减振刀具技术研究进展

■高效切削及刀具国家地方联合工程实验室 （黑龙江哈尔滨 150080） 刘立佳 刘献礼 许成阳 边立健

减振刀具技术研究进展

■高效切削及刀具国家地方联合工程实验室 （黑龙江哈尔滨 150080） 刘立佳 刘献礼 许成阳 边立健

本文阐述了切削振动产生原因和危害，介绍了减振刀具在国内外的发展现状，分析了减振刀具各种减振方式及市场上流行的减振刀具产品，展望了减振刀具未来发展方向。

刀具振动产生的原因及危害

1. 产生的原因

20世纪60年代，以Teeness为代表的刀具研究团队，已经充分证明切削产生振动的根源：“振动可看成是切削刀具的可变挠曲，如果无挠曲，也就无所谓振动。”导致刀具切削过程产生振动的因素有很多，主要有以下三方面：①包括刀具在内的工艺系统刚性不足，导致其固有频率低。②切削产生了一个足够大的外激力。③这个外激力的频率与工艺系统的固有频率相同，随即产生共振。

2. 危害

随着近年来难加工材料的应用和高速切削的技术推广，振动成为了提高加工效率的障碍之一，振动的产生直接影响了加工精度和表面粗糙度；使刀具磨损加快，甚至产生崩刃，严重降低刀具寿命，振动使得机床各部件之间的配合受损，精度下降，严重时会使切削加工无法进行。

刀具减振技术

1. 被动减振技术

被动控制是通过增加切削系统刚度、阻尼或者附加被动动力吸振器(Dynamic vibration absorber,DVA)吸收振动来抑制颤振的方法。

（1）材料减振。利用材料减振方法主要是使用高强度的新型材料来增加刀具质量和静刚度来防止颤振，刚度和强度都比较大的硬质合金材料备受青睐。

日本东芝公司将减振刀杆的两边平行的切除一部分，镶嵌上硬质合金材料，这种三明治结构受到硬质合金材料自身刚度和厚度以及镶嵌粘结紧密程度的影响，最大长径比也只有6，如图1所示。山特维克可乐满公司在镗杆内如注入比重较高的类似水银的重金属增加静刚度，但是这种镗杆在镗削加工过程中一旦断裂会产生很严重的环境污染，如图2所示。美国的肯纳公司生产的减振刀具（刀杆最大长径比L/ D=8）主要是采用特殊的材料制成，也属于提高刀杆静刚度的一种，如图3所示。日本三菱公司采用新型材料和结构的减振镗杆，其商标为Dimple，为了提高镗杆的减振性能且保证镗杆静刚度，三菱公司在设计种镗杆时，大幅度的减轻了镗杆镗削头的质量，如图4所示。国内的一些减振刀具很多都处于研究阶段，采用的都是增加刀体静刚度的方法，例如镍基重合金防振刀具等。但是大部分的减振措施都是在工艺上进行改良或是在加工过程中采用一些技巧。

图1 三菱减振镗杆

图2 山特维克可乐满减振镗杆

图3 肯纳减振镗杆

图4 三菱减振镗杆

此外，Nagano S、Takayuki K采用基于树脂的碳纤维增强塑料增强镗杆抑振性能。Lee D G等设计的镗杆，利用高刚度碳纤维环氧复合阻尼，长径比为10.7时颤振还没发生。吴能章、周利平对镗杆的芯部嵌入硬质合金的新型刀具进行了分析，在允许的精度范围内制作长径比较大的刀杆。Hwang HY、Kim JK等人，通过采用特殊的材料——高刚度碳纤维复合型材料来制造镗杆，来提高镗杆的静刚度，从而达到降低镗杆振动的目的。研究表明这种镗杆在长径比为10时，其在切削过程中的振动还不是很明显。西华大学则从复合材料角度来研究刀具的静刚度。专家学者早年就在新型材料上进行深入探究,并取得较好成果应用在生产上,并且新型高强度材料的应用能很好的和其他减振方法有机结合,但是应用新型材料一般成本较高。

（2）阻尼减振。阻尼减振原理，主要通过增大系统阻尼系数使得振动的能量加速损耗，达到振幅迅速衰减的目的。Hahn、R.R曾把液体阻尼的兰契斯特阻尼应用在镗杆，质量块放在靠近刀具的一端的空腔里，注入油介质并保证质量和孔壁之间的径向间、轴向间隙根据体积和介质调整。

黄宏彪将挤压液膜阻尼技术应用于精镗孔加工中，对精镗孔加工液膜阻尼系统进行仿真，分析了液膜阻尼器各相关参数对减振效果的影响规律。

何将三从弹性力学基本理论出发，讨论了层复合阻尼镗杆的结构和动力学模型，镗杆发生机械振动时，粘附的阻尼层随镗杆作弯曲振动，阻尼材料产生交变的拉压应力和应变，使结构的振动能量得到损耗而达到减振效果。

山东大学夏峰等人设计的约束型减振镗杆，如图5所示，包括四个部分：镗刀头、基体层、阻尼层和约束层，并通过实验验证相同长径比（L/D=6）下，采用该镗杆所得到的表面粗糙度较普通镗杆降低50%，证明了约束型阻尼减振镗杆的良好抗振性，目前该镗杆还只是处于试验阶段。

（3）摩擦减振。叶伟昌等在镗杆内部放置一重块，被支承在两个弹簧中间，重块选用密度大的材料，在镗削加工过程中，腔内组合件组成一个动态系统，该系统在支承面上连续不断地运动，产生一种吸收镗杆振动的阻尼摩擦，可减小镗杆的振动。类似的还有扭转摩擦减震器（Lanchester damper），它用弹簧连结系统的主质量和附加质量，如图6所示。

日本的Ecita Edhi等在镗杆内设计摩擦减振器，通过调整永磁块、振子质量、空间三者关系，改变摩擦消振能力，从理论和实验都证明摩擦阻尼器有效抑制赫兹附近的高频颤振。摩擦减振原理主要通过主结构与附加质量的摩擦中消耗能量，来抵消镗杆振动时的能量，具有非线性的特点。

图5 约束阻尼型镗杆结构1.刀头 2.基体 3.阻尼层 4.约束层

图6 采用弹簧支承高密度金属块的镗杆

赵东等探讨了一种新型耗能摩擦阻尼器的耗能原理及其在重型机械振动控制中的简单变力双向摩擦阻尼器。如图7所示，工作时，外壳体或活塞中的一个与振源机械连接，另外一个固定在基础上。振源机械振动时，带动阻尼器的活塞和外壳体产生相对运动，在摩擦力的作用下，滚柱转动，由间隙最大的位置向间隙较小的位置滚动，从而对弹性体进行挤压，弹性体产生的抵抗力使滚柱与外壳体产生摩擦力，消耗振动能量。

瑞士Rego-Fix公司则现阶段新推出一种Xtended Length（X L）加长型刀柄。X L刀柄的特点是该公司对微摩擦阻尼（MFD）系统的开发和应用，该技术可有效减小刀柄以及刀具的振动。这种加长刀柄采用CAT、BT、HSK和Rego-Fix CAPTO锥度的接口型式。已有的产品系列为该公司刀柄的ER16、ER32、PG10、PG15和PG25系列。

刀具夹头材料的密度越大，其减振性能就越好。为了在不使用昂贵的重金属夹头的情况下，在长悬伸加工中获得良好的减振效果，夹头上组合使用了两种不同类型的钢制部件，从而产生了一种能消除共振的“微摩擦阻尼效应”。

总的来说，基于摩擦阻尼器的减振技术仍属于被动控制的范畴，不需外部能源，一般只对某种设定的振动特性进行控制，缺乏跟踪和调节能力。材料和工艺方面的问题主要是控制摩擦力，摩擦力对环境和荷载能十分敏感，当温度、正压力发生变化，以及发生多方向滑动时，摩擦力都会发生变化,反复滑动还会使结合面磨损。摩擦阻尼器存在长期的可靠性与维修问题。

（4）动力减振。动力减振原理与冲击式或摩擦式减振器不同，它不是靠消耗能量来减振。而是利用附加质量的动力作用，使弹性元件加在主系统的力与干扰力尽量平衡来减弱振动的。在设计吸振器时，可根据主系统的质量和固有频率选定吸振器的质量，并进一步求出刚度和阻尼比。根据作用方式的不同，可分为主动式和被动式两种，被动式一旦被设计好固有频率，动刚度都不能改变，而主动式可以通过调节子系统改变镗杆的动刚度，适应范围较广。

肯纳公司产品中有主动式可调的动力减振镗杆，如图8所示。山特维克可乐满减振镗杆（最大长径比L/D=16）是目前世界先进的镗杆，它所采取的方法是给镗杆加内置动力减振器，如图9所示。山高专利Steadyline系列减振刀具，推陈出新，在刀柄体内采用了一种“动态被动式系统”，该系统中的质量减振器会进行反向振动以抵消第一次弯曲振动，从而可在极端切削工况下有效降低不必要的振动，现已包含镗头，如图10所示。

此外，T r u h a r等人利用Lyapunov方程对减振镗杆中动力吸振器的位置进行优化。在此之后又有一批学者提出了关于减振镗杆一系列的优化准则，长春理工大学在刀杆内部加阻尼减振系统来提高刀具的动刚度，和瑞典山特维克可乐满刀具的设计理念相同，哈尔滨理工大学“高效切削及刀具”国家地方联合工程实验室在镗杆内部加入特殊的动力减振装置提高刀具的动刚度。

（5）冲击减振。冲击减振器是常用的减振装置，工作原理是由一个自由质量反复冲击振动体而消耗其振动的能量，进而达到减振目的。这种冲击式减振镗杆虽因冲击碰撞产生噪声，但结构不复杂，体积小重量轻减振效果好，适用频率范围大，包括内冲击式和外冲击式两种。

图7 简单变力双向摩擦阻尼器1.外壳体 2.活塞（截面为矩形） 3.弹性体 4.滚柱 5.空腔 6.耐磨衬层

图9 山特维克可乐满动力减振镗杆

图10 山高Steadyline减振镗杆

20世纪80年代，Popplewel发明了豆包减振器(Bean Bag Impact Damper)。其结构是将冲击减振器内有数个装有大量铅粒的柔性包袋。在收到器壁冲击时，包袋的柔性表面可起到缓冲作用，然后作用力传递到包袋内部，则铅粒之间再互相摩擦碰撞，以此来耗散能量。

李伟利用离散单元法模拟了BBD在不同振动参数的减振效果。主系统的固有频率越高，激振力越大时，BBD的减振效果越好，如图11所示。但当激振力增加到某一定值时，豆包的效果便趋于平缓，说明它存在一个减振的极限值。同时改变BBD的结构参数后模拟发现，其对减振效果影响很小。但是目前对于冲击减振器的研究目前还处于实验阶段，市场上尚无产品出现。

2. 主动减振技术

主动控制方法基于反馈控制的原理，检出系统目标状态量的变动，然后把与该状态量反相的同频率、同幅度控制量加到这个状态量本身或作相应变动后加在别的状态量上。对于频率低的大型镗杆主动控制优势更加突出。

刘春颖采用压电陶瓷作为控制元件，采用遗传算法对压电片的贴放位置进行了优化，对镗杆再生型颤振进行了主动控制仿真研究，通过在镗杆中内置压电叠堆并在镗杆外粘贴压电片2种途径，有效控制了镗削过程的颤振幅度。刘鹏利用压电陶瓷(PZT)的正负压电效应，将负责感知的压电片得到的电信号反向放大后加到负责执行的压电片上，产生反向振动来抑制切削振动。梅德庆等人，他们依据磁流变液能够在液态和固态之间快速的进行连续可逆的转换特性，发明了磁流变液减振镗杆。这种镗杆在切削过程中能够适时地改变磁流变液中磁场的强度，使镗杆在切削过程中避开切削振动频率，从而有校的降低了镗杆在切削过程中的振动，如图12所示。kesson等设计了自适应控制器对基于压电驱动的抑振镗杆进行了主动控制。

由于闭环控制对抑制颤振效果好并且可靠性高，采用此控制方法是比较理想的，然而现实实现还是有一定难度的，首先必须对切削过程和切削系统进行精确建模，精确建立满足实际要求的切削加工过程闭环控制模型是有一定难度的，而且要求设计和制造一套自动控制系统及一套支持控制系统的能源装置，成本较高，所以现今多数停留在实验室阶段。目前应用于主动控制的主动控制元件有压电陶瓷、记忆合金，控制方法多采用基于BP融入人工神经网络控制、粒子群控制和自适应控制器等。

3. 半主动减振技术

图11 豆包减振器

图12 磁流变液减振镗杆的结构图1.底座 2.支撑套 3.电磁铁芯 4.端盖和密封圈 5.镗杆 6.镗刀孔7.加速传感器 8.励磁线圈 9.磁流变液 10.线圈壳体

半主动控制机构是在不向被控系统输入能量的条件下仍然具有实时调控的能力的机构。其主要优点是减振器的参数可根据实际振动情况实现自适应调节。智能材料元件质量轻，嵌入性好，多被用于传感元件和致动元件，并且不影响结构的固有性能，还可以提高整个控制系统的可靠性。基于智能材料的半主动控制方法与主动控制方法相比，没有能量直接输入到切削系统中，而是通过智能材料调整切削系统的动态特性参数以避免切削颤振的发生。王民利用电流变材料设计了一种具有在线可调动态特性的智能化镗杆，通过连续小范围地改变镗削系统固有频率，成功地实现了切削颤振的在线抑制。梅德庆等把磁流变材料应用于镗削系统，改变镗杆刚度从而有效抑制颤振。甘新基通过调整附加在镗杆上的压电片的驱动电压，可在一定程度上抑制镗削加工过程中的颤振。然而学者们的研究也仅仅是局限于实验研究，目前刀具市场上未见此类产品出现。

刀具减振技术展望

到目前为止，国内的工具厂商还没有在车刀和镗刀方面有大的进展，特别是在制造长径比比较大的方面基本没有，而且内置减振系统防振刀杆方面的开发工作也还很少。在国内也有很多高校在研制减振刀具，如浙江大学、四川大学、燕山大学、哈尔滨理工大学、长春理工大学、北京航空航天大学、东北大学、吉林大学和西华大学等。随着研究工作的进行，刀具的减振技术可在以下三个方面得到发展:

（1）随着智能材料研究的深入，现代控制理论应用，现代通讯技术的发展，主动控制是未来倍受青睐的研究主题之一。

（2）半主动控制可靠性高，控制范围宽、适应性强也将成为今后研究的方向之一。

（3）精简结构，提高可控性，增强稳定性：目前镗杆上的主动或半主动控制结构相当复杂，导致了较低的可靠性，巧妙的结构设计仍然是未来研究的主题之一。

扩展阅读

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