基于電流變效應(yīng)的深孔切削顫振防治研究
2018-4-25 來源：中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院 作者：魏旭民
摘要：在電流變液的電流變效應(yīng)基礎(chǔ)上，改進(jìn)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(jìn)行了分析，推導(dǎo)出了切削系統(tǒng)動力學(xué)模型。由 ＭＡＴＬＡＢ軟件仿真結(jié)果表明：切削系統(tǒng)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(xiàn)，從而達(dá)到抑制切削顫振的目的。
關(guān)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(fā)生的強烈的相對振動，具有復(fù)雜的動態(tài)不穩(wěn)定性。而深孔鉆削相比其他切削加工具有更復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，例如刀具的特殊構(gòu)造和鉆桿組件的復(fù)雜工藝，使得鉆削系統(tǒng)加工過程中更容易失穩(wěn)產(chǎn)生振動，從而會導(dǎo)致鉆削力的不穩(wěn)定變化并直接造成深孔加工的穩(wěn)定性差和加工效率低。切削振顫會導(dǎo)致鉆頭刀齒的嚴(yán)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(tǒng)進(jìn)行顫振的抑制，設(shè)計一個能夠有效抑制顫振的減振器已刻不容緩。
隨著科學(xué)的發(fā)展，傳統(tǒng)的振動控制方式已經(jīng)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(qū)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(yīng)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(chǔ)液中靠可極化的介電微粒懸浮形成的。電流變液的屈服應(yīng)力、剪切模量等在電場中能發(fā)生連續(xù)、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(nèi)完成響應(yīng)，由液態(tài)變成固態(tài)，并且其黏度可以快速增加幾個數(shù)量級從而使電流變液失去流動性，當(dāng)撤除電場后，它又能極快地恢復(fù)成原來的狀態(tài)，只要應(yīng)用計算機技術(shù)對通過電流變液的電場強度進(jìn)行調(diào)節(jié)，就能夠?qū)ζ漯ざ群颓?yīng)力實時主動調(diào)控，這將為智能控制開創(chuàng)新的思路和廣闊的前景。基于電流變效應(yīng)，結(jié)合深孔加工機床切削振顫問題，本文設(shè)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(fù)極板中，由于壓力梯度的作用，電流變液會在正、負(fù)極板間隙中做循環(huán)往復(fù)運動，而電流變液受到的剪切力（即阻尼力）由間隙之間的節(jié)流作用提供，只要調(diào)節(jié)電極板之間的電場強度，就可以實現(xiàn)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(tài)，而正、負(fù)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(fù)極板之間的電場強度就可以調(diào)節(jié)電流變液的剪切屈服應(yīng)力，進(jìn)而調(diào)節(jié)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(fù)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(dǎo)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(yīng)用根據(jù)客觀的實驗條件設(shè)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(xué)腐蝕，其表面強度可以達(dá)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(fù)極。底座支撐在導(dǎo)軌上，中心支撐和上缸體固接并與鉆桿形成轉(zhuǎn)動副。當(dāng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)簡圖
圖５ 深孔鉆床兩自由度動力學(xué)模型
圖６ 單自由度動力學(xué)模型
在正常的鉆削過程中，系統(tǒng)的振動幅值一般比較小，通過圖６的簡化動力學(xué)模型和阻尼力的表達(dá)式，可以推導(dǎo)出系統(tǒng)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(chǔ)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(guān)；②電致阻尼力，其大小與電場強度有關(guān)。由于電流變液具有難揮發(fā)性，故本減振器為開放式設(shè)計，與外界氣壓連通，當(dāng)減振器上缸體上下運動時，由缸內(nèi)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(shù)，并且函數(shù)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(tǒng)位移；ｋ為等效剛度系數(shù)；ｃ為等效阻尼系 數(shù)；ｍ為減振器等效質(zhì)量；f0為本底阻尼力。當(dāng)正、負(fù)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(tǒng)可簡化為兩自由度振動系統(tǒng)，應(yīng)用 Ｂｏｕｃ－Ｗｅｍ 模型后得到的動力學(xué)模型如圖５所示。其中，切削系統(tǒng)的等效質(zhì)量為M，未安裝減振器的切削系統(tǒng)阻尼為C1、剛度為K1，減振器的等效阻尼為C2、剛度為K2、質(zhì)量為 ｍ。ｍ 相對于M很小，故可以忽略，所以圖５ 的動力學(xué)模型可簡化為單自由度系統(tǒng)，如圖６所示，其中F(t)為激振力。
３、MATKAB計算機仿真結(jié)果與結(jié)果分析
電流變液減振器的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)會隨著外加電場強度的增大而增大，同時切削系統(tǒng)的固有頻率ωｎ 和阻尼率ξ也會增大。為了了解切削系統(tǒng)的阻尼比（Ｃ／（２Ｍωｎ））、頻率比（ω／ωｎ）與幅頻響應(yīng)的關(guān)系，用ＭＡＴＬＡＢ對該系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)特性曲線進(jìn)行數(shù)值仿真，得到該系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)函數(shù)曲線，如圖７所示。
圖７ 頻率響應(yīng)仿真曲線
從圖７中可以看出，如果振動系統(tǒng)的阻尼比很小，而且激勵頻率又接近系統(tǒng)的固有頻率，那么振動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)振幅很大，并且會發(fā)生共振；而如果減振器的阻尼系數(shù)足夠大，使得C2/C1的比值遠(yuǎn)大于１，則振動系統(tǒng)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(tǒng)振動幅值明顯減小。通過調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)減振器的阻尼，進(jìn)而達(dá)到減振的目的。
４、結(jié)語
本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對電流變液減振器進(jìn)行了改造，設(shè)計了多缸同時工作的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電流變液效應(yīng)在顫振防治方面的應(yīng)用。同時改進(jìn)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(jìn)而提高了電場強度的最大值，為后續(xù)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(fā)生，保障了操作工人的安全.
在深孔切削加工的工藝系統(tǒng)中，加入了剪切模式下的電流變液減振器，針對該振動系統(tǒng)進(jìn)行了動力學(xué)模型的建立和計算機仿真分析。仿真結(jié)果表明：可以通過改變加在電流變液上電場強度的大小，進(jìn)而改變整個系統(tǒng)的阻尼率來達(dá)到防治切削顫振的目的。
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