磨削顫振特性研究進展*＊1

江卓達 何永義

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

磨削加工能滿足各類工件的加工要求，加工后的工件有很高的精度和很好的表面粗糙度，因此它常作為機械加工的最后一道工序，在機械加工中占有非常重要的地位。

磨削加工中的振動通常分為受迫振動和自激振動。受迫振動是受到系統(tǒng)外周期性的擾動產(chǎn)生的，如不平衡的砂輪或軸等;自激振動產(chǎn)生的原因復(fù)雜，加工過程中，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性自激振動通常稱為顫振，在砂輪與工件之間強烈的自激振動稱為磨削顫振［1］。顫振會導(dǎo)致工件尺寸誤差、形位誤差、表面粗糙度和波紋度等指標(biāo)的惡化，會使機床零件和刀具過早出現(xiàn)疲勞破壞，從而使機床的可靠性和安全性下降，對機床和刀具壽命帶來不利影響，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致磨削加工無法進行。顫振抑制已成為提高磨削精度和生產(chǎn)率必須解決的問題，這就需要對磨削系統(tǒng)動態(tài)特性進行研究，通過提高其穩(wěn)定性，達到消振減振的目的。同時，我國磨床質(zhì)量總體精度低，產(chǎn)品更新?lián)Q代慢，產(chǎn)品仿制多，創(chuàng)新少，市場競爭力不足，這些問題使得國內(nèi)機床在高檔磨床領(lǐng)域無法與國外機床相抗衡。為了提高我國機床制造業(yè)的國際競爭力，必須盡快掌握磨削顫振的機理，應(yīng)用先進的設(shè)計技術(shù)，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)合理、振動小和精度高的高檔磨床新產(chǎn)品。

1 磨削顫振機理研究現(xiàn)狀

磨削是一種特殊的切削加工，砂輪工作表面上分布為數(shù)甚多且?guī)缀涡螤畈灰?guī)則的磨粒，它們相對于工件的位置和方向都是隨機的，每個磨粒相當(dāng)于多刃銑刀的一個刀齒，因此磨削過程可以看作是眾多刀齒銑刀的一種超高速銑削。磨削加工中磨削區(qū)速度和溫度極高，材料本構(gòu)性能變化非常復(fù)雜，砂輪上的磨粒的磨損和自銳性能多樣，各種因素之間又相互耦合，磨削振動問題比切削振動問題要復(fù)雜得多，到現(xiàn)在為止還未能充分闡明磨削顫振的機理，很多有關(guān)磨削機理的研究尚未得到圓滿結(jié)果，如尚未得出與實驗結(jié)果十分吻合的計算磨切削力的理論公式，且世界各國學(xué)者對磨削顫振的研究結(jié)論眾多且不一致。

1.1 磨削顫振激發(fā)機理研究進展

迄今為止，得到國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)可的顫振的產(chǎn)生機理是摩擦效應(yīng)、滯后效應(yīng)、振型耦合效應(yīng)和再生效應(yīng)四種誘發(fā)自激型機床顫振的機理。其中再生型顫振和振型耦合型顫振被認(rèn)為是最直接、最主要的兩種顫振形式，是國內(nèi)外學(xué)者主要研究對象。

早在 20 世紀(jì)初，F(xiàn).W.Taylor［2］認(rèn)為由于切削過程中產(chǎn)生的切削力的波動頻率與加工系統(tǒng)(工件、刀具或機床)中某一薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率相接近引起共振激發(fā)顫振。但是Taylor理論簡單地將顫振歸結(jié)為切屑斷裂時力的作用，并不能完全揭露切削顫振的本質(zhì)。1937 年，前蘇聯(lián)學(xué)者 Дроэдзв н.A.在論文《車削加工機械振動》中首先對Taylor理論提出了異議，質(zhì)疑切削單元體理論，并首先提出了自激振動的概念。

1944年，前蘇聯(lián)學(xué)者 Каширин А.И.在《金屬切削振動的研究》一書中提出了負(fù)摩擦理論，他用實驗證明:刀具對工件的切削過程中，在一定速度范圍內(nèi)，切削力隨切削速度的增加而減小(負(fù)摩擦效應(yīng))是產(chǎn)生切削顫振的主要機理之一。1946年，英國學(xué)者Arnold R.N.［3］認(rèn)為:由切削力的主分力相對于切削速度的下降特征而產(chǎn)生的自激振動是產(chǎn)生顫振的一個主要原因，進一步提出“摩擦型顫振”。

1954年，日本學(xué)者土井靜雄和加藤仁［4］首先提出:在實際切削過程中，由于切削力水平分力的瞬時變化相對于切削厚度的瞬時變化產(chǎn)生了時間上的滯后，這也是一種產(chǎn)生切削自激振動的原因。由上述滯后效應(yīng)產(chǎn)生的自激振動簡稱為“滯后型顫振”。

“振型耦合型顫振”是由 J.Tlusty［5］首次提出，由于振動系統(tǒng)在兩個方向上的剛度相近，導(dǎo)致兩個固有振型相接近時而引起的顫振。后來也有學(xué)者進行研究，通常都是取兩個自由度線性系統(tǒng)為研究對象，采用振動理論中的實模態(tài)分析法即可得到系統(tǒng)的特征方程與穩(wěn)定性條件。于俊一等［6］利用耦合型顫振模型，研究了機床主軸剛度方位對切削穩(wěn)定性的影響。Gasparetto等［7］建立了耦合模型對刀具的穩(wěn)定及不穩(wěn)定軌跡進行了研究并得到了切削穩(wěn)定性條件。

20 世紀(jì)50 年代中期，美國學(xué)者 R.S.Hahn［8］發(fā)表論文“精磨加工再生型顫振理論”，提出了再生型顫振的概念，他認(rèn)為磨削振動的產(chǎn)生是在有波紋的表面上進行磨削而由波紋再生引起的，將其命名為“再生型顫振”，是產(chǎn)生顫振的主要原因。

盡管關(guān)于顫振的深層次機理和精確的理論模型還有待于進一步研究和探討，但以上述4種機理為主的顫振分析理論體系已建立起來，依據(jù)這些理論已能夠理解和解釋實際加工中的各種各樣顫振現(xiàn)象，并為在生產(chǎn)實踐中抑制顫振奠定了理論基礎(chǔ)。

1.2 磨削動力學(xué)模型研究進展

磨削力源于工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用［9］。國內(nèi)外有關(guān)磨削力的模型很多，其中比 較典型 的 有 Younis［10］、Werner［11］、Malkin［12］和Hecker［13］分別提出的模型。Younis等人利用 Lortz的假設(shè)推導(dǎo)出磨削力公式，并指出磨粒的切削能力會隨著磨削過程的磨損和填塞而改變［10］。Werner等人從研究磨粒在砂輪上的幾何分布和磨削過程的運動學(xué)入手，建立了磨削力的數(shù)學(xué)模型，得出了磨削力的計算公式［11］。Malkin等人在對磨削力和砂輪磨損平面面積關(guān)系的試驗及其他類似發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為磨削力是由切削變形力和滑擦力兩部分組成的［12］。Hecker等人建立了磨削力模型，他們假定切屑厚度成瑞利概率密度分布，而該概率密度函數(shù)的唯一參數(shù)考慮了磨削動力學(xué)條件、工件材料特性、砂輪微觀結(jié)構(gòu)及磨削加工過程中的一些動態(tài)效應(yīng)的影響［13］。李力均［14］等人在Werner和Malkin等人研究成果的基礎(chǔ)上，把磨削力分為切屑變形力和摩擦力，建立了磨削力模型。

磨削力經(jīng)驗公式和實際情況符合較好，建構(gòu)方法簡單，但是適用范圍較窄，一旦邊界條件改變，經(jīng)驗系數(shù)需要大量實驗重新測定，故僅適用于大批量生產(chǎn)過程中。目前解析模型和經(jīng)驗公式研究沒有針對動態(tài)磨削力進行研究，還有待于進一步完善。

磨削系統(tǒng)非常復(fù)雜，Singhal等人把外圓磨削系統(tǒng)簡化為6自由度的動力學(xué)系統(tǒng)［15］。如圖1中m1、K1、C1為砂輪架的質(zhì)量、剛度、阻尼;m2、K2、C2為砂輪與其主軸的質(zhì)量、剛度、阻尼;m3、K3、C3為頭架的質(zhì)量、剛度、阻尼;m4、K4、C4為尾架的質(zhì)量、剛度、阻尼;m、I為工件的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量;Kc為砂輪與工件的接觸剛度;K′、C′為工件與頭架的接觸剛度與阻尼;K″、C″為工件與尾架的接觸剛度與阻尼。王龍山［16－17］等很多學(xué)者根據(jù)這一模型進行了一些深入研究和應(yīng)用。Inasaki［18］等人對磨削過程動態(tài)特性影響因素進行了總結(jié)(圖2)。翁澤宇［19］等人提出了的平面磨削過程的動力學(xué)模型如圖3所示，這個動力學(xué)模型考慮了磨削過程的幾何干涉作用，還考慮了砂輪和工件的接觸面積上的接觸剛度，通過實驗驗證該模型，得出各種不同的磨削條件對磨削顫振的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律有較大影響。

1.3 磨削穩(wěn)定性機理研究進展

研究磨削穩(wěn)定性機理，揭示磨削顫振的產(chǎn)生與發(fā)展規(guī)律，對提高磨削工件質(zhì)量和生產(chǎn)率具有重要意義，國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量的工作。

1984 年，F(xiàn).Hashimoto、A.Kanai、M.Miyashita等［20］提出了基于再生顫振原理的外圓磨削動力學(xué)建模方法，并在對外圓磨削的穩(wěn)定性分析中，分別考慮了工件再生顫振和砂輪再生顫振對外圓磨削穩(wěn)定性的影響。1971～1985年，Thompson提出基于振動方程分析磨削穩(wěn)定性，并引入了同時考慮工件及砂輪再生顫振的雙再生效應(yīng)理論［21－22］。1977 年，lnasaki［23］通過建立的切入磨再生顫振動力學(xué)模型，利用工件表面波紋度幅值的增長率為穩(wěn)定性判據(jù)，研究再生顫振對磨削工件系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。1987年，Wardani等［24］建立的描述磨削再生顫振的模型，定量描述了砂輪剛度和磨削力對磨削穩(wěn)定性的影響。1992年，李剛、徐燕申等［25］將砂輪和工件間的接觸阻尼引入到顫振分析當(dāng)中。1997年，Biera［26］建立了時域范圍內(nèi)的非線性模型，分析磨削過程的穩(wěn)定性。

2001 年，Weck，hinuze［27］在切入磨研究基礎(chǔ)上，對縱磨再生顫振進行了建模。同年Inasaki［18］等磨削顫振起因、抑制和磨削系統(tǒng)再生顫振動力學(xué)進行研究。2004 年，Yaltintas［28］和 Weng［29］對縱磨再生顫振動力學(xué)模型建模和表面波紋度進行了研究。2005年，N.Zhang［30］通過切除材料的幾何特征建立動態(tài)磨削力模型分析了磨削力和穩(wěn)定性的關(guān)系。2006年，LI Hongqi［31］等人基于磨削穩(wěn)定性分析理論描述了再生顫振對砂輪表面質(zhì)量的影響。

顫振屬于非線性振動，其產(chǎn)生機理復(fù)雜，目前磨削穩(wěn)定性的研究較多停留在理論研究上，離工程實際的應(yīng)用還有較大一段距離，各國研究者正努力地向工程實踐靠攏，期待磨削穩(wěn)定性研究的新突破。

2 磨削顫振測試和分析的研究方法進展

磨削顫振機理的研究可以提供避免發(fā)生顫振的途徑和方法，但目前磨削顫振理論還不夠完善，因而實際上不可能完全做到事先選取合適的參數(shù)來保證不發(fā)生顫振。故磨削顫振測試和分析的研究就十分必要，在線監(jiān)控技術(shù)彌補了磨削顫振理論研究的不足，而理論的研究又為顫振監(jiān)控提供了基礎(chǔ)和依據(jù)［32］。目前國內(nèi)外磨削顫振特性的研究方法主要有:試驗分析法、有限元理論分析法和綜合法。

(1)試驗分析法

利用振動數(shù)據(jù)采集設(shè)備對物理樣機通過試驗分析獲得機床動態(tài)特性。20世紀(jì)60年代，隨著振動實驗技術(shù)的發(fā)展以及機械阻抗測試儀和頻率特性分析儀的問世，使結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)函數(shù)測試成為可能。以信號處理、模式識別為技術(shù)基礎(chǔ)，利用機械加工過程中出現(xiàn)的各種物理信息(如振動、聲、光、電、力、力矩和功率等)，用先進的傳感器接收，進行信息傳輸、處理，從分析處理的結(jié)果來對機床切削過程振動進行監(jiān)測，對其發(fā)展趨勢進行預(yù)報［33］。韓正銅［34］等發(fā)現(xiàn)磨削振動信號有明顯的調(diào)制現(xiàn)象，高頻再生顫振作為載波，低頻強迫振動作為調(diào)制波，通過調(diào)制將低頻強迫振動載到高頻顫振發(fā)生區(qū)域，對顫振產(chǎn)生影響。磨削系統(tǒng)首先要產(chǎn)生作為載波信號的高頻再生顫振，然后與已存在的強迫振動產(chǎn)生調(diào)制而形成混合型顫振，并進而加劇顫振的發(fā)展。顫振頻率呈現(xiàn)多頻性，并且優(yōu)勢頻率具有前移現(xiàn)象。申曉龍［35］等證實變速磨削能在一定程度上抑制高速磨削顫振。基于物理樣機的實驗法能夠直接較準(zhǔn)確檢測機床的動態(tài)特性，其缺點是需要有物理樣機，且只能取得結(jié)構(gòu)較低階模態(tài)和少量測點的振型，不便于優(yōu)化驗證，成本高，周期長。

(2)有限元理論分析法［36－40］

目前利用有限元技術(shù)進行數(shù)值模擬已經(jīng)成為常用的機械結(jié)構(gòu)分析建模方法，在虛擬環(huán)境下分析動態(tài)特性。田延嶺［36］等對平面磨床在不同載荷作用下的動態(tài)特性進行了仿真研究。利用微定位工作臺可以對砂輪在離心力作用下的強迫振動進行動態(tài)振動補償。有限元理論分析法的優(yōu)點是無需制造物理樣機，大大降低了動態(tài)特性分析成本，缺點是影響機械系統(tǒng)動態(tài)特性的許多因素(如結(jié)構(gòu)阻尼、結(jié)合面動力學(xué)參數(shù)等)還不能用數(shù)學(xué)表達式精確描述［41］，故無法直接建立精度足夠高的有限元模型，由于理論計算結(jié)果與實際情況的誤差，無法保證動態(tài)特性分析結(jié)果與實際情況的一致性。

(3)綜合法

將試驗分析法和有限元理論分析相結(jié)合，利用理論分析和試驗分析的優(yōu)勢，相互取長補短。既發(fā)揮了理論分析的指導(dǎo)作用，實驗?zāi)B(tài)分析的結(jié)果修正了有限元模型，并為有限元模型提供邊界條件，最終建立起合理的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力學(xué)模型;又充分利用了試驗測試的可操作性。綜合法集有效性、實用性和可靠性于一身，是目前最為廣泛應(yīng)用的方法。

在應(yīng)用理論與試驗分析綜合法進行機床動態(tài)特性分析的研究中，國內(nèi)外研究者多采用動態(tài)子結(jié)構(gòu)法對機床進行理論動態(tài)特性分析、模型仿真和動態(tài)優(yōu)化，以達到預(yù)期目標(biāo)函數(shù)的要求。如，G.Warnecke等［42］采用有限元法對砂輪動態(tài)特性分析，毛海軍等［43］對接觸單元的機床子結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析法，張廣鵬等［44］對機床導(dǎo)軌結(jié)合部的動態(tài)特性及機床整機動態(tài)特性的預(yù)測，吳筱堅［45］對機床固定結(jié)合面的一種建模方法，曹定勝［46］對高速加工中心子結(jié)構(gòu)有限元計算模型與試驗驗證方法的研究，Simnofske等［47］總結(jié)了靜剛度和動剛度對機床動態(tài)特性的影響。

隨著其他學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，機床顫振的檢測也采用了很多新技術(shù)。Soliman E［48］使用超聲換能器檢測刀尖顫振振幅以及脈沖回波時間。Tarng Y.S［49］提到了一種新的實時監(jiān)控傳感器系統(tǒng)，用來檢測顫振，應(yīng)用了基于智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)共振理論的模型識別技術(shù)是以切削的譜值作為傳感器的反饋參數(shù)，實驗證明在其他切削條件不變情況下能夠精確檢測銑削過程中的顫振。Ryabov，Oleg［50］提出了一種帶多功能傳感器的激光位移計在識別刀具的幾何形狀、旋轉(zhuǎn)、顫振當(dāng)中的使用，同時使用CCD照相機作為測量顫振切削條件的邊值的子系統(tǒng)，還克服了實時自動測量工件外形變化比較困難的問題。這些新檢測技術(shù)為顫振機理和穩(wěn)定性研究提供了先進的工具。

3 磨削顫振的抑制

國內(nèi)外眾多的學(xué)者對抑制磨削顫振的機理進行了多方面的研究，并取得很多成果。美國學(xué)者S.馬爾金［51］通過對磨削系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行傳統(tǒng)的反饋分析得到穩(wěn)定的臨界條件。根據(jù)復(fù)平面的定向頻率響應(yīng)輸入機床結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，Gm(jω)/km可被看做為受工件和砂輪之間的單位激振力下的動態(tài)變形。

式中:Rem是Gm(jω)的負(fù)實部;km是機床靜剛度;G是磨削比;vw和vs分別是工件和砂輪的速度;kc和ka分別是切削剛度和接觸剛度。

由上面的穩(wěn)定條件可推出:增加方程右邊項或減小方程左邊項將提高穩(wěn)定性和減少再生振動，可以改變的參數(shù)與機床結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與砂輪與工件的組合以及加工條件有關(guān)。顫振的抑制國內(nèi)外學(xué)者主要采用以下6種方式。

(1)機床機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

通過機床結(jié)構(gòu)設(shè)計或結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高機床的抗顫振性能是一條非常重要的途徑。早在20世紀(jì)70年代，德國阿亨工業(yè)大學(xué)就將結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析方法應(yīng)用在機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計上［52］，隨后，歐美國家陸續(xù)展開了對機床結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的研究。鑒于機床整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很多學(xué)者從機床的局部部件著手，如對機床床身、立柱和主軸部件等基礎(chǔ)部件和重要部件進行抗振性設(shè)計或優(yōu)化，以達到提高機床抗顫振性能的目的。J.H.WANG等［53］給出了一臺加工中心抗顫振優(yōu)化的全過程，優(yōu)化后該加工中心的極限切深提高了一倍;E.Solis等［54］針對高速銑提出了一種基于分析與實驗相結(jié)合的穩(wěn)定性圖確認(rèn)方法;Osamu Maeda等［55］在機床主軸專家設(shè)計系統(tǒng)中增加了抗顫振優(yōu)化模塊并介紹了其優(yōu)化原理和流程，由該系統(tǒng)設(shè)計出的主軸部件具有較強的抗顫振能力。國內(nèi)在機床抗顫振結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的系統(tǒng)研究資料和報道卻非常之少。

(2)增大機床加工系統(tǒng)的阻尼

阻尼對自激振動幅值影響不大，但是它可以推遲閾速。阻尼主要來自零部件的內(nèi)阻尼、結(jié)合面上的摩擦阻尼以及其他附加阻尼。Hongo等［56］提出了一種新的陶瓷樹脂混凝土在精密機床上面的應(yīng)用，討論了其熱性能和機械特性，并且用有限元法和試驗分析法討論了其顫振特性，得出在NC機床的刀架上使用這種材料刀具，其使用壽命要比普通機床高5倍，有著很好的抗振性能。

(3)改變砂輪形狀結(jié)構(gòu)

通過改變砂輪形狀結(jié)構(gòu)達到改變砂輪的接觸剛度和散熱條件進而達到減振的目的。R.I.King和R.S.Hahn［57］發(fā)現(xiàn)使用軟砂輪會在外圓上出現(xiàn)多角形磨耗，如果使用硬砂輪會在外圓上生成大體上等間隔的阻塞條紋，這現(xiàn)象發(fā)展會導(dǎo)致顫振。西安礦業(yè)學(xué)院許衛(wèi)星［58］發(fā)明的消振砂輪是通過把砂輪分成幾個硬度不同的區(qū)域，使砂輪在磨削過程中的傳遞函數(shù)發(fā)生交替變化，從而破壞了自激顫振條件，消除了磨削過程中的自激顫振，有效地改善了磨削質(zhì)量，提高了磨床效率。Bzymek等［59］通過在砂輪上制作各種形狀的孔達到降低砂輪的接觸剛度，取得很好的減振效果(見圖4)。張志晶等［60］在砂輪上制作了多組均布的小盲孔，減少了端面軟磨燒傷，磨削效率提高近1倍。

(4)改變加工工藝

改變加工工藝不需要對機床結(jié)構(gòu)進行改變或者調(diào)整，只需將主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、切削寬度和刀具角度等切削工藝參數(shù)適當(dāng)調(diào)整可達到抑制顫振的發(fā)生。在改變加工工藝抑制顫振的工作中，國內(nèi)學(xué)者主要集中在變速磨削研究上。

變速磨削的實質(zhì)是通過連續(xù)改變砂輪或工件的轉(zhuǎn)速，不讓磨削顫振始終處于最大顫振增長率對應(yīng)頻率下振動，使顫振增長率在最大顫振增長率附近連續(xù)變化，以達到抑制或延緩顫振增長目的。20世紀(jì)70年代，Grab等［61］受到不等齒距相對抑制再生型顫振的啟發(fā)，首先提出了“變速切削”的概念。Inamura等［62］通過對變速切削系統(tǒng)穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)分析得到:與恒速切削相比，變速切削的穩(wěn)定性界限可提高10倍左右。申曉龍等［35］采用變速磨削試驗表明:變速磨削確有一定抑振效果，并且存在一定的變化趨勢，按工件變速、砂輪與工件同時變速、砂輪變速，其抑振效果遞增。

韓相吉等［63］對砂輪變速磨削抑制顫振的效果進行了實驗研究，并討論了砂輪變速幅度、頻率和波形對顫振抑振效果的影響。但砂輪變速還會造成很大的瞬時電流通過驅(qū)動電動機，對設(shè)備有一定程度的損傷。

(5)主動控制方法

主動控制方法就是應(yīng)用控制理論從外部供給能量進行主動補償控制。檢出系統(tǒng)的某一狀態(tài)量(如切削力或位移)的變動，然后把與狀態(tài)量同頻率、同幅度但反相的控制量加到這個狀態(tài)量本身或作相應(yīng)變動后加在別的狀態(tài)量上去。雖然主動控制在理論上已有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，但由于其結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的復(fù)雜性使得它不能很快被投到實際應(yīng)用中。Cowley A［64］用非接觸式測振儀檢出振動位移，然后用電磁激振器把能夠消除這個振動位移的激振力通過反饋方式施加于機床機構(gòu)上。Cowstock T R［65］用非接觸式測振儀檢出振動位移，為了減少因振動位移而產(chǎn)生的瞬時切削量的變動，用電液式調(diào)節(jié)器通過反饋方式來控制刀具的位置。Nachtigal等［66］通過檢測出交變切削力，并為消除這一交變切削力，也用電液式調(diào)節(jié)器通過反饋方式來控制刀具位置。王先上［67］在外圓車削中直接將動態(tài)切削力信號放大，反相后作為電磁激振器的輸入信號，這樣可以使施加給工件的激振力始終跟蹤動態(tài)切削力。

(6)智能控制方法

智能控制是目前顫振抑制領(lǐng)域中的一個熱點，主要是采用吸振器或附加裝置的控制方法，與主動控制同樣存在結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)的問題。Tewani等［68］研究鉆桿上的主動吸振器，抑制顫振，即通過壓電激振器產(chǎn)生的對吸振器激勵來減振，計算了一定切削速度下的最大切寬變化時的顫振穩(wěn)定邊界，并比較了主動吸振器和被動吸振器的顫振邊界值。Tanaka等［69］也提到了在細(xì)長鉆桿上加主動吸振器的方法，通過檢測到的顫振頻率和相應(yīng)的相位信號在計算機放大壓電激振器，產(chǎn)生阻尼力來減振，但是要找到吸振器的最佳位置才能得到理想效果。

到目前為止，在實驗室條件下已經(jīng)給出了一些解決方案，但在實際的工業(yè)生產(chǎn)中只有很少的解決方案行之有效，特別是在抑制平面磨削顫振和減少磨削表面波紋度方面［17］。

4 磨削顫振特性研究的發(fā)展趨勢

影響磨削過程動態(tài)特性的因素十分復(fù)雜，給磨削顫振機理與監(jiān)控的研究帶來很大困難。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者一直不斷地進行磨削顫振理論和實驗研究，以揭示磨削顫振產(chǎn)生機理，磨削顫振研究存在以下發(fā)展趨勢:

(1)磨削系統(tǒng)的精準(zhǔn)建模趨勢

全面考慮多場環(huán)境的耦合作用對磨削加工建模、結(jié)合面的建模、參數(shù)辨識研究;對磨削加工過程使用數(shù)值模擬，把幾何仿真與物理仿真結(jié)合起來進行;考慮影響系統(tǒng)動力學(xué)特性的因素具有時變特性和非線性，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混沌理論等其他現(xiàn)代技術(shù)進一步對磨削顫振的產(chǎn)生機理進行研究。

(2)重視顫振預(yù)測技術(shù)研究的發(fā)展趨勢

只有通過快速準(zhǔn)確地預(yù)測和識別顫振，才能在顫振發(fā)展早期就將其抑制下去，不至于在工件表面留下振紋，影響加工質(zhì)量。Zhehe Yao［70］等人利用小波和支持向量機對顫振進行偵測和辨別研究取得較好的效果。但由于顫振過渡過程信號具有信息量大、非平穩(wěn)、信號特征重復(fù)再現(xiàn)性差的特點，故要實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的顫振預(yù)報有較大難度。

(3)優(yōu)化理論應(yīng)用于機床設(shè)計趨勢

結(jié)合優(yōu)化理論進行磨床動力學(xué)分析與設(shè)計問題，以穩(wěn)定磨削條件下低振動和高加工質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)的外圓磨削系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化，是有約束的多目標(biāo)優(yōu)化問題。其優(yōu)化變量包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)等。

(4)加工工藝智能預(yù)測趨勢

應(yīng)用基因遺傳算法、模糊優(yōu)化法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的非線性建模原理及自學(xué)習(xí)能力以及人工智能優(yōu)化控制對切削用量的優(yōu)化等多種方法和應(yīng)用，能有效地提高磨削穩(wěn)定性。

(5)精密檢測中的誤差分離技術(shù)應(yīng)用趨勢

精密檢測中的誤差分離技術(shù)(EST:Error Separation Technique)是精密加工與檢測技術(shù)中的重要內(nèi)容。加工中動態(tài)磨削力、砂輪與工件之間的相對振動以及工件表面波紋這3方面的信息不是孤立的，是相互聯(lián)系的。因此，通過精密檢測來研究磨削表面形貌誤差、磨削顫振及其抑制應(yīng)作為一個重要途徑［71］。

(6)從微觀方面剖析磨削過程及機理的發(fā)展趨勢

B.Lin等［72］將分子動力學(xué)理論用于分析磨削機理，并進行計算機仿真，為微觀磨削的理論研究提供了一個新的方法。薛喆等［73］探討了鋼球的微觀磨削機理，分析磨粒在鋼球表面的微觀運動規(guī)律，從而建立鋼球表面余料去除的通用模型。

5 結(jié)語

近年來，磨削加工技術(shù)在精密磨削、高效磨削、磨削自動化、智能化技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速。精密磨削技術(shù)主要以微細(xì)磨料磨削技術(shù)，超精密研磨拋光技術(shù)和磨削振動抑制技術(shù)為代表。高效磨削技術(shù)主要在重負(fù)荷荒磨，超高速磨削技術(shù)和高效深磨技術(shù)3方面發(fā)展迅速。自動化、智能化主要指磨削過程監(jiān)測預(yù)報控制，自適應(yīng)控制優(yōu)化，智能化工藝設(shè)計和智能工藝庫等［74－75］。

磨削技術(shù)將迅速地成為高精度、高效率和自動化智能化的高度綜合。一個國家的磨削工藝水平，己成為衡量該國機械制造水平的重要指標(biāo)。面對國外數(shù)控磨床產(chǎn)品的技術(shù)封鎖和昂貴價格，國產(chǎn)高精度數(shù)控磨床的市場需求和發(fā)展?jié)摿薮蟆１O(jiān)測和抑制磨削顫振的各項關(guān)鍵技術(shù)大多是國外磨床生產(chǎn)廠家的高端的技術(shù)秘密。國外在此方面已積累了大量的創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗，國內(nèi)還處于探索和研發(fā)階段，要攻克這些關(guān)鍵技術(shù)必須要依靠我國科技部門支持，科研院所和生產(chǎn)廠家采用借鑒吸收與自主創(chuàng)新相結(jié)合的方式。我國在“十五”、“十一五”和“十二五”科技發(fā)展戰(zhàn)略中，一直把以數(shù)控機床為代表的先進制造業(yè)作為優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項課題項目的設(shè)立，符合我國先進制造業(yè)發(fā)展規(guī)劃［76］。發(fā)展國產(chǎn)高精度數(shù)控磨床，提升我國磨床的技術(shù)水平，對我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的基礎(chǔ)作用。

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