摘要: 為減小BTA 深孔鑽削加工過程中鑽杆振動對刀具壽命和工件加工精度的影響，開發（fā）了一種鑽（zuàn）杆振動主動控製係統（tǒng）。所設計的超磁致作動器( GMA) 能（néng）夠滿足鑽削振動高頻響和高精度的（de）控製要求。在係統總體設計的基礎上分別對鑽杆振動模型和作動器（qì）動力學特性進行了分析，建（jiàn）立了傳遞函數模型（xíng）。利用MATLAB 軟件對PID 算法（fǎ）控製係統進行仿真，最終通過實驗（yàn）驗證了所設計的（de）振動（dòng）主動控製係統對鑽（zuàn）杆振動抑製的（de）有效性（xìng）。

 
      BTA 深孔加工技術廣泛運用（yòng）於重要部件高（gāo）精（jīng）度深孔鑽削過程中，在國防，航空和汽（qì）車等行業領域占有重（chóng）要地位。BTA 深孔鑽削係統中鑽杆長徑比很大，隨著鑽削過程的進行易引起（qǐ）鑽杆的偏心振動 。深孔鑽杆的偏心振動對工件的加工精度及刀具壽命有著重要的影響，Gessesse 等 通過實（shí）驗研究了在深孔加工過程中鑽杆的振動與孔螺旋的關係。Ahmadi 等 分析了鑽削過程中不同（tóng）形式的振動對刀具磨損的影響。隨著細（xì）長的鑽杆深入工件內部，其（qí）動態特性在切削液與切屑的作用（yòng）下變得十分複雜，研究鑽（zuàn）杆振（zhèn）動機理與減（jiǎn）振技術，成（chéng）為當今深（shēn）孔加工技術中的熱點 。筆者（zhě）在BTA 鑽杆振動偏心運動理論分析的基礎上，將超磁致伸縮材（cái）料應用於（yú）深孔鑽杆振動（dòng）控製（zhì）中，以PID 控（kòng）製算法作為其控製策略，使作動器產生相應輸出力抑製鑽杆振動。通過軟件仿真和現場試驗，驗證了該係統對鑽杆振動抑（yì）製的效果（guǒ），對於提高深孔鑽杆鑽削過程中的（de）穩定性具有一定的理論與實際（jì）意義。

      1 、鑽杆振動模型分析
 

      鑽（zuàn）杆偏心（xīn）振動是鑽杆（gǎn）在（zài）鑽削加工中的一種失穩現象，對（duì）工件精度和加工工藝過程都影響較大。鑽杆在鑽削過程中易發生繞軸心（xīn）線擺動的（de）偏心（xīn）振動，由於鑽杆邊進給邊繞軸線的偏心振（zhèn）動容易導（dǎo）致（zhì）鑽頭在工件內孔（kǒng）留下如圖1 所示的（de）螺旋形刮痕。

      在（zài）深孔鑽削過程中BTA 鑽杆偏心振動可以導致共振段鑽杆在自轉的同時（shí）以一定速度繞工件孔軸線（xiàn）進行公轉（zhuǎn），由此（cǐ）產生的彎曲（qǔ）應力將破壞鑽削穩定性（xìng）。

      2 、鑽杆振動（dòng）主動控製
 
 
      2． 1 主動控製係統
 
 
     超磁致伸縮作動器( GMA) 是在超磁致伸縮材（cái）料基礎上開發的（de）新型作動器。這種新型材料具有能量轉化效率高、響應速度（dù）快、頻帶寬等優點。基（jī）於以上性能（néng），設計了如圖3 用於BTA 深孔鑽（zuàn）床的振動控製（zhì）係（xì）統。
  

     深孔鑽削加工時，鑽杆（gǎn）旋轉進給的同時，受到鑽頭（tóu）傳遞的切削力、切削液作用力、鑽杆變形（xíng）彈性力等的影響（xiǎng），使鑽杆產生了偏心振動。針對鑽杆（gǎn）偏心振動設計主動控製策略可以對（duì）這種振動起到有效的控製。其控製部（bù）分由超磁致伸縮作（zuò）動（dòng）器（qì）、I /O 接口電路、傳感器（qì）和計算機組成。當鑽（zuàn）杆在（zài）加工過程中產生偏心振動時，渦流傳感器檢測（cè）到鑽杆的偏（piān）心位移。位移（yí）變化量經傳感（gǎn）器放大（dà）後轉化為模擬的電信號，該信號再經過A/D轉換器以（yǐ）數字信號模（mó）式進入控（kòng）製計算機。再由計算機（jī）中設定的（de）控製算法將輸入信號處理為合適的輸出量，輸出量在D/A 轉（zhuǎn）換器和功率放大器作（zuò）用下驅動作（zuò）動器，通過輸出的作用力（lì）來達到對鑽杆振（zhèn）動的控製。如圖4 為設計的與BTA 鑽杆連接的GMA 作（zuò）動（dòng）器。

      超磁（cí）致伸縮作動器的磁路由外套、輸出杆、永磁鐵和底座組成。GMM 棒處於激勵線圈和磁鐵（tiě）作（zuò）用下的磁場中。當激勵線圈中的電流發生變化時，GMM 棒（bàng）產生對應的伸縮變形，推動導杆運（yùn）動，將磁致伸縮作用力通過連（lián）接板作用於振動鑽杆。作動器的磁路（lù）磁動勢為  :

      2． 2 鑽杆主動控（kòng）製仿真與實驗
 
 
      為了達到較好的控製效果，選擇PID 控製器作為控製算法。PID 是一種應用於工業自動化控製的成熟係統，其在偏差控製方麵能夠綜合考（kǎo）慮（lǜ）過去、現在、將來的信息，有利於提高振動主動（dòng）控製係統性能。在MATLAB 環境（jìng）中（zhōng）建（jiàn）立如圖5 所示的PID 控製Simulink 仿真框圖（tú），仿真中（zhōng）以振幅50 μm，頻率為（wéi）40 Hz的正弦信號作為係統的隨機激勵，得到如圖6
所（suǒ）示控製結果。

      從圖6 中可以看出（chū）振動控製前振動位移幅度為50 μm，振動控製後振動位（wèi）移幅度（dù）減小至20 μm，減小振動幅值的60%。
 
     本係統的實驗在深孔加工（gōng）中心的裝有BTA 係統的深孔鑽床上進行，采用鑽杆旋轉進給（gěi）的形式（shì）對工件進（jìn）行加工，相應的實驗參數: 切削液類型為5% 乳化（huà）切削（xuē）液; 切削液壓力為2． 50 MPa; 切削液（yè）流量為: 90 ～110 L /min; BTA 鑽頭材料為YT15。在正常的鑽削加工過程中，機床加工轉速範（fàn）圍為150 ～ 300 r /min，采樣頻（pín）率設定為1 200 Hz，在一個振（zhèn）動（dòng）周期內（nèi）采樣次（cì）數滿足控（kòng）製要求。加工45#鋼工件（jiàn），直徑30 mm，鑽削1 200mm 通孔。開啟鑽床根據加工經驗，鑽（zuàn）杆主軸（zhóu）轉速設定為220 r /min。圖7 為振動主動控製效果圖，由圖中可以看出（chū）當工件達（dá）到正常加工轉速後，鑽杆振動幅值較大，當在第20 s 對（duì）鑽杆振動主動控製後，其振幅由大約20 μm 減小到5 μm 左（zuǒ）右，其振動幅度衰減約為75%，振動控製效果明顯。

      通過對所加工工件內孔測量，控製前工件加工段（duàn）內孔粗糙度為2 μm，控製後內孔粗糙度值減（jiǎn）小到1． 5 μm; 在施加控製的（de）條件下工件內孔直線度（dù）誤差為2． 8 μm，相同實驗條件下未加（jiā）振動控製工件直線（xiàn）度（dù）誤差為3． 6 μm。經振動控製後，有效提高了工件加工精度。

      3 、結語

      ( 1) 分析了深孔鑽削過（guò）程中鑽杆產生偏心振動（dòng）的原因，鑽杆鑽削時受不均勻力作用產生的偏心振動，對工件的精度有重要影響。
      ( 2) 設計了基（jī）於超磁致伸縮作動器的深孔鑽削振動主動控製係統，該裝置通過相應的控製策略，施力於振動鑽杆，實現對鑽杆偏心振動（dòng）的控製。
      ( 3) 通過實驗表明，所設計的振動主動控製係（xì）統可在很大程度上（shàng）減小鑽（zuàn）杆振動幅值，進而提高工件精度。該振動控製裝（zhuāng）置在深孔（kǒng）鑽削振動控製領域具有一定的應（yīng）用價值和前景。