基于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 機械與動力工程學院 作者：魏旭民
摘要：在電流變液的電流變效應基礎上，改進了剪切模式下的深孔電流變液減振器，對減振器阻尼力公式及影響因素進行了分析，推導出了切削系統動力學模型。由 ＭＡＴＬＡＢ軟件仿真結果表明：切削系統的阻尼率變化可以通過對電流變液電場強度的改變而快速實現，從而達到抑制切削顫振的目的。
關鍵詞：電流變液減振器；切削振顫；深孔加工
０、引言
切削顫振是機械加工過程中機床、工件和刀具之間發生的強烈的相對振動，具有復雜的動態不穩定性。而深孔鉆削相比其他切削加工具有更復雜的系統結構，例如刀具的特殊構造和鉆桿組件的復雜工藝，使得鉆削系統加工過程中更容易失穩產生振動，從而會導致鉆削力的不穩定變化并直接造成深孔加工的穩定性差和加工效率低。切削振顫會導致鉆頭刀齒的嚴重磨損、崩裂，甚至是鉆桿的斷裂，從而損傷已加工孔表面，使鉆桿彎扭、斷裂，甚至造成機床的損壞。所以必須對深孔加工切削系統進行顫振的抑制，設計一個能夠有效抑制顫振的減振器已刻不容緩。
隨著科學的發展，傳統的振動控制方式已經逐漸落伍，新的主動控制理論被提出，相比于被動控制，其主要的區別便是有明顯的反饋控制回路，電流變材料被越來越多地應用在主動控制振動的方案中。
電流變液（Ｅｌｅｃｔｒｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｌｕｉｄｓ，ＥＲ 液體）是一種智能混合液體，它是在絕緣性能良好的基礎液中靠可極化的介電微粒懸浮形成的。電流變液的屈服應力、剪切模量等在電場中能發生連續、可逆、可控的變化，并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，并且其黏度可以快速增加幾個數量級從而使電流變液失去流動性，當撤除電場后，它又能極快地恢復成原來的狀態，只要應用計算機技術對通過電流變液的電場強度進行調節，就能夠對其黏度和屈服應力實時主動調控，這將為智能控制開創新的思路和廣闊的前景。基于電流變效應，結合深孔加工機床切削振顫問題，本文設計了深孔電流變液減振器。
１、深孔電流變減振器的工作原理
深孔電流變減振器的工作原理大致分為３種：流動模式、剪切模式和擠壓模式。
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、負極板中，由于壓力梯度的作用，電流變液會在正、負極板間隙中做循環往復運動，而電流變液受到的剪切力（即阻尼力）由間隙之間的節流作用提供，只要調節電極板之間的電場強度，就可以實現對阻尼力的改變。
１.２ 剪切模式
圖２為剪切模式工作原理簡圖。由于外加的振動作用，在兩極板中的電流變液基本處于非流動狀態，而正、負極板會在電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，只要改變正、負極板之間的電場強度就可以調節電流變液的剪切屈服應力，進而調節阻尼力的大小。
圖１ 流動模式工作原理簡圖
圖２ 剪切模式工作原理簡圖
１．３ 擠壓模式
圖３ 為擠壓模式工作原理簡圖。由于振動的作用，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流變液擠出又流入，因此電流變液在受到拉力和壓力的同時，也受到剪切力的作用。
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于剪切模式的電流變液減振器，對深孔加工的鉆桿進行減振和輔助支撐。
圖３ 擠壓模式工作原理簡圖
圖４為電流變液減振器結構簡圖。上、下缸體中的液體完全接觸部分均含有有機絕緣涂，該涂層可以有效地耐磨損和耐化學腐蝕，其表面強度可以達到金屬鋁的強度，無需再做封孔處理。在有機絕緣涂層浸入電流變液的部分，貼有條形銅電極，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并與鉆桿形成轉動副。當鉆桿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剪切電流變液從而產生阻尼力。
本減振器安裝在深孔加工機床的輸油器和工件之間，與深孔加工機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簡圖
圖５ 深孔鉆床兩自由度動力學模型
圖６ 單自由度動力學模型
在正常的鉆削過程中，系統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表達式，可以推導出系統的運動微分方程：
電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體運動時的摩擦力，與外加電場的強度無關；②電致阻尼力，其大小與電場強度有關。由于電流變液具有難揮發性，故本減振器為開放式設計，與外界氣壓連通，當減振器上缸體上下運動時，由缸內氣體體積變化引起的壓力可以忽略。
大量研究表明，在振幅幅值較小時，阻尼力的大小可以近似地看作以剪切速度為自變量的線性函數，并且函數斜率隨電場強度的增大而增大。因此減振器的阻尼力近似表示為：
其中：ｘ為振動系統位移；ｋ為等效剛度系數；ｃ為等效阻尼系 數；ｍ為減振器等效質量；f0為本底阻尼力。當正、負電極板之間的電場強度改變時，c和f0均會改變，如果電場強度為定值，f0也為定值。深孔鉆床安裝電流變液減振器后系統可簡化為兩自由度振動系統，應用 Ｂｏｕｃ－Ｗｅｍ 模型后得到的動力學模型如圖５所示。其中，切削系統的等效質量為M，未安裝減振器的切削系統阻尼為C1、剛度為K1，減振器的等效阻尼為C2、剛度為K2、質量為 ｍ。ｍ 相對于M很小，故可以忽略，所以圖５ 的動力學模型可簡化為單自由度系統，如圖６所示，其中F(t)為激振力。
３、MATKAB計算機仿真結果與結果分析
電流變液減振器的剛度系數和阻尼系數會隨著外加電場強度的增大而增大，同時切削系統的固有頻率ωｎ 和阻尼率ξ也會增大。為了了解切削系統的阻尼比（Ｃ／（２Ｍωｎ））、頻率比（ω／ωｎ）與幅頻響應的關系，用ＭＡＴＬＡＢ對該系統的幅頻響應特性曲線進行數值仿真，得到該系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，如果振動系統的阻尼比很小，而且激勵頻率又接近系統的固有頻率，那么振動系統的穩態振幅很大，并且會發生共振；而如果減振器的阻尼系數足夠大，使得C2/C1的比值遠大于１，則振動系統的阻尼比珋ξ顯著增大。隨著阻尼比的增大，增加減振器后的系統振動幅值明顯減小。通過調節電流變液減振器中電極間的電場強度，就可以快速便捷地調節減振器的阻尼，進而達到減振的目的。
４、結語
本文在前人研究的基礎上，對電流變液減振器進行了改造，設計了多缸同時工作的結構，實現了電流變液效應在顫振防治方面的應用。同時改進了供電模式，從直接在缸體上供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，為后續的實驗提供了高場強的可行性，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藝系統中，加入了剪切模式下的電流變液減振器，針對該振動系統進行了動力學模型的建立和計算機仿真分析。仿真結果表明：可以通過改變加在電流變液上電場強度的大小，進而改變整個系統的阻尼率來達到防治切削顫振的目的。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
