減振技術在汽車零部件制造中的應用

郭春杰　李海峰　鐘海兵　路英竹

摘 要：汽車零部件制造離不開機床的切削加工，但是就實際的機床刀具加工過程來看，振動是不可避免的影響因素。因此本文便結(jié)合減振技術分析汽車零部件制造中的相關問題。首先分析了減振技術應用的背景及振動產(chǎn)生的原理;其次介紹了新型的磁流變液材料在減振技術中的應用;再次，針對新型的減振技術進行振動實驗，判斷該技術的合理性和實用性，意在通過本文論述可以減輕車床振動對零件加工的影響，從而進一步提升汽車零部件加工的效率和質(zhì)量。

關鍵詞：減振技術;汽車零部件;制造應用

數(shù)控車床已經(jīng)滲透到了工業(yè)領域中的各個方面，在航天、汽車、手機等行業(yè)的零部件加工中有著重要的應用價值，同時車床加工的質(zhì)量也能夠直接影響零部件的質(zhì)量。因此進一步提升車床加工的抗振性能，滿足工件的精度需求，減輕刀具的磨損崩壞情況，對于提升數(shù)控車床加工質(zhì)量有著極大的促進作用。同時汽車零部件制造行業(yè)對于工件加工的精度和質(zhì)量有著極高的要求，因此在汽車零部件制造過程中，進一步提升車床的抗振性能，可以有效提升汽車行業(yè)的發(fā)展質(zhì)量。

1 減振技術在汽車零部件加工中應用的背景及振動原理

1.1 背景分析

在汽車零部件加工制造的過程中，機床的振動會對零件的加工質(zhì)量造成極大的影響。而由此產(chǎn)生的危害也會涉及到汽車產(chǎn)品的未來使用安全領域，因此針對這種精度需求及時的進行機床減振研究，是當前工業(yè)領域重要的研究任務[1]。就國內(nèi)外的工業(yè)領域研究現(xiàn)狀來看，減振技術的研究和應用已經(jīng)涉及到了振動力學、控制學、動力學等領域，最早期應用的減振技術以被動控制為主，主要在加工設備上添加吸振器來改變控制對象的阻尼以及剛度，從而達到減振的目的。這種方式較為簡單，操作便捷，但是控制性能較為單一，針對汽車零部件等復雜結(jié)構的制造中無法起到明顯的效果。因此及時的將被動的振動控制轉(zhuǎn)化為主動的振動防御，進一步加強對于減振技術精度的研究和技術體系的創(chuàng)新，對于當前汽車零部件加工領域來講是極大的技術進步，也是未來發(fā)展的實用性需求。

1.2 機床運行振動原理分析

根據(jù)當前的研究結(jié)果來看，可以將機床在加工過程中產(chǎn)生的振動影響因素分為三種類型。

首先是自激振動，該種振動模式主要是由加工設備系統(tǒng)內(nèi)部不同環(huán)節(jié)之間相互作用影響而產(chǎn)生的振動形式，不需要外力進行外在激勵。振動頻率的大小和時長會受到系統(tǒng)本身的影響，若系統(tǒng)之間不同環(huán)節(jié)之間的影響減輕或消失，自激振動也會停止。因此想要全面遏制自激振動的產(chǎn)生，便需要合理的調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部的不同環(huán)節(jié)，使其處于平衡的工作狀態(tài)。常見的調(diào)節(jié)自激振動的系統(tǒng)如圖1所示。

其次，摩擦振動，該種振動產(chǎn)生的原因主要在于機床自激振動與工件加工過程中產(chǎn)生的摩擦進行影響而產(chǎn)生的。假設設備在制作工件過程中受到了外界激勵而產(chǎn)生了一定程度的振動，這種振動會影響刀具和零件之間的相對速度，速度的改變會影響二者之間的摩擦力，繼而由該摩擦力形成了對設備系統(tǒng)的二次外界激勵，從而導致了摩擦振動的產(chǎn)生。摩擦振動往往會隨著機床工作狀態(tài)而產(chǎn)生變化，當機床停止時摩擦振動便會消失。產(chǎn)生摩擦振動的主要系統(tǒng)如圖2所示。

再次，便是再生型振動。這種類型是機床在正常零部件加工制作過程中出現(xiàn)的常見類型，主要是由加工過程的不同時間段而導致的，例如在前一刻加工時刀具與工件之間產(chǎn)生振動而留下的振痕，和當前受到振動位移而導致的切削位置不同之間產(chǎn)生的切削厚度存在差異性，便會出現(xiàn)再生型振動。我們可以將再生型振動理解為是工件加工過程中不斷循環(huán)的閉環(huán)，上一秒的加工動作導致的振動引起下一秒出現(xiàn)了振動位移，在位移的影響下，相鄰的加工動作導致了加工厚度的不同，這是工件加工中無法改變的客觀現(xiàn)象，因此再生型振動往往會根據(jù)加工的時間而不斷積累，振幅不斷增加。

1.3 汽車零部件制造穩(wěn)定性影響因素

分析穩(wěn)定性影響因素能夠更好地定位車床加工過程中產(chǎn)生的振動規(guī)律和特點，建立在這些數(shù)據(jù)和重點的基礎上，可以正確分析如何提升機床加工的穩(wěn)定性，減少對汽車零部件的精度影響，起到抑制振動的作用。而從工程制造學角度來看，機床刀具以及工件之間形成了具有緊密聯(lián)系的系統(tǒng)，在加工過程中會出現(xiàn)客觀的固有頻率以及加工阻尼，同時這二者又會隨著加工工件的剛度進行變化[2]。因此我們在分析影響工件加工穩(wěn)定性的過程中，便可以從這三個方面進行針對性分析，。可以利用仿真實驗的方式，將系統(tǒng)的阻尼以及剛度作為變量，將加工過程中的主軸轉(zhuǎn)速以及軸向切削深度作為定量，經(jīng)過對振顫頻率的調(diào)整分析之后，可以發(fā)現(xiàn)適當?shù)募訌娤到y(tǒng)剛度以及阻尼能夠?qū)崿F(xiàn)在短時間內(nèi)使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定性的目的。

2 利用磁流變液材料進行減振技術應用分析

經(jīng)過上述論述可知改變系統(tǒng)的運行剛度以及阻尼數(shù)值能夠有效提升設備加工過程中的穩(wěn)定性，同時也能夠有效減少設備制造過程中的振幅，抑制振顫的產(chǎn)生，從而實現(xiàn)提高工件加工的精度，提升制造效率的目的。因此對比當前應用在汽車零件加工中的磁流變液材料來看，其具有可調(diào)節(jié)的剛度和阻尼數(shù)值。因此對于有效減少零部件加工振動有一定的促進作用。

2.1 材料性質(zhì)分析

磁流變液材料是在20世紀50年代由美國學者發(fā)明的，該種材料制備工作電壓高、屈服應力小的優(yōu)勢[3]，成為各國工業(yè)制造學者廣泛研究的對象，并且經(jīng)過初步研究之后，已經(jīng)廣泛應用在了汽車的懸架制造、起落架制造、人工假肢等領域。就磁流變液材料與傳統(tǒng)的電流變液材料相比，其具備以下幾方面的優(yōu)勢。

首先磁流變液材料具備較低的工作電壓，在幾十伏的電壓下便可以達到制作需求。其次，在相同的工作環(huán)境和工作條件下，磁流變液材料較電流變液材料的屈服應力大。再次，針對雜質(zhì)來講，磁流變液材料具有較高的穩(wěn)定性，能夠適應不同溫度。詳細的對比分析如表一所示。

3 基于磁流變液的汽車零部件加工減振技術

利用磁流變液來制作新型的阻尼器件，能夠有效提升輸出阻尼參數(shù)，確保刀具的穩(wěn)定性和質(zhì)量[4]。當前磁流變液材料已經(jīng)在汽車制造領域、橋梁工程領域等，有著良好的應用前景，另外相關研究者也認為磁流變液材料是能夠進行半主動控制的材料，因此可以應用在當前主動減振分析領域中，利用該材料制作的減振裝置，能夠進一步提升抑制振動的效率。

3.1 減振裝置的結(jié)構設置

減振裝置的合理設計能夠進一步提升一直振動的效果，同時也能夠提升汽車零部件制造的精度和質(zhì)量，可以延長相關工具的使用壽命，起到成本控制的作用，當前已經(jīng)有大量學者將磁流變液材料應用在阻尼裝置中，例如某理工大學有學者曾經(jīng)針對普通的車床設置了減振裝置[5]，利用磁流變液材質(zhì)的擠壓工作模式作為減振的基礎原理，最終的產(chǎn)品可以安裝在溜板箱上，首先需要對溜板箱進行改造，這不僅破壞了原有機床的機械結(jié)構，也從一定角度上增加了設計難度，另外，產(chǎn)品的體型和結(jié)構較為復雜，加工難度較大，雖然能夠起到一定效果的減振作用，但是并不適用于大面積推廣，但是該產(chǎn)品的設計原理也為當前新型的磁流變液阻尼裝置提供了設計依據(jù)。

因此針對上述磁流變液的優(yōu)勢和設計原理來看，本文利用了Ck6136s數(shù)控車床進行針對性分析，結(jié)合磁流變液材料自身所帶的擠壓以及剪切工作模式，制作了減振車刀，刀具主要分為減振刀桿軸、螺栓、密封圈、端蓋、橡膠堵頭、線圈引線、勵磁線圈、刀桿軸套以及磁流變液這幾部分，詳細結(jié)構如圖3所示。

基于磁流變液材質(zhì)自身工作性質(zhì)的不同，利用其來進行設計的減振車刀，在工作中的減振體積以及控制效率也會有一定的差異性，若單純利用擠壓模式來設置的減振車刀體積較小，有較高的控制效率。而本文所論述的減振車刀主要利用了磁流變液自身所附帶的擠壓工作以及剪切工作模式進行混合研究。刀桿軸經(jīng)過勵磁線圈纏繞之后，可以充當鐵芯的作用，將磁流變液從堵頭注入之后，會將刀桿軸、端蓋以及軸套之間的空間全部填充，經(jīng)過通電之后受到磁場的影響，磁流變液會由本質(zhì)的液態(tài)轉(zhuǎn)化為類固態(tài)，類似非牛頓流體，具備了較強的屈服強度，可以在刀具內(nèi)部模擬彈簧的性能，從而進一步提升阻尼數(shù)值，將整體刀具的抗振性能提升。

3.2 裝置的密封設計

利用磁流變液設置的減振車刀主要利用了靜密封裝置[6]。將O型的密封圈設置在了刀桿軸以及端蓋的徑向、軸向處，利用標準手冊中的規(guī)范來確定開槽的尺寸和位置，要根據(jù)O型密封圈直徑來確定開槽的深度，槽深要小于直徑。在安裝的過程中，密封圈要較槽口高出一部分，方便兩個零件裝配時能夠擠壓密封圈達到全封閉的作用，同時在組裝零件時要利用液態(tài)密封膠涂抹縫隙，從而進一步加強密封性能。

3.3 裝置的材料選取

首先在選擇刀桿軸時，要利用導磁率較高的材料，能夠在微弱的電流下便產(chǎn)生磁通效應，另外也要具備較好的退磁性能，可以在電流消失時及時的恢復初始狀態(tài)。另外要根據(jù)車刀的實際工作狀態(tài)來增加刀桿軸的力學性能，避免在工件制作過程中受到額外切削力的影響，導致車刀的工作效率下降，減振性能也會受到影響。綜合這些材料需求，本次研究中使用的材質(zhì)主要為20#鋼，另外該材質(zhì)的成本較低，適合大面積推廣。

磁流變液材質(zhì)主要選取了MRF.J25T型號，該型號的磁流變液在國外也有較大的知名度，且與大部分的國外材料有相同的優(yōu)勢。

在選擇利茲線圈時，主要選取了直徑為0.55mm的銅線，該種類型的銅線可以有效抵抗電壓的擊穿作用力，同時也具備極強的耐刮性和耐熱性，不會受到化學藥品的腐蝕，也可以在潮濕油性的環(huán)境中工作。

4 基于磁流變液材料的減振技術實驗

4.1 構建實驗體系

為了進一步檢測磁流變液減振裝置的價值，首先要將其安裝在車床的刀座上，并利用扳手進行固定，在車刀的前端放置速度傳感器，并且連接在信號采集系統(tǒng)的首個通道上，選擇沖擊力錘的時候要以鋼質(zhì)錘帽為主，利用導線將電源與車刀相連，模擬實際的車床工作狀態(tài)和相關裝置，才可以構建完善的實驗體系。

4.2 設置實驗參數(shù)

將系統(tǒng)啟動之后，需要根據(jù)軟件中的模態(tài)進行分析，重新建立起模態(tài)文件，并且將試驗的名稱、序號以及相關數(shù)據(jù)進行錄入，這些數(shù)據(jù)在后續(xù)的實驗過程中要作為定量，不可隨意改變。接下來針對參數(shù)進行分析，首先要將傳感器的型號以及總測量點數(shù)進行重置。傳感器主要以加速傳感器為主體，測量的點數(shù)是指車刀在運行過程中受到的外界激勵點，激勵點便是實驗過程中重力錘落點的位置。

4.3 提取檢測結(jié)果

綜合上述文章論述可知電流的大小會影響減振車刀的動態(tài)特性，而本次實驗中使用的是額定電流，因此還需要多次實驗，改變電流大小進行重復性研究。在檢測過程中著重提取不同頻響函數(shù)下的模態(tài)頻率，同時也要及時的記錄減振車刀的剛度以及固有頻率。最后，將經(jīng)過多次實驗之后的結(jié)果進行總結(jié)，能夠發(fā)現(xiàn)，若系統(tǒng)固有頻率增大，減振車刀的剛度也會隨之增強，這會改變減振車刀自身的動態(tài)特性，因此能夠更加適用于減振的需求，系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域會逐步擴大，從而影響軸向切削的深度，進一步減小切削過程中產(chǎn)生的位移情況，對于有效抵抗自激振動、摩擦振動以及再生型振動均有明顯的效果。

5 總結(jié)語

綜上所述，汽車零部件加工對于汽車行業(yè)的未來發(fā)展和產(chǎn)品的安全使用有著極為密切的影響，而汽車零部件在加工的過程中，數(shù)控車床會受到外界激勵的影響，從而出現(xiàn)振動情況，這些振動不僅會影響零部件加工的精度，也會降低制作加工效率，因此建立在當前振動產(chǎn)生原因的基礎上進行分析，結(jié)合新型的磁流變液材質(zhì)研制出新型的數(shù)控車刀，經(jīng)過檢測之后，新型的數(shù)控車刀能夠在磁流變液材質(zhì)的輔助下有效抵抗振動產(chǎn)生的位移情況，對于加強汽車零部件制作精度、提升制作效率有著極大的促進作用。

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作者簡介：郭春杰（1979-），男，湖南株洲人，工學碩士，高級工程師，主要從事汽車減振及輕量化產(chǎn)品的研發(fā)工作。