论文导读：再生颤振是在进行某一限度以上的重切削（在二维切削中加大切削宽度的加工，或者在通常切削中加大切削深度的加工）时，产生的自激振动，它总是对强力切削的能力规定了一个界限。这就是用变速切削抑制再生颤振的原理。
关键词：再生颤振，能量转换，变速切削
我们在机加工轴类等工件的时候，经常遇到加工中因为工件颤动而影响加工精度或颤动幅度过大不能加工。通过对颤动产生原因的分析及多次试验实践比较，通过改变切削速度可以改变颤动对加工件精度的影响。
再生颤振是在进行某一限度以上的重切削（在二维切削中加大切削宽度的加工，或者在通常切削中加大切削深度的加工）时，产生的自激振动，它总是对强力切削的能力规定了一个界限。科技论文。再生颤振的原因是再生效应，即是由于上一次切削时因颤振而残留在已加工表面上的波纹，在这一次切削中一边以滞后于这个波纹的相位作仿形般的振动，一边进行切削，在机械结构系统中产生了使固有振动持续下去的滞后的交变切削力。
如果通过经常改变切削速度，以破坏工件的同一切削部位在前后两次切削中切削速度相等的条件，则再生效应就能相反地抑制颤振的作用。这就是用变速切削抑制再生颤振的原理。
因为变速切削在原理和方法上都比较简单，必要的附加装置也容易办到，在操作方面的故障也比较少，所以它可以在各方面得到应用。
1 变速切削的理论分析
1．1 从能量平衡来看再生颤振的产生机理
包含再生效应的切削过程的动态特性——切削过程动刚度Tc(z,n)(即切削深度的周期性变动和切削力的周期性变动之间的传递函数)，如图所示，可以用圆周上下班点Tc来表示。这个圆的半径与切削宽度（在外圆车削中为切削深度）成正比；另外，表示点Tc在圆周上位置的角度φ就等于内调制波（这次切削中所产生的波纹）与外调制波（前次削时所产生的波纹）之间的相位差。在车削的情况中，φ可用下式给出：
φ=2πJf60Z/n=Ji+Jf,
其中：z表示颤振频率，
n表示主轴的回转速度，
可见，角度φ是一个由z和n来确定的量值。
在车削加工中，如果使切削深度逐步增大，则这个圆Tc(z,n)就变大，最后就会和机械结构动钢度Tm(z)的图线相交。这时系统就会变得不稳定，在输入机械结构的能量和机械结构中因阻尼而消耗的能量达到平衡之前，振动的振幅就不断增大。这种能量平衡的状态，是当Tc和Tm在点A或 点B处一致时才产生的。即在振动的一个周期中，机械结构所消耗的能量WM可用下式给出：WM=∫TmXdX=π|X|2|Tm|sinθM，，其中X表示刀具和工件之间的相对位移，|X|表示它的振幅。因此，如前图所示, WM与点Tm到实轴的距离成正比。同时,在振动的每一周期中从切削过程输入机械结构的能量Wc，与Tc点到实轴的距离成正比，这可用公式给出：Wc=∫TcXdX=π|X|2|Tc|sinθc，由上述可知，当Tc和Tm在点A或 点B处一致时，输入的能量Wc和消耗的能量WM平衡，稳定颤振就将持续下去。
1.2 变动主轴转速时的能量转换
在前面说明Wc和WM在不平衡的情况下,在振动的每一个周期中,在机械结构中就储存了用下式给出的能量的增量。△E= Wc-WM=π|X|2{|Tc|sinθc-|Tm|sinθM}。因此，若能控制主轴的转速使点Tc在圆周上的位置经常在点A或和点B的下侧，则就能使Wc（从切削过程输入机械结构的能量）保持比WM（机械结构内消耗的能量）为小的数值。这时，△E就为负值，就能使振动衰减。如果点Tc位于实轴的下侧，则Wc本身就为负值，切削过程本身就要从机械结构中吸收振动能量。
在实际情况下，要严格地控制机床主轴的转速以达到这种状态还是困难的。科技论文。但是，可用另一种方法来代替，即经常改变主轴的转速，使点Tc经常在圆周上周转。在这种情况下，主轴转速的变动率越大，φ角的变化就越快，点Tc在圆周上的周转就越快，因此，点Tc处在AB间上侧圆弧的时间就越短，在此期间所产生的振动就有可能抑制到很小。由此以可以得出：若AB间上侧圆弧的长度越短，则点Tc处在这段圆弧上的时间也就越短，振动不容易加强。
根据以上的理论分析，可预测到下面的情况：
（1）主轴转速的变动率越大，抑制颤振的效果也越明显；
（2）切削过程和机械结构动钢度Tc(z,n)和Tm(z)的图线相互交叉的范围越狭，改变速度而产抑制颤振的效果就越明显。
2 变速切削法的基本试验
2.1切削试验在车床上以下面两种加工情况进行
（1）在刚性低的心棒上安装工件，进行车削试验：
在装着重物的长心棒的一端装上圆盘状工件，进行外圆车削。当切削速度一超过50米/分，在主轴转速不变的情况下，只要切削深度在0.2㎜以上，这个系统就会产生颤振。
（2）在刚性低的镗杆进行车削试验：
使用刚性低的镗杆对装在卡盘上的工件（与镗杆相比，工件的刚性非常大）进行外圆车削。在切削速度超过60米/分，主轴转速不变的情况下，只要切削深度超过0.2㎜，这个系统就会产生颤振。
通过试验，在一定的转速下使安装在心棒上的工件在切削中产生颤振，待颤振的振幅达到某一稳定值后，用指令信号使转速开始改变。转速一开始改变，振幅就迅速衰减，表示改变主轴转速对抑制颤振是有效的。
2.2通过试验总结影响抑制颤振效果的因素有如下几点：
（1）主轴转速的变动率和变动量峰值
在对心棒上的工件进行的车削试验中，我们使主轴转速的变动率和变动量峰值作各种变化，来比较抑制颤振的效果。如果转速的变动量峰值在平均转速的20%以上，转速变动量峰值对抑制颤振效果几乎没有影响。也表明转速变动率越高，抑制颤振的效果就越明显。
（2）切削深度
在对心棒上的工件进行的车削试验中使切削深度和转速变动率作各种变化，比较抑制颤振的效果。科技论文。通过比较发现切削深度越小，抑制颤振效果的效果越好。切削深度越大，即使改变主轴的转速，振动仍容易产生。转速变动率越大，抑制颤振的效果也越好。因此，在切削深度大时，要抑制颤振就必须增大转速变动率。
（3）切削速度
在使用镗杆进行的车削试验中，使平均切削速度和主轴转速变动率作各种变化，来观察抑制颤振的效果。经比较发现，切削速度越高振动的振幅也越大。由此可以知道：切削速度高时，为了抑制颤振就必须增大主轴转速的变化率。
（4）转速指令信号的波形
通过与恒速切削的比较，转速指令信号使用的方波、阶梯波都有抑制颤振的效果。以及由于主轴实际转速的变化因转动惯性发生滞后的现象，所以方波重复地升高和降低在实际上就成为三角波，使得所用的机床的主轴传动系统有可能得到最大的转速变动率。
3 变速切削法的结论和优点
3.1 由试验结果表明，对于变速切削可得到以下结论：
（1）如果主轴转速一定，则在发生再生颤振的条件下，只要改变主轴转速就能抑制颤振。
（2）转速的变动率越大，抑制颤振的效果也就越好。
（3）如果转速的变动量峰值在平均转速的20%以上，则转速变动量峰值对抑制颤振的效果几乎没有影响。
（4）如果切削深度变大，或在切削速度变高的情况下，为了抑制颤振，一般得增大转速变动率。
（5）变动转速的指令信号，除了用三角波以外，也可以考虑用其他各种波形。特别是方波，它具有信号发生器的构造简单、且具有最大转速变动率的优点。
3.2 变速切削法的优点：
（1）必需的主要装置仅是直流电动机。
（2）没有反馈，可以说是开环控制，所以当控制系统调节不当时，不会反过来加剧不稳定性，控制是可靠的。
（3）传感器和执行机构等附属装置不必设置在切削点附近，对切屑的排出、刀具的调整、工件的检测等工作很少妨碍。
由于这些原因，在车削、镗孔、钻孔、铣削等粗加工中，这种方法会有较高的实用价值。
4 变速切削法的实际应用和缺陷
根据已进行的切削试验，在机械结构系统的动刚性极低，加工时非常容易产生再生颤振的情况下，变速切削对抑制颤振不仅没有效果，而且反而会加剧颤振。因此，要机械结构系统具有一定程度的动刚性时，若希望进一步提高它粗加工能力，则变速切削法就有其实用价值。
对于象镗杆那样，即使以0.2㎜的切削深度进行精加工也会产生再生颤振的情况中,只要镗杆的动刚性不是极低,用变速切削法来抑制再生颤振还是有可能的.但是此时实际所得到的加工表面还难以达到通常切削加工所要求的精度.因此,对切削精加工,变速切削法没有实用价值.
在转动系统的回转惯性不太大的镗孔加工和车削加工的情况中,实际应用的转速变动参数可取转速变动频率在0.5～3Hz,转速变动量的相对峰值在±10～20%，用三角波的转速变动指令。当频率高于3Hz时，抑制颤振效果反而下降。另外，若转速变动量相对峰值超过
±20%，那么精加工表面上的光泽将出现显著的不均匀而使加工表面恶化。为了改变上述情况，在实现转速变动时，就必须使主轴传动系统的调速系统的时间常数0.3秒或更短并具备良好的响应特性。
对于加工大直径工件的立式车床和大型车床等机床，由于转动系统的回转惯性极大，要进行变速切削就需要强大的驱动电动机。转速变动方式采用下列方式是恰当的：在不满1转的恒速回转期的两端进行相互交变的梯形波转速变动。
变速切削带来的缺陷是有很大的瞬时电流通过驱动电动机。在实际应用中，必须对供电线路及功率放大器的能力、电动机的热载荷能力有充分的考虑。
对于其他事项，特别是影响操作的事项在实际应有中也应加以考虑。
参考文现
[1]星铁太郎 [日] 机械加工颤振的分析与对策 顾崇衔 褚家麟 陈人亨 等译 上海科学技术出版社 1984
|
