oa v o i d ，o rr e d u c e ，c h a t t e r ，t h e c u t t i n gq u a n t u m h a st ob el i m i t e d a tp r e s e n t ，t h ec u t t i n ge f f i c i e n c yi no u rc o u n t r yi s o n l yh a l fo ft h a t i no t h e ra d v a n c e dc o u n t r i e s o n eo ft h em a i nr e a s o n si st h a tt h e p r o b l e m so f c h a t t e rh a v en o tw e l ls o l v e d s t u d i e so f t h ec u t t i n gc h a t t e rh a v eg o n et h r o u g hh a l fa c e n t u r y t h e “r e g e n e r a t i v e e f f e c t t h e o r ya n dt h e n e g a t i v ed a m p i n gc h a r a c t e r ”t h e o r ya r eg e n e r a l l yc o n s i d e r e d a st h em a i nc a u s eo fc h a t t e r b u tm a n ys c h o l a r sa l s op o i n t e do u tt h a tt h et w ot h e o r i e s w e r ed i f f i c u l tt oe x p l a i nc l e a r l yt h ep r o d u c t i o no f n o i s e ，s o ，t h e yw e r e n o tt h er e a s o n ，o r n o tt h em a i nr e a s o n so f c a u s i n gc h a t t e r t h eb a s i cl i e si nt h a tt h ep o s i t i v ed a m p i n g a n d t h ei n t e r - a c t i n ga c c o m p a n y g e n e r a t e dd a m p i n gi ns y s t e ma r en e g l e c t e d e x p e r i m e n t i n g o n c u t t i n g s t e e lt u b e s ，m a n - m a d e p r o d u c i n gc h a t t e r i n g e n v i r o n m e n t ，s t u d y i n gc h a t t e rb ye x p e r i m e n t i n gm e t h o d ，a n a l y z i n gv i b r a t i n gs i g n a l ， m e a s u r i n g a n dc a l c u l a t i n gt h en e g a t i v ed a m p i n g ，t h ea r t i c l ec o n c l u d e st h a tt h en e g a t i v e d a m p i n gp r o d u c e db yd e s c e n d i n gc h a r a c t e rb e t w e e n f r i c t i o n a lf o r c ea n d v e l o c i t yc a n n o t c a n c e lo u tt h ep o s i t i v ed a m p i n gi ns y s t e m t h ea r t i c l es m e a r sat h i ns h e e to f s p e c i a l m i x e dl u b r i c a t i n g - a n d - r e d u c i n g - n o i s eo i l o nt h es u r f a c eo fc u t t e ra n dw 0 r kp i e c e t h es t i c k yc h a r a c t e ro fi tm a k e st h eo i l f i l m s t h i c k n e s so f b o t t o mb eh i g h e rt h a nt h a to f p e a ko nt h em i c r o r o u g hs u r f a c eo f t h ec u t t e r , a n dt h ei n i t i a lh e i g h to fo u t l i n eo nt h ef r i c t i o n a ls u r f a c ei sr e l a t i v e l yr e d u c e d m o s to f t h ec a n t i l e v e rm i c r o b u l g e so nt h es u r f a c et h e r e b yh a v er e l i a b l ye l a s t i cs u p p o r t ，w h i c h c a nn o to n l ym i t i g a t ei m p a c t ，b u t ，r a i s e m i c r o b u l g e s a b i l i t yt or e s i s tt h et a n g e n t i a l f o r c e ，t h e r e f o r e ，i tc a nr e d u c ef r i c t i o ne f f e c t i v e l y t h i so i l - f i l mm a k e st h ef r i c t i o n a l f o r c en ol o n g e rv a r i e sf o l l o w i n gt h ec h a n g eo ft h er e l a t i v e l ys l i d i n gv e l o c i t y , a n dc a n r e s t r a i nf r i c t i o n a lc h a r t e rf r o mt h es o u r c e a d o p t i n g t h em e t h o do f c u t t e r - i m m e r s e d i n o i lt or e d u c et h en o i s ei sp r a c t i c a l l yp r o v e dt oh a v eg o o dr e s u l t t h e a r t i c l et h e r e f o r ec o n c l u d e st h a tt h eb o u n d a r yl u b r i c a t i o nh a ss t r i k i n ge r i e c tt or e d u c e v i b r a t i o na n d1 0 w e rn o i s e k e y w o r d s ：c u t t i n g c h a t t e r n e g a t i v ed a n a p i n gb o u n d a r yl u b r i c a t i o n n o i s ec o n t r o l 【王 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蔼商自番 日期：2 伸千年午月z 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：高商 f j 期：加。仵午月z 7 日 指导教师虢甄 日期秽 年妒月刁日 | 华中科技大学硕士学位论文 1 - 1 研究切削颤振的意义 1 绪论 1 1 1 切削颤振及其危害 切削颤振，是金属切削过程中刀具与工件之间产生的一种十分强烈的自激振 动。由切削过程中所产生的动态周期性力激发而引起，并能维持其振动不衰减i l j 。 机械加工中的颤振是影响机械产品加工质量和机床切削效率的关键技术问题之 一。切削颤振叠加在剥离多余金属必须的工作运动如切削、进给及切入运动上， 并影响刀具乃至机床的使用寿命。为减小颤振所带来的不良影响，加工中被迫临 时改变切削用量，如降低切削深度等。而这却妨碍充分利用机床额定功率，导致 加工工时，即制造成本上升，延误工期。颤振问题在投资庞大的现代化数控机床 上尤为值得关注，因为这类机床的经济性建立在其时间和功效方面的高度利用上， 为了按既定要求完成加工任务，还必须费事费力重新进行计划、调整。 长期以来，机械制造业中的噪声污染相当突出，大大超过国家环保标准。以 广西工业重镇柳州为例，钢圈厂加工车间噪声超过1 1 5 d b ( a ) ，汽车厂轿壳车削噪 声接近1 1 0 d b ( a ) ，工程机械厂箱体生产线的切削噪声超过1 0 0 d b ( a ) ，多家工厂的 龙门刨床切削噪声都接近或超过1 0 0 d b ( a ) 。和柳州一样，国内许多机械制造业的 噪声状况几乎几十年来没有多少改变。刺耳的噪声是工件一刀具系统强烈切削颤 振的结果，它降低了产品的表面质量，降低了生产效率和刀具、设备寿命，增加 了材料和能源消耗。同时会诱发长期在这种环境下工作的人们的心血管等系统疾 病，严重危害人们的身- 1 1 , 健康【2 】0 1 1 。2 控制切肖q 颤振的意义 研究切削颤振现象及其控制理论的意义在于：可使人们更加深入地认识切削 颤振的物理本质，从而发展控制理论及相关技术，促进机械工程的发展。 其实践意义则在于：采用切削颤振的控制技术及手段，可大大减轻甚至消除 l 华中科技大学硕士学位论文 切削颤振及其所带来的各种不良影响，极大地改善人们的工作环境，提高工作效 率，减少切削能源的消耗，提高刀具和设备的使用寿命，并将产生直接或间接的 经济效益和社会效益。 因此，研究切削颤振及其噪声可靠易行的控制技术，是国际生产工程界广泛 关注的前沿课题，是落在当代人肩上的历史任务吼 1 2 本文的研究内容与目标 1 2 1 主要研究内容 实践是检验真理的唯一标准，本文研究立足于实验数据，因此拟主要通过两 方面的实验来展开分析与讨论。 i ) p 普通车床等设备为主体，在实验室切削r 环境下，测定不同工况的切削力； 在考虑刀具一工件间相互作用伴生阻尼条件下，定量或定性地对切削颤振成因进 行分析与评价。 2 ) 选配多神润滑油液，将其涂抹于刀具及待加工表面；验证与比较它们控制切 削噪声的能力，为涂油润滑清除切削颤振及噪声寻求实践依据。 1 2 2 预期目标 通过上述实验研究，计划达到以下的研究目标。 1 ) 认识和研究摩擦特性对切削颤振的影响； 2 ) 认识和研究边界润滑油膜控制切削颤振的机理； 3 ) 在车刀和工件待加工表面涂抹润滑剂，显著减小振纹和噪声。 1 3 切削颤振成因的流行理论 目前，对切削颤振形成的物理原因，主要依据三种理论进行解释 2 华中科技大学硕士学位论文 1 3 1 再生效应理论 再生颤振是由于上一次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位 差异导致刀具切削厚度的不同而引起的颤振。最初提出这种现象并给它取名为 r e g e n e r a t i v e ( 再生的) 的是r o b e r ts h a h n 。此后，以s a t o b i a s ，j t l u s t y 和星铁太 郎( t e t s u t a r oh o s h i ) 为代表的一大批研究者对再生颤振理论进行了大量的研究。 在线性模型范围内发展了一套较为完善的理论与方法。其物理模型如图( 1 1 ) 所 不。 一x ( t ) 图1 - 1 再生型颤振物理模型 数学表达式为： 磁( ) + 西( ) + 缸( ) 一邝) ( 1 - 1 ) 【，0 ) = k x ( t ) 一x ( ，一f ) 】+ c 【量( f ) 一膏o f ) 】 式中，m 、c 、k 分别为机床结构失稳模态的模态质量、模态阻尼和模态刚度； 足、c 分别为切削过程中的切削刚度与切削阻尼；t 为相邻两次切削的时间间隔； f ( t ) 为动态切削力：x ( ，) 为振动位移。所谓“再生”，是指动态切削力f ( t ) 是由相邻 两次切削振动z ( f ) 与x ( t f ) 的相位差( 即动态切削厚度) 的不同而引起，其中， x f r ) - x ( t f ) 是切削厚度的再生效应，量( f ) 一t o f ) 是切入率的再生效应。 目前，国内外对这种颤振机理研究的最多【j 7 舶矧，也由此提出了许多相关的 诊断方法。如利用机床主轴前后两转切削振动轨迹相位差、| ，来预测切削颤振 1 5 - 1 9 】。 但这些诊断方法都还处于理论实验阶段。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2 振型耦合理论 在某些完全不存在再生颤振条件的切削状态下，如在切削螺纹时，后一转的 切削表面与前一转的切削表面完全没有重叠，但也经常发生颤振。由于这时刀失 与工作面的相对轨迹是一个近似椭圆，颤振同时产生在y 轴和z 轴方向。人们由 此得出结论：当振动系统在两个方向上的刚度相接近时，两个固有振型相耦合， 因而引起颤振，进而提出在设计机床时应考虑如何配备机床各部件在不同方向的 刚度4 1 。 1 3 3 负阻尼特性理论 人们在实践中同时发现，在切削过程 中，切削速度变大的瞬间，切削力减小，即 切削力对切削速度具有下降特性( 如图1 。2 所示) ，因而产生一负摩擦，为系统颤振提 供了能量【56 1 。其数学表达式如下： 脚戈- i - c 量+ 舡= 一( r + c 戈) ( 1 - 2 ) 其中c 为系统正阻尼；c 为切削力随速度变 f ( t ) + a f ( t ) f ( t ) f ( t ) 一奸( t ) 图i - 2 切削力一速度关系曲线 化的斜率；f o 为稳态切削力。对式( 1 2 ) 进行变换得 朋舅4 - ( c - i - c ) 量- i - 觑4 - 瓦= 0 ( 1 3 ) 由式( 1 - 3 ) 可知，当0 - 1 - c ) 0 时，系统振动将持续增强，即当c 墨一c 时， 系统产生的负阻尼一定很大，足以抵消其本身的正阻尼。本文将对此做深入研究 以验证这一说法的可靠性。 1 4 切削颤振控制技术的研究现状 上个世纪中期以来，许多国家投入巨大的人力、物力、财力组织研究机床颤 振的机理，研究其对生产的实际影响及控制预防措施，并取得了令人瞩目的成果。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 1 国外研究现状 目前，国外许多学者致力于改进机床和刀具结构，在缓解颤振方面做了大量 工作。v i r g i n i a 大学的p r a t t 采用一种结合传感器和制动器的有效振动检测和控制系 统来分析复杂的钻削颤振动态特性【7 1 。他通过分析一个单自由度刀具垂直加工表面 的颤振模型总结出，提高结构阻尼可有效地进行颤振控制，并由此建立了有效的 控制方法。p r a t t 又提出了把钻杆安装在v p i 智能车床的双轴振动控制系统上，通 过实验论证得出了一系列准确的系统模型参数，这些参数可使模型更适于进行颤 振的稳定性分析、模拟和建立反馈补偿【8 1 。m a r t i n e z 采用压电式制动器进行精密加 工的振动控制 9 1 。具有定刚性的压电式制动器可在一定范围内缓解高频动态切削 力对系统的冲击作用，从而提高精密加工的性能。 s e g a l m a n 提出的缓和颤振方法是以机床周期性地改变阻抗为基础的。把一个 周期性的含有电磁变流体的电磁场安装在机床主轴上，电磁场中采用不同的屈服 压力都会影响车床主轴结构的耦合特性，并改变振动的固有频率【1 0 】。改变这种形 式的模态特征，并将干扰记录在工件表面的当前车床振动模式上，即能改变车床 振动的振幅。通过正确地选择电磁场的流体和激励频率，可显著降低机床颤振。 j o r d a n 大学的h a m d a n m 研究了刀具的集合形状方面对颤振的影响】。从实 验和理论分析中，h a m d a n m 得出的结果表明：采用较大的前倾面角和较大的侧面 角可增加颤振的稳定性。c o l u m b i a 大学的a l t i n t a s y 开发出采用一种开放结构传感 器焊成的智能控制器对加工过程进行控制，并将智能控制器结合计算机数字控制 器一起使用【l “。切削力的自适应控制和刀具磨损监测的算法来源于切削力和对电 动机当前传感器的检测结果，而颤振可从振动的传感信号中监测出来。这些算法 安装在专用的数字信号处理扳上，并和计算机数字控制器相连接，通过标准接口 可向用户开放。 从改进结构方面着手缓解颤振，虽然效果较好，但结构复杂，给生产带来不 便，因此难以普遍推广。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 2 国内研究现状 国内学者对颤振研究多集中于颤振预报。为了尽可能真正地反映出颤振孕育 的本质特征，各学者提出了不同的预报参数。 西安交通大学董卫平等人基于切削过程即将发生颤振时振动加速度信号a ， 和动态切削力信号f 。的相关性加强，提出利用二者的相关系数作为预报系数【l 3 1 。 如果实测的预报参数值超过了设定的门限值则发出预报信号。西安交通大学的李 庚新等人采用“零间距法”来识别加工过程中是否有颤振发生【1 4 。若切削过程中有 颤振发生，则必然有一种频率成分的周期信号占主导地位，测量n 个零间距( 振 动轨迹与中值线交点的距离) z ；，如果满足给定的关系式则表明颤振即将发生。华 中科技大学杨叔予等人根据切削过程即将发生颤振时振动信号在时域上幅值增 大，在频域上主频带向低频带移动的现象提出利用模式向量作为预报参数来判断 切削过程中是否有颤振发生【1 5 】。华中科技大学同时开展了利用时序来预报颤振的 研究工作 i “。其结论是：对相同阶次的模型而言，即将发生颤振的残差方差大于 没有发生颤振的残差方差，已经发生颤振的残差方差大于即将发生颤振的残差方 差。 吉林工业大学的曲兴田等人在充分研究车削加工中心振动信号变化规律的基 础上，总结出：在发生颤振阶段，时域信号的振动幅值较小，随着切削过程的持 续，振动进入了孕育阶段，此时振动幅值逐渐增大，最后导致切削颤振的发生。 由此提出了采用特征参数p 。作为切削颤振的预报参数 】。吉林工业大学的于骏一 等人通过实际考察切削过程从稳定状态向不稳定状态过渡过程中机床切自0 系统的 振动响应特征，提出了以振动波形不规则系数0 作为颤振征兆预报参数增】。当0 超过了设定的控制门限值后，振动检测系统即向控制系统发出控制信号，以改变 切削速度，从而实现对切削颤振的控制，他们还利用切削过程中加速度响应信号 与动态切削力信号之间的相关系数来预报颤振【1 9 】。这些颤振预报技术在国内已有 一定影响。 由上述概况可以看出，对切削颤振进行控制的方法虽然很多，但大多数都很 难运用在实践上，有些甚至只是从理论上得出的结论而已，完全没有办法实际运 华中科技大学硕士学位论文 用。原因在于这些控制方法大多存在结构复杂、计算量大等缺点，且预报参数不 易选择，导致门限值很难确定。如果设定的门限值过高，可能产生漏报的现象， 如果过低，则可能产生误报。某些学者采用神经网络进行颤振预报控制，虽然预 报速度比较快，但是这种方法往往要利用大量的样本对神经网络进行训练，实际 应用起来比较困难 2 0 j 。 针对工业制造引起大量污染和资源过度消耗的现状，近几年国内许多学者提 出了绿色制造的概念及模式，其根本目标在于：对环境污染最小，而资源利用率 最高。但他们大多只是从大视角论述绿色制造模式的框架结构，而未涉及机械加 工颤振这类根本问题。他们虽然也具体论述了切削液与绿色制造模式的关系，认 为准于切削既可克服湿切削的诸多不足，又可满足切削要求，并将切削液费用降 到最低，并肯定了切削液的冷却、润滑、排屑和防锈四大功能，相应也有不少论 文发表 2 1 , 2 2 , 2 3 】，但几乎无人开展其缓解颤振功能的研究。 由此可知，提出种简单易行、安全可靠的缓解颤振的方法是很有必要的。 广西工学院高中庸通过边界润滑方式来减少刀具的磨损，同时又改变刀具一工件 间的摩擦特性，即将两者之间的摩擦力随相对速度而变的幅值减至最小程度，从 而可有效地控制切削颤振，消除颤振噪声，并显著提高工件表面质量，降低切削 力【2 42 ”。 本文力图从摩擦理论的角度来简化处理所谓复杂的切削颤振问题。即用涂油 润滑方法消除切削颤振和噪声。其基本原理为：在刀具和工件表面同时涂抹一薄 层特殊配制的润滑减振油液，其强粘特性使得刀具微观粗糙表面的谷底油膜厚度 大于峰顶厚度，从而使其摩擦表面的初始轮廓高度相对降低，其表面绝大多数悬 臂微凸体都有了可靠的弹性支承，既可缓和冲击，又可提高微凸体抵抗切向力的 能力，因此可有效减少磨损。这种油膜的引入可使摩擦副间的摩擦力不再因相对 滑动速度的变化而变化，从源头上抑制了摩擦颤振，因而具有显著的社会效益和 经济效益。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 实验设备与材料 2 1 1 实验设备 2 实验方法与结果 1 ) 基本设备 电脑、打印机、c 6 1 4 0 车床( 广西第一机床厂生产) 。 2 ) 测试分析仪器 i n v 3 0 6 d f 智能信号采集处理分析仪、d l f 一3 双通道电荷电压滤波放大器、 d a s p 系统软件一套、压电加速度( y j 9 a 型) 传感器、n d 2 型精密声级计、静态 应变仪。 2 1 2 实验材料 1 ) 切削材料 为获得突出的切削颤振效果，本文选用易形成声辐射的q 2 3 5 无缝钢筒作为切 削材料( 其外圆壁厚尺寸为：节1 2 0 x 6 ，长度分别为1 8 0 、2 0 0 、2 5 0 m m 不等) ；机 夹硬质合会刀片若干。 2 ) 润滑材料 n 6 8 抗磨油、数种添加剂一多种普通机械润滑油。 3 ) 辅助材料 机夹刀杆，电阻应变片，溶剂汽油，丙酮，无水酒精。 2 2 切削力测定实验 2 2 1 切削力测试前的标定实验 本次实验主要测量刀具某点处的变形与刀尖处所受力大小的关系，并绘制 一条力一应变曲线，为后面定量测量车削时刀具在z 向所受的切削力实验及研究 8 华中科技大学硕士学位论文 切削力与切削速度之间关系的实验做准备。 实验原理：将四片电阻应变片( 应变片的阻值基本相同，相差不超过0 0 5 q ) 紧贴在机夹刀杆上( 如图2 2 所示) ，由于刀杆受力后会产生变形，因此紧贴在其 上的应变片将产生与之相当的变形，应变片上的电阻就会随之改变，应变片所形 成的电桥( 如图2 - 1 所示) 平衡会被破坏。将电桥与静态应变仪相接，即可读出其 变形值。 借助于一段钢丝，在刀具切削受力时的受力点上加挂一系列已知重量的物体， 并记录相应的静态应变仪读数，即可绘制一条刀具受力与应变仪读数的标定曲线。 以后的实验中只须读出应变仪上的数据，再与标定曲线对照就可以求出刀具所受 切削力。 直流电桥平衡原理：当工作电源u 。为直流时，设桥臂元件电阻为r ，r 。， 通过两支路的电流分别为，和，：，由欧姆定律可求出图( 2 1 ) 所示输出电压u 。 其中，若 图2 2 应变片在刀具上位置示意图 u t2 雨r 可t r 3 丽- r z r 4 ，砜 ( 2 1 ) r i r 3 = r 2 r 4 ( 2 2 ) 则此电桥电压输出为0 ，此时电桥平衡。因此，直流电桥的平衡条件是两相对桥臂 电阻值的乘积相等。 华中科技大学硕士学位论文 实验中，电阻应变片的贴法如图( 2 2 ) 所示，其接法为半桥双臂方式。在刀 杆上、下各贴一片应变片，当一片受拉应变时，另一片则受压应变，两片电阻值 的增量为差动变化。将两片应变片分别接入相邻的两个桥臂中，则电桥的输出电 压为 u 1 = 筹 江， 此输出电压的变化，即可在应变仪上反映出来，从而可测出相应的刀具受力大小。 本此实验数据记录如表( 2 - 1 ) 所示： 表2 - 1 标定实验记录 应变仪读数( e ) l5184 06 58 39 3 1 3 1 挂物重摄( n ) l1 0 34 1 29 2 61 5 4 ，41 9 5 52 2 0 63 1 3 2 根据表( 2 - 1 ) 中标定实验数据，绘制切削力标定曲线如图( 2 3 ) 所示。从图 中可毗看出，应变仪的读数与所悬挂的重物质量成线性关系，由此可判断刀杆的 形变量与受力成线性关系。 图2 - 3 切削力标定曲线 2 2 2 切削力与切削速度关系的测定 本实验通过改变车床的转速( 不改变切削深度) 进行。目的是了解在其它实验 lo 华中科技大学硕士学位论文 条件不变的情况下，改变切削速度会对切 削力有什么影响。在切削开始时，用游标 卡尺测量钢筒外径，结合车床转速即可求 得钢筒的切削速度。每一次的切削实验中， 一 由于要改变切削速度但是又不能横向退 刀，且必须保持切削深度不变化，这样可 以避免再次退刀和横向进刀产生的误差， 同时也可以使实验时刀具有相同的弹性形 图2 - 4 车削前的刚筒示意图 变，尽最大可能保证实验条件一致。为了解决上述问题，必须解决不横向退刀情 况下的安全实验：考察若不退刀会出现的问题。不难知道，在刀尖与工件紧密接 触时启动车床必然会损坏刀具，常见的破坏形式为崩刀。要解决不退刀又不伤刀 的问题，因此决定在钢筒外圆相应位置开槽，开槽位置间隔1 5 r a m ( 如图2 4 ) 。这 样可以在结束一段实验时使刀具有一段空行程，以便顺利进行后续变速切削实验。 本实验主要测量刀具在不同的转速下切削时所受的z 向切削力，并验证切削 力随切削速度增大而减小的特性。根据上一个实验绘制出的切削力标定曲线求出 静态应变片的变形量所对应的切削力的大小。 实验步骤如下： ( 1 ) 将主轴转速调到3 4 0 r m i n ，进给量调到0 1 1 3 2 m m r 。 ( 2 ) 对刀，使切削深度为o 5 m m ，并自动走刀切削钢筒；从右向左切削，到 第一个糟口为止。停止车床而不退刀( 保持下一次切削的吃刀量与本次相同) 。 ( 3 ) 读取并记录应变仪上的数据。 此阶段实验中，刀片经仔细刃磨，因而切削顺利，无颤振发生，表面粗糙度 可达r a 3 2 以上。为充实实验数据，笔者再次重复上一轮实验，此时从9 5 r m i n 转 速开始从右至左切削钢筒各段，将实验数据记录值取平均列于表( 2 2 ) 。 1 l 华中科技大学硕士学位论文 表2 2 切削力随速度变化的记录数据 切削深度：o 5 m m 钢筒外径( 切前) ：1 5 7 6 m m 钢筒外径( 切后) ：1 5 5 5 m m 刀具为硬质合金刀( y t l 5 ) 进给量：0 11 3 2 m r r d r 根据以上数据，绘制出切削力一速度关系曲线如图( 2 5 ) 所示。 蜘i m s 图2 - 5 切削力一速度关系曲线 2 2 3 切削力与切削深度关系的测定 本实验目的在于研究切削力与切削深度之间的关系，研究在整个切削过程中 切削力的变化情况。 实验步骤如下： 1 ) 把车床主轴转速调到2 1 0 r m i n ，进给量调到0 1 1 3 2 删训r 。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 开动机床，对刀，切削深度调整为o 7 5 r a m 3 ) 自动走刀进行切削，并记录应变仪所显示的数据( 与前面实验一样只记录 中间那段稳定的实验数据) 。 4 ) 切削至0 钢筒的划线处，停止走刀，将刀具纵向退刀，退出后横向不进给， 再将钢简光一刀( 这是因为在上次切削时，刀具由于受力而变形，再切一刀可以 减小变形给下一次切削的影响) 。 5 ) 当应变仪的读数回零后再横向分别进0 5 m m 、o 3 m m 、0 1 m m 、o 0 5 m m 。 重复第3 ) 、4 ) 步继续切削实验。 并将实验数据记录值取平均列于表( 2 - 3 ) 。 表2 3切削深度与切削力的关系 切削深度( m m )应变仪读数( 切削力( n ) ) 0 7 51 1 4 ( 2 7 1 ) 0 57 0 ( 1 6 6 ) 0 34 4 ( 1 0 3 ) 0 12 1 ( 4 7 ) 0 0 51 5 ( 3 3 ) 主轴转速：2 1 0 r r a i n ；进给量：0 “3 2 m m r 从上述实验数据表中可得出切 削力一切削深度关系曲线( 如图2 - 6 所示) ，从曲线中可看出，随着切削 深度的增大，其切削力也逐渐增大。 2 3 切削颤振实验 图2 6 切削力一切削深度关系曲线 2 3 1 切削颤振的形成条件及测试方法 为了获得明显的切削颤振效果，在切削钢筒这种易于形成声辐射的零件前 华中科技大学硕士学位论文 有意将车刀磨出负后角，以增加后刀面与被加工表面的摩擦，降低被m i 表面的 粗糙度，使之出现切削颤振和1 0 0 d b ( a ) 以上噪声。此时被加工表面粗糙度严重下 降到r a l 25 以下。 刀具切削时的振动可简化为单自由度的振动。机械振动的规律可以用振动体 的振动位移、速度和加速度的时间函数来描述，也可以通过振动频谱来描述。振 动体位移、速度和加速度存在着内部联系。其中振动位移主要用于研究加工质量， 以及机械结构的强度和变形；振动速度决定噪声的大小；振动加速度与惯性力成 比例。振动加速度的测量主要用于研究机械结构的疲劳。而振动频谱的测量在于 寻找振源。 本实验既测量刀具的振动频谱，同时也采用加速度传感器来测量刀具 的振动情况。设刀具作单自由度振动时，其振动的频率响应、幅( 相) 频特性有 如下关系： 频率响应特性表达式为： 础俐= 揣 幅频特性表达式为： 4 。( ) = x 4 0 _ _ l = 压翮2 2 2 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 硝归嘴籍 沼 1 4 华中科技大学硕士学位论文 要将刀具与压电加速度传感器固定在一起，则传感器所采集的信号也即可反映出 刀杆在切削加工时的振动情况。借助d a s p 系统的幅频处理或f f t 处理，就可以 得到刀具的振动信息，并同时分析刀具振动的频率成份。本次实验还采用n d 2 型 精密声级计与d a s p 系统相连来采集声音信号，并通d a s p 系统的信号分析来比 较振动信号与声音信号之间的关系，以了解振动振幅最大时的频率与声音中幅值 最大时的频率之间的关系。 本次实验主要测量刀具在线加工时的振动情况，采用不同主轴转速、切削深 度和不同润滑方式的条件下，用加速度传感器采集刀具切削时的各种振动信号， 并用d a s p 系统收存信号并对信号进行处理，进一步分析刀具产生颤振的原因及 在不同情况下的振动情况。 2 3 2 切削颤振的测试 1 ) 刀具和钢筒的固有频率的测定实验 本实验主要测量并记录刀具和钢筒的振动信号，然后进行频谱分析，为下一 步分析切削颤振作准备。测试时所需仪器连接框图如图( 2 7 ) 所示。 图2 7 测试振动仪器连接框图 本次实验将采用压电传感器与大容量数据自动采集和信号处理系统( d a s p 系统) 进行数据采集与分析，其工作原理简要介绍如下： l5 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 压电加速度传感器 压电加速度传感器是一种以压电材料为转换元件的装置，其电荷或电压的输 出与加速度成正比。由于它具有结构简单、工作可靠、量程大、频带宽、体积小、 重量轻、精确度和灵敏度高等一系列优点，目前已成为振动测试技术中使用最广 泛的一种传感器。 压电效应概念某些材料如石英、钛酸 钡等，当受到外力作用发生变形时，其 内部产生极化，从而在其表面有电荷出 现，形成电场。当外力去掉时，这些物 质又重新回复到原来不带电状态。这种 现象称为正压电效应【2 7 j ( 逆压电与之 相反) 。压电式传感器就是应用正压电效应 图2 _ 8 压电晶体示意图 将机械量( 力) 转换成电量。 压电传感器及其等效电路概念由于压电晶体是机一电转换元件( 如图2 8 所示) ， 所以它可测量并最终能将测量结果变换为非电物理量，如力、压力和加速度等。 当压电晶体用作加速度传感器时，它的可测频率范围为0 1 h z 2 0 k h z ，所测的振动 加速度按其不同结构，可达1 0 。4 1 0 5 异。在压电晶片的两个工作面上镀有金属膜， 构成两个电极，由于晶片为绝缘体，因此，压电式传感器可看作一个电荷发生器 和一个电容器。其电容量可按下式计算，即： c 一：三型 ( 2 7 ) “ 占 式中为压电材料的相对介电常数， e o 为真空中的介电常数( f m ) ；a 为压电晶片工作面积( m2 ) ：占为极板间距，即晶片厚度( m ) 【2 8 1 。 当两极板积聚了异性电荷时，在两极板间呈现出电压，即压电加速度传感器 上的开路电压，其计算公式为： 华中科技大学硕士学位论文 铲毒2 嚣e ( 2 8 ) 其中：g 。为沿x x 轴施加外力时，极板上产生的电荷量( c ) ； d 为压电常数，它与材料和切片方向有关( c n ) ； f 为沿x x 轴施加的外力( n ) 。 由上式可知，当压电晶片制成后，其参数d 、占、g ，、岛和a 均已确定，因 此，极板间的电压口。只与施加的外力e 成正比关系。若施加在压电晶片上的外力 不变，且积聚在极板上的电荷又无泄漏时，则在不变的外力继续作用下，其电荷 量是保持不变的。当外力的作用终止时，电荷随即消失。在实际的压电式传感器 中，往往采用两个或两个以上的晶片串接或并接来使用。 并接时，两晶片负电荷集中在中间极板上，而正电荷集中在两侧的极板上。 此时输出的电荷量大、电容量大、时间常数亦大，故适用于测量缓变信号以及需 电荷量输出的场合。其等效电路可看成 图2 - 9 两压电晶片并接时的等效电荷源 图2 - 1 0 压电晶片串联时的等效电压源 是一个与电容并联的电荷源( 见图2 - 9 ) ，图中的r 。是压电式传感器的泄漏电阻 在理想条件下，它应为无穷大，一般要求在1 0 ”1 0 ”q 以上。 串接时，两晶片的正电荷集中在上极板上，负电荷集中在下极板上。此时输 出的电压大，电容小，时间常数亦小，故适用于测量瞬变信号；要求以电压作为 输出和测量电路输入阻抗很高的场合。其等效电路可看成是一个与电容串联的电 1 7 华中科技大学硕士学位论文 压源( 见图2 - l o ) 2 9 1 。 本次实验采用y j 9 a 型传感器测量刀具固有频率，其参数如下： 电荷灵敏度：( 1 6 0 h z ) 4 6 p c m j ： 电容( 包括电缆电容) ：2 1 9 0 p f ： 电缆电容：1 0 5 p f ； 加速度非线性：1 ( 抽检) ； 最大横向灵敏度比：( 1 6 0 h z ) 0 2 ； 绝缘电阻：1 1 0 4 m q 其频率响应表达式为： 以捌2而xol(jco)2骊(on ( 2 - 9 ) 幅频特性表达式为： “班争= 雁丽丽 ( 2 1 0 ) 纵咖一c 瞎格 华中科技大学硕士学位论文 软件：d a s p 软件( d o s 6 1 8 版本) 用途：对采集到的信号进行各种各样的处理( f f t 分析、小波分析、幅频特 性分析、自相关、互相关分析等) 。当刀具振动时加速度传感器可以感知其振动并 将振动量转换成电荷信号。但是由于采集的信号很微弱，所以必须经过电荷滤波 放大器才能让信号采集处理分析仪识别。信号采集仪可以将采集信号存储在电脑 上，并通过d a s p 软件系统来分析和处理所采集信号，即可分析出刀具的振动幅 频特性，及其振动规律 3 0 。 本实验颤振信号收集与处理系统仪器连接示意图如图( 2 。1 1 ) 所示。 图2 - 1 1 仪器连接示意图 测量刀杆固有频率实验方法 将机夹刀杆固定在c 6 1 4 0 车床上方刀夹上，再将压电加速度传感器用双头螺 钉紧固在刀秆上( 如图2 1 2 所示) 。用铁榔头在刀尖处匀速、匀力地敲击，观察示 波状态下的信号是否稳定，若稳定后就可以采集刀杆振动的信号。先敲击悬臂单 刀杆，然后将刀头侧面压住钢筒端面敲击之。并对测得的结果作分析。 i 一 l 厂+ 4 切白 盟 l i l 。7 一 一1 -85 幽 一 图2 一1 2 传感器放置位置示意图 测量钢筒固有频率实验方法 首先用外圆车刀将钢筒的整个表面车光，使其表面光洁度达到r a l 6 以上 华中科技大学硕士学位论文 用橡皮泥把两个加速度传感器固定在钢筒上使之成一条直线，且与机床主轴相平 行( 如图2 1 3 所示) 。接通电源并用钢锤匀速、匀力地敲击钢筒的端面，采集其信 号并保存；用钢锤匀速、匀力地敲击两传感器之间位置，采集信号并保存；最后 把两传感器成9 0 。放置在钢筒上，如图( 2 1 4 ) 所示。重复上述步骤即可。 玩 2 蝴1 r n k n x k k x 沁x 沁x n x n 洲 纩跏一 图2 1 3 传感器在钢筒上成直线放置图2 1 4 传感器在钢筒上成9 0 。放置 敲击刀杆实验记录 敲击悬臂单刀杆所采集的振动波形如图( 2 一1 6 ) 所示： 用d a s p 信号处理系统对其进行去直流、加矩形框、重叠计算、平滑处理后 得到的幅频谱图及在图上自动收集的实验数据( 幅值较大的几个数据) 如下所示。 i ； j j j j l f一岬娜3 一z e ：i t r b , q e + 。帆7 日i z ：i ts 。o 图2 一1 6 敲击悬臂刀杆所得振动幅值谱图 华中科技大学硕士学位论文 表2 4 敲击悬臂刀杆所得振动幅值谱图中的几