結(jié)構(gòu)性顫振解決方案-動態(tài)主動穩(wěn)定器（DAS） 索拉露斯對產(chǎn)能的承諾

過去50年里，機(jī)床一直在經(jīng)歷變革發(fā)展，始終追求更好的質(zhì)量和更大的生產(chǎn)能力。在切削功率、結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度、加工精度和生產(chǎn)線自動化等方面都有顯著提高。然而，盡管有諸多提高，新的問題也不斷浮現(xiàn)，比如加工時的破壞性振動問題。

如今，這種振動已經(jīng)成為機(jī)床制造商和用戶關(guān)注的主要問題。這里有必要對受迫振動和自激振動作出區(qū)分，受迫振動是常態(tài)，幾乎不會導(dǎo)致大問題，而自激振動，俗稱顫振，是加工時幾個最主要的破壞問題之一。

盡管在預(yù)測和消除顫振方面做了很多努力，但是在工業(yè)應(yīng)用上幾乎很少有成功案例。因此，雖然刀具材料不斷改進(jìn)、機(jī)床經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計并使用更多輕量化部件、以及摩擦負(fù)面效應(yīng)的持續(xù)減少，但是，顫振問題仍然是追求精度的最大障礙之一。

顫振

從技術(shù)上講，顫振是由非穩(wěn)態(tài)切削導(dǎo)致的自激振動。我們知道，任何切削過程都要求系統(tǒng)具有一定動態(tài)剛性，這個系統(tǒng)由工件、刀具和機(jī)床組成。當(dāng)上述系統(tǒng)的彈性超過所需要的剛性時，切削過程就會失穩(wěn)，切削過程振動水平增加，最終導(dǎo)致顫振。

失穩(wěn)的不利影響：更差的表面質(zhì)量，刀具磨損加劇以及機(jī)床某些部件壽命降低。從經(jīng)濟(jì)角度看，顫振導(dǎo)致能耗和物耗增加。而減少這些耗費往往又犧牲了生產(chǎn)時間、切削能力和生產(chǎn)率。

切削過程產(chǎn)生波動導(dǎo)致的不良效果

通過測量頻率響應(yīng)得到的穩(wěn)定域分布圖

本質(zhì)上，顫振源于再生效應(yīng)。從靜態(tài)觀點看，銑削刀具產(chǎn)生不可預(yù)測的波動，由此帶來微小振動，進(jìn)而引起切削表面不規(guī)則變化，進(jìn)而引發(fā)了這種物理現(xiàn)象。后一個刀齒的切深也同樣因這種振動而發(fā)生變化，而且前一個刀齒切削后留下的波紋狀表面也會對后一個刀齒的切深產(chǎn)生影響。取決于前后切程的間隙，切深隨加工進(jìn)程呈指數(shù)倍增大。這種情形下，切深的增大使得切削力增加，進(jìn)而又加劇了振動，使切削失穩(wěn)。

這是一種由切削過程中的各種因素引發(fā)的復(fù)雜現(xiàn)象，這些因素包括刀具本身、工件材料、切削參數(shù)以及整個系統(tǒng)的動態(tài)性，涉及到機(jī)床、刀具和工件結(jié)構(gòu)。在某些情況下，機(jī)床驅(qū)動系統(tǒng)的控制參數(shù)也會影響切削過程的穩(wěn)定性。

因此可以說，對于具體的某個機(jī)床、工件和刀具，顫振會因某些狀況而增大，然后在達(dá)到平衡狀態(tài)。這就是為什么穩(wěn)定曲線（即穩(wěn)態(tài)圖）是如此的重要；基于不同的切削狀態(tài)來描述過程的穩(wěn)定性。得到這些狀態(tài)并不容易，因為它需要基于FRF來對系統(tǒng)動態(tài)剛性作經(jīng)驗性測量，得到具體的切削力并構(gòu)建出穩(wěn)態(tài)模型。一方面，這些圖表顯示針對具體加工的最優(yōu)切削速度，但是另一方面，根據(jù)圖表對失穩(wěn)加工過程作定性分析，則是選擇最佳方式來抑制顫振的關(guān)鍵因素。

顫振的類型

之前說過，影響顫振的一個重要因素是加工系統(tǒng)的動態(tài)彈性。這意味著系統(tǒng)部件的剛性出現(xiàn)了不足，包括機(jī)床主體結(jié)構(gòu)、主軸、刀具、刀柄、裝夾系統(tǒng)或工件本身，都可能導(dǎo)致自激振動。

由機(jī)床自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的振動是最具破壞力和最顯著的情形之一。這種情形多發(fā)于若干應(yīng)用領(lǐng)域的粗加工過程，比如加工大型機(jī)械部件、用于能源領(lǐng)域的零件、航空和造船業(yè)等。這些應(yīng)用下的主要振動模式體現(xiàn)為主位移和低頻（20-100赫茲）。

過去若干年，各機(jī)床制造商一直在尋找解決這種振動的方案，雖然這不是一件容易的事情。一方面，通過重新設(shè)計機(jī)床以追求更高的動態(tài)剛性。這需要進(jìn)行模型分析，找出機(jī)床的最低剛性點和最關(guān)鍵點，然后對此進(jìn)行改進(jìn)。

然而，機(jī)床制造商們往往只追求如何提高剛性而不考慮阻尼效果。根據(jù)具體結(jié)構(gòu)增加被動減振裝置是增加機(jī)床穩(wěn)定性的最常見方式之一，因為簡單而且成本較低。然而被動減振裝置在很多加工過程中是不可行的，表現(xiàn)為系統(tǒng)動態(tài)剛性在加工過程中是變化的。帶滑枕的機(jī)床就是這樣一種情形。

加工時發(fā)生的各種顫振

因為具有適應(yīng)匹配各種變化狀態(tài)的能力，主動式激勵裝置便能夠解決這些問題。這些激勵器通過算法控制，能產(chǎn)生對機(jī)床自身結(jié)構(gòu)的反作用力，是一種先進(jìn)的解決方案。

在這種方案中，通過激勵器產(chǎn)生慣量變動，使之平行于機(jī)床受力流，進(jìn)而保證了初始結(jié)構(gòu)的剛性。

對于初加工切削，在機(jī)床中引入主動式減振裝置在近些年被若干學(xué)者加以研究。然而迄今，研究人員和機(jī)床制造商在試圖在機(jī)床中應(yīng)用這種裝置時，都面臨著難題，不是因為成本太高就是因為尺寸太大。

閉合的DAS運(yùn)行循環(huán)

DAS：動態(tài)主動穩(wěn)定器 如上述穩(wěn)定性圖表所示，顫振取決于動態(tài)剛性。由于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)柔性而產(chǎn)生顫振，剛性會發(fā)生變化。然而，盡管剛性有變化，機(jī)床仍然具有相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍。

近來，人們對采用線軌和靜壓軌的通用機(jī)床作了分析比較。讓這些機(jī)床在整個速度范圍內(nèi)進(jìn)行切削加工，當(dāng)所加工的材料為一般鋼材（200-300 m/min）時，沒有產(chǎn)生問題。然而，當(dāng)以一定速度（80-150 m/min）切削難加工材料時，比如不銹鋼或鈦金屬，這兩種導(dǎo)軌型式的機(jī)床就出現(xiàn)了相應(yīng)的不足。因此，出現(xiàn)顫振的可能性就更大，導(dǎo)致切深下降，對生產(chǎn)率產(chǎn)生限制。

 

近年來，索拉露斯在尋求顫振解決方案上投入了大量努力，研究的主要成果之一就是：動態(tài)主動穩(wěn)定器（DAS）。攻克迄今所有的困難。DAS系統(tǒng)堅固可靠，有效增加了機(jī)床動態(tài)剛性，進(jìn)而增強(qiáng)了切削能力，特別是在最嚴(yán)苛的運(yùn)行環(huán)境下。