基于磁流变液的变阻尼变刚度刀架的切削颤振抑制方法与流程

本发明属于切削技术领域，涉及一种基于磁流变液的变阻尼变刚度刀架的切削颤振抑制方法。

背景技术

在金属切削加工过程中，刀具和工件之间常常会发生激烈的自激振动，即所谓的颤振，这会导致精密加工效率降低和加工表面质量下降，甚至损坏工件及刀具，造成严重后果，因此，有必要对加工颤振进行快速、有效的抑制，以提高工具表面加工质量。对金属切削颤振的控制策略主要有两大类：一类是切削参数调整法，即通过选择或调整合理的切削参数使得机床系统处于稳定区；第二类是振动控制法，即通过振动控制法来改变系统的表现和修正稳定性边界来避免颤振。

目前，人们研发出了一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统及方法，经检索，如中国专利文献公开了一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统及方法【专利号：zl201610311493.x；授权公告号：cn106392753b】。这种系统包括依次连接的传感部分、控制器以及颤振抑制调控装置；传感部分包括安装在主轴前端用于测量主轴径向位移的非接触式电涡流位移传感器、用于采集电涡流位移传感器的位移信号并将位移信号转换为加速度信号的信号采集器；控制器用于根据信号采集器输出的加速度信号，输出控制电压信号到颤振抑制调控装置；颤振抑制调控装置包括功率放大器和主动式电磁轴承；主动式电磁轴承包括转子铁心和定子铁心；转子铁心安装在主轴的前端；定子铁心上绕有铜线圈；功率放大器用于将收到的电压信号转换为控制电流信号，其输出端分别与铜线圈连接。所述方法包括加工过程中颤振的识别及抑制。

但是，对于大多数机床系统而言，由于其传动系统的转动惯量比较大，其响应特性也较低，这使得变速切削难以实现较大的速度变化量和变化率。此外，当机床系统的动刚度很低时，变速切削不但无法抑制颤振，甚至会使颤振加剧。由此可见，变速切削法抑制颤振在实际应用中还是受到一定的限制。随着智能材料如：电(磁)流变液、磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电高分子材料等的迅速发展，它们被引入到颤振抑制领域中来，取得了良好的抑振效果。磁流变液的阻尼、刚度可随外加磁场的变化而快速、连续变化，且该变化是可逆的，这对于切削加工振动抑制来说具有很大的优势，因此，采用基于磁流变液的半主动控制方法来实现颤振抑制。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种基于磁流变液的变阻尼变刚度刀架的切削颤振抑制方法，具有能够破坏切削颤振产生条件，使金属切削处于较好的颤振抑制状态。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种基于磁流变液的变阻尼变刚度刀架的切削颤振抑制方法，其特征在于，所述的基于磁流变液的变阻尼变刚度刀架包括安装架，所述的安装架上设置有磁流变液执行器、加速度计和控制器，所述磁流变液执行器包括缸体、磁流变液、活塞、连杆和励磁线圈；

该切削颤振抑制方法包含以下步骤：

a信息采集：以加速度计作为感应器对刀具的振动情况进行实时采集；

b信息分析：并将采集的振动信息放大，并将振动信号传输到采集分析模块上，通过计算分析把切削状态反馈给控制器；

c信息反馈：控制器输出控制信号对励磁电流进行控制，实时调节对励磁线圈输入的电流；

d磁流变液磁场响应：磁流变液的刚度、阻尼在外加磁场的作用下，发生连续可逆的变化；

e颤振抑制：使刀具的振动避开与切削系统的固有频率，破坏了颤振形成的条件。

根据控制信号，对励磁线圈输入恰当的电流，连续改变励磁线圈加在磁流变液上的磁场强度，由于磁流变液的磁场响应特性，即磁流变液的刚度、阻尼在外加磁场的作用下，发生连续可逆的变化，如：随着磁场强度施加，磁流变液可以在毫秒级的时间内由液态变成固态，撤掉磁场，磁流变液又从固态变回液态。磁流变液阻尼器的刚度和阻尼也发生了连续变化，其刚度阻尼的变化使得整个切削加工系统的刚度和阻尼也发生了相应的变化，切削加工系统的固有频率随之改变，使得刀具的振动频率与切削系统的固有频率不能持续靠近，避免了共振能量的累积，破坏了颤振形成的条件，从而达到切削颤振抑制。

在上述基于磁流变液的变阻尼变刚度刀架的切削颤振抑制方法中，所述的磁流变液注入于缸体内，缸体加注磁流变液后用端盖进行密封，且端盖采用螺纹连接方式与缸体连接。

在上述基于磁流变液的变阻尼变刚度刀架的切削颤振抑制方法中，所述的缸体内充满磁流变液，所述活塞处留有两个节流孔。

在上述基于磁流变液的变阻尼变刚度刀架的切削颤振抑制方法中，所述的连杆的一端与刀具固定连接，连接杆的另一端固定在活塞上。

在上述基于磁流变液的变阻尼变刚度刀架的切削颤振抑制方法中，所述的磁流变液的工作模式为挤压与剪切的混合模式。利用其在磁流变效应下弹性模量和磁流变液损耗因子随磁场强度变化而变化的特性来改变支撑刚度和阻尼特性。

在上述基于磁流变液的变阻尼变刚度刀架的切削颤振抑制方法中，所述的对励磁线圈输入的电流采用从频率或幅值的正弦波或三角波电流进行控制。

与现有技术相比，本基于磁流变液的变阻尼变刚度刀架的切削颤振抑制方法具有以下优点：

磁流变液可通过调节外加磁场强度的大小使其物理特性得到快速(毫秒级)、连续变化的特点且该变化过程是可逆的，通过施加磁场强度信号可使切削的动态特性处于最佳的颤振抑制状态，这与现有的变主轴转速抑振法相比，有明显的优势，不受主轴转动惯量大小的限制，适用于主轴转速不宜连续改变的场合；同时，与其他现有颤振抑制方法相比较，本发明所提出变刚度、变阻尼抑振法的抑振更为直接有效，能有效抑制加工颤振，提高加工效率和工件表面加工精度。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明中刀架的结构示意图。

图中，1、工件；2、刀具；3、加速度计；4、连杆；5、缸体；6、磁流变液；7、活塞；8、励磁线圈。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1和图2所示，一种基于磁流变液6的变阻尼变刚度刀架的切削颤振抑制方法，基于磁流变液6的变阻尼变刚度刀架包括安装架，所安装架上设置有磁流变液6执行器、加速度计3和控制器，磁流变液6执行器包括缸体5、磁流变液6、活塞7、连杆4和励磁线圈8。磁流变液6注入于缸体5内，缸体5加注磁流变液6后用端盖进行密封，且端盖采用螺纹连接方式与缸体5连接。缸体5内充满磁流变液6，所述活塞7处留有两个节流孔。连杆4的一端与刀具2固定连接，连接杆的另一端固定在活塞7上。

该切削颤振抑制方法包含以下步骤：

a信息采集：以加速度计3作为感应器对刀具2的振动情况进行实时采集；

b信息分析：并将采集的振动信息放大，并将振动信号传输到采集分析模块上，通过计算分析把切削状态反馈给控制器；

c信息反馈：控制器输出控制信号对励磁电流进行控制，实时调节对励磁线圈8输入的电流，对励磁线圈8输入的电流采用从频率或幅值的正弦波或三角波电流进行控制；

d磁流变液6磁场响应：磁流变液6的刚度、阻尼在外加磁场的作用下，发生连续可逆的变化；

e颤振抑制：使刀具2的振动避开与切削系统的固有频率，破坏了颤振形成的条件。

根据控制信号，对励磁线圈8输入恰当的电流，连续改变励磁线圈8加在磁流变液6上的磁场强度，由于磁流变液6的磁场响应特性，即磁流变液6的刚度、阻尼在外加磁场的作用下，发生连续可逆的变化，如：随着磁场强度施加，磁流变液6可以在毫秒级的时间内由液态变成固态，撤掉磁场，磁流变液6又从固态变回液态。磁流变液6阻尼器的刚度和阻尼也发生了连续变化，其刚度阻尼的变化使得整个切削加工系统的刚度和阻尼也发生了相应的变化，切削加工系统的固有频率随之改变，使得刀具2的振动频率与切削系统的固有频率不能持续靠近，避免了共振能量的累积，破坏了颤振形成的条件，从而达到切削颤振抑制。

磁流变液6注入于缸体5内，缸体5加注磁流变液6后用端盖进行密封，且端盖采用螺纹连接方式与缸体5连接。缸体5内充满磁流变液6，所述活塞7处留有两个节流孔。连杆4的一端与刀具2固定连接，连接杆的另一端固定在活塞7上。

磁流变液6的工作模式为挤压与剪切的混合模式。利用其在磁流变效应下弹性模量和磁流变液6损耗因子随磁场强度变化而变化的特性来改变支撑刚度和阻尼特性。对励磁线圈8输入的电流采用从频率或幅值的正弦波或三角波电流进行控制。

综合上述，磁流变液6可通过调节外加磁场强度的大小使其物理特性得到快速(毫秒级)、连续变化的特点且该变化过程是可逆的，通过施加磁场强度信号可使切削的动态特性处于最佳的颤振抑制状态，这与现有的变主轴转速抑振法相比，有明显的优势，不受主轴转动惯量大小的限制，适用于主轴转速不宜连续改变的场合；同时，与其他现有颤振抑制方法相比较，本发明所提出变刚度、变阻尼抑振法的抑振更为直接有效，能有效抑制加工颤振，提高加工效率和工件1表面加工精度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了1、工件；2、刀具；3、加速度计；4、连杆；5、缸体；6、磁流变液；7、活塞；8、励磁线圈等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。