基於（yú）電流變效應的深孔切削顫振防治研究-數控機床（chuáng）市場網

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基於電流變效應的深孔切削顫振防治研究

2018-4-25 來源：中北大學機械與動（dòng）力工程學院作者：魏旭（xù）民

摘要：在（zài）電流（liú）變液的電（diàn）流（liú）變效應基礎上，改進（jìn）了剪切模式下的深孔電流（liú）變液減振器，對減振器阻（zǔ）尼力公式及影響（xiǎng）因素進行了分（fèn）析，推導出了切削係統動力學模型。由ＭＡＴＬＡＢ軟件仿真結果表明：切削係統的阻尼率變化（huà）可以通過對電（diàn）流變液電場強度的改變而快速實（shí）現，從而（ér）達到抑製切削顫振的目的。

關鍵詞：電流變液減振器；切削（xuē）振顫（chàn）；深孔加工

０、引言

切削顫振是機械加工過程（chéng）中機床、工件和刀（dāo）具之間發生的（de）強烈的相對振動，具（jù）有複雜的動（dòng）態不穩定性。而深孔鑽（zuàn）削相比其他切削加工具有更複雜的係統結構，例如刀具的特（tè）殊構造和（hé）鑽杆組件的（de）複雜工（gōng）藝，使得鑽削係統加工過程中（zhōng）更（gèng）容易失穩產生（shēng）振動，從而會導致鑽削力的不（bú）穩定變化並直接造成深孔加工的穩定性差和加工效率低（dī）。切削振（zhèn）顫會導致鑽頭刀齒的嚴重磨損（sǔn）、崩裂，甚至是鑽杆的斷裂，從而（ér）損傷已加工孔表（biǎo）麵，使鑽杆彎扭、斷裂，甚至造成機床的損壞。所以必須對（duì）深孔加工切削係統進（jìn）行顫振的抑製，設計一個能夠有效抑製（zhì）顫振的減振器已刻不容緩。

隨（suí）著科學的發展，傳統的（de）振動控製方式已經逐漸落伍，新的主動控製理論被提出，相比於被動控製，其主要的區（qū）別便是有明顯的（de）反饋控製回路（lù），電流變材料被越來越多地應用（yòng）在主動控製振動（dòng）的方案中。

電流（liú）變液（Ｅｌｅｃｔｒｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｌｕｉｄｓ，ＥＲ液體）是一種智（zhì）能混（hún）合（hé）液體，它是在絕緣性（xìng）能良好的基礎液中（zhōng）靠可極化的介電微粒懸浮（fú）形（xíng）成（chéng）的。電流變液（yè）的屈服應力、剪（jiǎn）切模（mó）量（liàng）等在電場中能發生連續、可逆、可控的變化，並且能在外加電場的作用下在毫秒級別內完成響應，由液態變成固態，並且其黏度可以快速增加幾個數量（liàng）級（jí）從（cóng）而使電流變液失去流動性，當撤（chè）除電場後，它又能極快地恢複成原來的狀態，隻要應（yīng）用計算機技（jì）術對通過電流變液的電場強（qiáng）度進行調節，就能夠對其黏度和屈（qū）服（fú）應力實（shí）時主動調控，這將為智能控製（zhì）開創新的思路和廣闊的前景。基於電流變效應，結合深孔加工機床切削（xuē）振顫問題，本文設（shè）計了深孔電流變液減振器。

１、深（shēn）孔（kǒng）電流變減振（zhèn）器的工作原（yuán）理

深孔電流變減振器（qì）的工作（zuò）原理大致分為３種：流動模式、剪切模（mó）式和擠壓模式。

１.１流動模式

圖１為流動模式工作原理簡圖。在減振器固定的正、負（fù）極板中，由於壓力梯度的作用，電流變液會在正、負極板間隙中做循環往（wǎng）複運動，而電流變液受到的剪切力（即阻尼力（lì））由間隙之間的節流作用提供，隻要調（diào）節電極板（bǎn）之間的電場強度，就可以（yǐ）實現（xiàn）對阻尼力的改變（biàn）。

１.２剪切模（mó）式（shì）

圖２為剪切模式工作原理簡（jiǎn）圖。由於外（wài）加的振動作（zuò）用，在兩極板中的電流變液基本處於非流動狀態，而正、負極板會在電（diàn）場的垂直方向與電流變液做相對運動，運動的電極會對流體以及流體之間的剪切作用提供阻尼力，隻要（yào）改變正、負極板之間的電（diàn）場強度就可以調節電流變液的剪切屈服應力，進而調（diào）節阻尼力的大小。

圖１　流動模式工作原理簡圖

圖（tú）２　剪切模式工作原理簡圖

１．３　擠壓（yā）模（mó）式

圖３為（wéi）擠（jǐ）壓（yā）模式工作原理簡圖。由（yóu）於振動的作用，正、負極板沿著電場的方向做振蕩運動，此時兩極板間距的變化會導致電（diàn）流變液擠出又（yòu）流入，因此電流（liú）變液在受到拉力和（hé）壓力的同時，也受到剪（jiǎn）切力的作用。

２　電流變液減振器在深孔切削顫振防治中的應用根據客觀的實驗條件設計了基於剪切（qiē）模式的電流變液減振器，對深孔加工的鑽杆進行減振（zhèn）和輔助支撐。

圖３　擠壓模式工作原理簡圖

圖４為（wéi）電流變液減振器結構簡圖。上（shàng）、下缸體（tǐ）中的液體完全接觸部分均含有有機絕緣塗，該塗層可以有效（xiào）地耐磨損和耐化學腐蝕，其表麵強度可以達到金屬鋁的強度，無需再做封孔處（chù）理。在有機絕緣（yuán）塗層浸入電流變液的部分，貼（tiē）有條（tiáo）形銅電極，上缸體條形電極為正極，下缸體條形電極為負極。底座支撐在導軌上，中心支撐和上缸體固接並與鑽杆形成轉動副。當（dāng）鑽杆（gǎn）在加工過程中的振動通過中心支撐傳到上缸體時，上缸體上下運動帶動電極（jí）剪切電流變液從而產生阻（zǔ）尼力。

本減振器安裝在深孔加（jiā）工機床的輸油器和工件之間，與深孔加工機（jī）床中心架安裝位置相同，可以替代其中心架。

圖４　電流變液減振器結構（gòu）簡（jiǎn）圖

圖５　深孔鑽（zuàn）床兩自由度動（dòng）力學模型

圖６　單自（zì）由度動力學模（mó）型

在正常的鑽削過程中，係統（tǒng）的振動幅值一般比較小，通過圖６的簡化動力學模型和阻尼力的（de）表達式（shì），可以推導出係統的運動（dòng）微分方（fāng）程：

電（diàn）流變液減振器的阻尼力分為兩部分：①電流變液的基礎黏度引起的本底阻尼力及上缸（gāng）體（tǐ）運動時的摩擦力，與（yǔ）外加（jiā）電場的（de）強度無關；②電致阻尼力，其大小與電場強度有關。由於電流變液具有難揮發性，故本減振器為開放式設計，與（yǔ）外界氣壓連（lián）通，當減（jiǎn）振器（qì）上缸體上下運動時，由缸內氣體體積變化引起（qǐ）的壓力可以忽略。

大量研究表明，在振幅幅值較小時，阻尼力的大小（xiǎo）可以近似地看（kàn）作以（yǐ）剪切（qiē）速度為自（zì）變量（liàng）的線（xiàn）性函數，並（bìng）且函數斜率隨電場強度的（de）增大而增大。因此減振器的阻尼力近似（sì）表（biǎo）示為：

其中：ｘ為振動係統位移；ｋ為等效剛（gāng）度係數；ｃ為等（děng）效阻尼係數；ｍ為減振器等效質量；f0為本底阻尼力。當正、負電極板之（zhī）間的電場（chǎng）強度改變時（shí），c和f0均（jun1）會改變，如果電場強度為定值，f0也為定值。深孔鑽床安（ān）裝電流變液減振器後係（xì）統（tǒng）可簡化為（wéi）兩自由度振動係統，應用（yòng）Ｂｏｕｃ－Ｗｅｍ模型後得到的動（dòng）力學模（mó）型如圖５所示。其中，切削係統的等效質量為M，未安裝減振器的切削係統阻尼（ní）為C1、剛度為K1，減振器的等（děng）效阻尼為C2、剛度為K2、質（zhì）量為ｍ。ｍ相對於（yú）M很（hěn）小（xiǎo），故（gù）可（kě）以忽（hū）略，所以圖５的（de）動力學模型可簡化（huà）為單（dān）自由（yóu）度係統，如圖６所示，其中（zhōng）F(t)為激振力。

３、MATKAB計算機仿（fǎng）真結果與結果（guǒ）分析

電流變液減振器（qì）的剛（gāng）度係（xì）數和阻尼係數會（huì）隨著（zhe）外加電場強度的增大而增大，同時切削係統的固有頻率ωｎ和阻尼率ξ也會增大。為了了解切削係統的阻尼比（Ｃ／（２Ｍωｎ））、頻率比（ω／ωｎ）與幅頻響（xiǎng）應的關係，用ＭＡＴＬＡＢ對該係統（tǒng）的幅頻響應特性曲線進行數值仿真，得到該係統的幅頻響應函數曲線，如圖７所示。

圖７　頻率響應仿真曲線

從圖７中可以看出，如果振動係統（tǒng）的阻（zǔ）尼比很小（xiǎo），而且激勵頻率又接近係統的（de）固有頻率，那（nà）麽（me）振動係統的穩（wěn）態振幅很（hěn）大，並且（qiě）會發生共振；而如果（guǒ）減振器的（de）阻尼係（xì）數（shù）足夠大，使得C2/C1的比值遠大於１，則振動係統的阻尼比珋ξ顯著增大。隨著阻尼（ní）比的增大，增加減（jiǎn）振器後的係統振動幅值明顯減小。通過調節電流（liú）變液減振器中電極間的電場強度，就可以（yǐ）快（kuài）速（sù）便捷地調節減振（zhèn）器的（de）阻尼，進而（ér）達到減振的目的。

４、結（jié）語

本文在前（qián）人研究的基礎上，對電流變液減振器進行了改造，設計了（le）多缸同時工作的結構，實現了電流變液效應在顫振防治方麵的應用。同時改進了供電模式（shì），從直接在缸體上供（gòng）電改為在有絕緣層的電極上供電，提高了可輸出的最高電壓，進而提高了電場強度的最大值，為後續的實驗提供了高場強的可（kě）行性，還有效地防止了漏電、連電等事故的發生，保障了操作工人的安全.

在深孔切削加工的工（gōng）藝係統中，加入了剪切模式（shì）下的電流變液減振器，針對該振動係統進行（háng）了動力學模型的建立和計算機仿真分析。仿真結果表明：可以通過改變（biàn）加在電流變液上電場強（qiáng）度的大小，進（jìn）而改變整個（gè）係統的阻尼率來達（dá）到防治切削顫振的目的。

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