CN116140658A - 一种通过超声振动抑制车削中杆类零件自激振动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过超声振动抑制车削中杆类零件自激振动的方法。在对零件进行车削加工的过程中，通过检测算法实时监测工件是否产生自激振动。若检测到工件产生了自激振动，则启动超声振动装置，超声振动装置产生超声振动并加载至工件，利用超声振动周期性改变车削***刚度，进而抑制自激振动，提高加工质量。这种自激振动抑制方法不仅结构简单无需专用机床，而且能够提高加工质量，减小自激振动对工件与机床的损害。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种通过超声振动抑制车削中杆类零件自激振动的方法。
背景技术
车削加工是机械制造中最基本的加工方式之一，被广泛应用在航空、航天、船舶、化工、汽车等制造领域的零部件制造中。然而由于车削***的刚度较差，在车削加工的过程中，工件常常发生自激振动，这种现象不仅会极大地影响生产效率以及加工质量，同时还会产生大量的噪音并严重降低刀具的使用寿命，对加工设备造成严重危害。日益发展的制造业对加工效率、加工质量与加工成本提出了更高的要求，因此更需要一种简单、精确、可靠的自激振动检测识别与抑制方法，避免自激振动对工件和机床部件的危害。
常见的抑制工件自激振动方法主要分为主动抑制与被动抑制两种。被动抑制是通过改变***的行为来抑制自激振动，主要方式有改进机床设计以提高切削***的刚度、阻尼，或使用可以吸收能量或破坏再生效应的附加装置例如振动吸收器、摩擦阻尼器或调解阻尼器等。被动抑制虽然具有易于实现、成本低并且不需要外部能量输入等优点，但是由于切削过程中切削***具有极大的不确定性，所以被动抑制技术的应用非常受限。主动抑制是基于传感器技术采集振动信号，将信号加以处理并传送至控制***，控制***通过实时运算输出指令至执行器，执行器输出相位相反的力或位移，从而达到抑制自激振动的目的。但是此种方法所需的动态模型或算法在实践中很难建立，因此很难应用于自激振动的在线检测。
近些年来随着技术的发展，基于过程参数扰动的半主动抑制方式已经越来越多地受到关注。其中，从能量角度出发的刚度扰动法，是一种行之有效的自激振动抑制方式。过程参数扰动即通过对工艺参数或结构参数进行扰动，常用的参数扰动法主要是采用周期性的改变主轴转速实现，但由于相关理论研究极度匮乏，如何选择扰动频率与扰动幅值等诸多问题始终没有解决。
超声振动是利用超声波作为动力，带动工件做超声振动。超声振动***一般由超声波发生器、换能器及变幅杆组成。高频电通过压电陶瓷转化为机械能，变幅杆将高频机械振动进行放大，并传递给超声振动单元，从而实现超声振动。超声振动的频率通常大于15kHZ，振幅通常为微米级。超声振动与切削、滚压等工艺的结合已经解决了诸多传统加工方式难以解决的难题，超声振动辅助加工已经成为一种解决加工过程中力、热与表面完整性的重要技术。
发明内容
有鉴于现有技术的诸多缺陷，本发明主要解决的技术问题是如何在实现对工件自激振动的在线检测并通过超声振动实现弱刚度杆类零件车削过程中的自激振动的抑制。
为实现上述目的，如图1所示，本发明提供了一种通过超声振动抑制车削中杆类零件自激振动的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过激光位移传感器采集工件与刀具径向位移的数据信息并加以处理；
步骤2、通过检测算法识别工件是否产生自激振动；
步骤3、如果工件没有产生自激振动，则按既定切削参数继续加工；如果工件已经产生自激振动，则通过时变刚度扰动法计算抑制自激振动所需的结构固有频率的变化范围；
步骤4、根据计算所得的变化范围，设定超声振动的幅值与频率并启动超声振动装置；与此同时，切削参数如进给率和切削深度等保持不变；
步骤5、启动超声振动装置并将超声振动加载至工件后，若仍能识别到超声振动的发生，则停止加工。
进一步地，步骤1中，所述检测算法是基于加工过程中工件与刀具的径向位移信号所实现的。
进一步地，所用的位移传感器为激光位移传感器。
进一步地，在步骤2中，所述检测算法包括对所收集信号的特征指数进行希尔伯特变换，所得瞬时相位差与预定的阈值比较，来判定工件是否产生自激振动。
进一步地，在步骤2中，所用滤波器为四阶数字巴特沃斯带通滤波器。
进一步地，在步骤3中，所述推导方法为时变刚度法，计算方法如下:
对于车削***来说，能量的输入取决于
为当前刀齿周期的振动位移与前一刀齿周期的振动位移之间的相位差。当工件发生自激振动时，/>
应有如下的关系：
进一步地，在步骤4中，所述超声振动由一种可调节频率与振幅的一维超声振动发生装置产生。
进一步地，在步骤4中，所述超声振动的特征值呈方波变化，所述计算方法如下：
因此在工件产生自激振动之后，本发明所述的方法可以用快速准确的估算方法识别工件已经产生自激振动并通过超声振动的方法影响工件的刚度，进而扰动***的固有频率，达到抑制工件自激振动的目的。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.无接触式的位移数据采集精度与灵敏度更高，且对加工过程无影响。
2.基于单一数据量的识别算法反应更快，提高了***整体的响应速度。
3.基于时变刚度法与超声振动的自激振动抑制方法对设备要求低，有利于广泛应用。
4.超声振动装置结构简单，抑制自激振动效果佳。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的装置示意图；
图2是本发明的原理流程图。
具体实施方式
如图1所示，以弱刚性杆类零件的车削为例，
(1)加工之前，在普通数控车床上安装频率与振幅可调的一维超声振动发生装置与激光位移传感器。
(2)通过激光位移传感器采集工件与刀具的径向位移，并使用四阶数字巴特沃斯带通滤波器进行信号处理。其中识别算法的原理为：
由于刀具与工件的径向绝对位移以及工件的角位移都是可以计算与测量的，因此可以通过简单地相减计算未切削切屑的厚度的变化，则
ΔF(t)＝-α[YW(t)-YT(t)-{YW(t-Ω)-YT(t-Ω)}]＝-αΔChip(t),
其中ΔF(t)为切削力的变化，ΔChip(t)为未切削切屑的厚度的变化，Ω为工件转动的周期， YW(t)与YT(t)分别为工件与刀具在Y轴上的位移。通过比较ΔF与YW的波形，便能求解出相位差。
对刀具和工件的位移测量围绕工件固有频率进行带通滤波以获得相关的窄带信号，得到时域下的一般解析信号，
qA(t)＝q(t)+iqH(t),
其中
希尔伯特变换qH可以表示为，
其中PV为柯西主值，则瞬时相位可以表示为，
如果瞬时相位差超过了预设的阈值±90°，则可以判定工件产生自激振动。
(3)具有时变固有频率的自激振动抑制机制，本质上是从能量的角度解释加工工件时自激振动的成因，并通过周期性的改变***固有频率以破坏自激振动产生的必要条件，由此达到抑制自激振动的目的。
车削***本身是一个具有多自由度的复杂振动***，但是由于各自由度对***振动的影响大小并不完全相同，存在一个明显的薄弱环节决定了工件自激振动的主要特性。因此可以将整个***简化为单自由度振动***，以便于应用简单的数学分析方法。
***为单自由度振动***，根据再生效应，切削力可以表示为，
其中,kd为每个切削面积单元的刚度，b为切削宽度，a0为名义切削厚度，A为切削振动幅值，μ为重叠系数，ω为自激振动频率，
为当前刀齿周期的振动位移与前一刀齿周期的振动位移之间的相位差。
由此振动***从外部获得的能量可以通过切削力来表达，在每个循环中振动***获得的能量可以表示为，
其中，β为切削力与主模态方向的夹角，y为车刀切削刀尖与工件的相对位移，T为振动周期。
每个振动周期内振动***所消耗的能量主要为结构阻尼所耗散的能量，可以表示为，
Q＝πhA2,
其中h为等效结构阻尼。
所以在车削过程中，如果振动***输入的能量E大于耗散的能量Q，则振动***将处于不稳定的状态，工件将会产生自激振动。如果振动***输入的能量E小于耗散的能量Q，则振动***将处于稳定的状态，工件不会产生自激振动。由此可得工件产生自激振动的必要条件为，
此外，
还有以下表达，
其中自激振动频率ω与振动***的当量静刚度系数k亦有如下关系，
所以，通过超声振动影响振动***的刚度进而改变振动***的结构固有频率，只要这个改变足够大，就可以使
脱离使得工件产生自激振动的不稳定区间，从而达到抑制工件自激振动的目的。
(4)超声振动的频率一般远高于工件自激振动的频率，振幅亦远小于工件自激振动的振幅。因此将超声振动加至工件，并不会对加工过程产生负面影响。
另一方面，由于脉冲力作用在细长的工件上，从而使得原来的工件形状能保持不变，其当量静刚度系数增大，得到了如同加工大直径的工件同样的效果。工件的结构固有频率也将发生改变，而这一改变也会作用于当前刀齿周期的振动位移与前一刀齿周期的振动位移之间的相位差，使得振动***输入能量与耗散能量之间的大小关系发生改变，进而使得振动***趋于稳定，达到抑制自激振动的目的。
将超声振动加载至工件之前的当量静刚度系数k与将超声振动加载至工件之后的当量静刚度系数K有如下关系：
其中v为切削速度，a为超声振动的振幅，f为超声振动的频率。
因此根据相位差的不稳定区间，选取合理的超声振动的特征参数，就可以有效抑制工件的自激振动。但是根据上述公式不难看出，如果变换后的当量静刚度系数恒定为一个固定的值，则可能再次出现自激振动，产生新的相位差的不稳定区间，所以所加载至工件的超声振动，其特征参数不能为定值，而是呈方波变化。该种波形下的超声振动特征参数具有变化快以及变幅大的特点，符合抑制自激振动的要求。
(5)当工件已经产生自激振动，用超声振动抑制工件自激振动的方法后，仍然无法实现抑制自激振动的目的，则应当停止加工。
以上详细描述了本发明的实施思路与理论依据。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种通过超声振动抑制车削中杆类零件自激振动的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过激光位移传感器采集工件与刀具径向位移的数据信息并加以处理；
步骤2、通过检测算法识别工件是否产生自激振动；
步骤3、如果工件没有产生自激振动，则按既定切削参数继续加工；如果工件已经产生自激振动，则通过时变刚度扰动法计算抑制自激振动所需的结构固有频率的变化范围；
步骤4、根据计算所得的变化范围，设定超声振动的幅值与频率并启动超声振动装置；与此同时，切削参数如进给率和切削深度等保持不变；
步骤5、启动超声振动装置并将超声振动加载至工件后，若仍能识别到超声振动的发生，则停止加工。
2.如权利要求1所述，步骤1中，所述检测算法是基于加工过程中工件与刀具的径向位移信号所实现的。
3.如权利要求2所述，所用的位移传感器为激光位移传感器。
4.如权利要求1所述，在步骤2中，所述检测算法包括对所收集信号的特征指数进行希尔伯特变换，所得瞬时相位差与预定的阈值比较，来判定工件是否产生自激振动。
5.如权利要求4所述，在步骤2中，所用滤波器为四阶数字巴特沃斯带通滤波器。
6.如权利要求4所述，在步骤3中，所述推导方法为时变刚度法，计算方法如下:
如权利要求1所述，在步骤4中，所述超声振动由一种可调节频率与振幅的一维超声振动发生装置产生。
7.如权利要求1所述，在步骤4中，所述超声振动的特征值呈方波变化，所述计算方法如下：
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|---|---|---|---|
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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