減振技術(shù)在汽車(chē)零部件制造中的應(yīng)用

郭春杰　李海峰　鐘海兵　路英竹

摘 要：汽車(chē)零部件制造離不開(kāi)機(jī)床的切削加工，但是就實(shí)際的機(jī)床刀具加工過(guò)程來(lái)看，振動(dòng)是不可避免的影響因素。因此本文便結(jié)合減振技術(shù)分析汽車(chē)零部件制造中的相關(guān)問(wèn)題。首先分析了減振技術(shù)應(yīng)用的背景及振動(dòng)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(shù)中的應(yīng)用;再次，針對(duì)新型的減振技術(shù)進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，判斷該技術(shù)的合理性和實(shí)用性，意在通過(guò)本文論述可以減輕車(chē)床振動(dòng)對(duì)零件加工的影響，從而進(jìn)一步提升汽車(chē)零部件加工的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：減振技術(shù);汽車(chē)零部件;制造應(yīng)用

數(shù)控車(chē)床已經(jīng)滲透到了工業(yè)領(lǐng)域中的各個(gè)方面，在航天、汽車(chē)、手機(jī)等行業(yè)的零部件加工中有著重要的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)車(chē)床加工的質(zhì)量也能夠直接影響零部件的質(zhì)量。因此進(jìn)一步提升車(chē)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(duì)于提升數(shù)控車(chē)床加工質(zhì)量有著極大的促進(jìn)作用。同時(shí)汽車(chē)零部件制造行業(yè)對(duì)于工件加工的精度和質(zhì)量有著極高的要求，因此在汽車(chē)零部件制造過(guò)程中，進(jìn)一步提升車(chē)床的抗振性能，可以有效提升汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展質(zhì)量。

1 減振技術(shù)在汽車(chē)零部件加工中應(yīng)用的背景及振動(dòng)原理

1.1 背景分析

在汽車(chē)零部件加工制造的過(guò)程中，機(jī)床的振動(dòng)會(huì)對(duì)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(huì)涉及到汽車(chē)產(chǎn)品的未來(lái)使用安全領(lǐng)域，因此針對(duì)這種精度需求及時(shí)的進(jìn)行機(jī)床減振研究，是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域重要的研究任務(wù)[1]。就國(guó)內(nèi)外的工業(yè)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀來(lái)看，減振技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)涉及到了振動(dòng)力學(xué)、控制學(xué)、動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域，最早期應(yīng)用的減振技術(shù)以被動(dòng)控制為主，主要在加工設(shè)備上添加吸振器來(lái)改變控制對(duì)象的阻尼以及剛度，從而達(dá)到減振的目的。這種方式較為簡(jiǎn)單，操作便捷，但是控制性能較為單一，針對(duì)汽車(chē)零部件等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造中無(wú)法起到明顯的效果。因此及時(shí)的將被動(dòng)的振動(dòng)控制轉(zhuǎn)化為主動(dòng)的振動(dòng)防御，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于減振技術(shù)精度的研究和技術(shù)體系的創(chuàng)新，對(duì)于當(dāng)前汽車(chē)零部件加工領(lǐng)域來(lái)講是極大的技術(shù)進(jìn)步，也是未來(lái)發(fā)展的實(shí)用性需求。

1.2 機(jī)床運(yùn)行振動(dòng)原理分析

根據(jù)當(dāng)前的研究結(jié)果來(lái)看，可以將機(jī)床在加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)影響因素分為三種類(lèi)型。

首先是自激振動(dòng)，該種振動(dòng)模式主要是由加工設(shè)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(dòng)形式，不需要外力進(jìn)行外在激勵(lì)。振動(dòng)頻率的大小和時(shí)長(zhǎng)會(huì)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(dòng)也會(huì)停止。因此想要全面遏制自激振動(dòng)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(jiàn)的調(diào)節(jié)自激振動(dòng)的系統(tǒng)如圖1所示。

其次，摩擦振動(dòng)，該種振動(dòng)產(chǎn)生的原因主要在于機(jī)床自激振動(dòng)與工件加工過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦進(jìn)行影響而產(chǎn)生的。假設(shè)設(shè)備在制作工件過(guò)程中受到了外界激勵(lì)而產(chǎn)生了一定程度的振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)影響刀具和零件之間的相對(duì)速度，速度的改變會(huì)影響二者之間的摩擦力，繼而由該摩擦力形成了對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的二次外界激勵(lì)，從而導(dǎo)致了摩擦振動(dòng)的產(chǎn)生。摩擦振動(dòng)往往會(huì)隨著機(jī)床工作狀態(tài)而產(chǎn)生變化，當(dāng)機(jī)床停止時(shí)摩擦振動(dòng)便會(huì)消失。產(chǎn)生摩擦振動(dòng)的主要系統(tǒng)如圖2所示。

再次，便是再生型振動(dòng)。這種類(lèi)型是機(jī)床在正常零部件加工制作過(guò)程中出現(xiàn)的常見(jiàn)類(lèi)型，主要是由加工過(guò)程的不同時(shí)間段而導(dǎo)致的，例如在前一刻加工時(shí)刀具與工件之間產(chǎn)生振動(dòng)而留下的振痕，和當(dāng)前受到振動(dòng)位移而導(dǎo)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(huì)出現(xiàn)再生型振動(dòng)。我們可以將再生型振動(dòng)理解為是工件加工過(guò)程中不斷循環(huán)的閉環(huán)，上一秒的加工動(dòng)作導(dǎo)致的振動(dòng)引起下一秒出現(xiàn)了振動(dòng)位移，在位移的影響下，相鄰的加工動(dòng)作導(dǎo)致了加工厚度的不同，這是工件加工中無(wú)法改變的客觀現(xiàn)象，因此再生型振動(dòng)往往會(huì)根據(jù)加工的時(shí)間而不斷積累，振幅不斷增加。

1.3 汽車(chē)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(chē)床加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)規(guī)律和特點(diǎn)，建立在這些數(shù)據(jù)和重點(diǎn)的基礎(chǔ)上，可以正確分析如何提升機(jī)床加工的穩(wěn)定性，減少對(duì)汽車(chē)零部件的精度影響，起到抑制振動(dòng)的作用。而從工程制造學(xué)角度來(lái)看，機(jī)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(guò)程中會(huì)出現(xiàn)客觀的固有頻率以及加工阻尼，同時(shí)這二者又會(huì)隨著加工工件的剛度進(jìn)行變化[2]。因此我們?cè)诜治鲇绊懝ぜ庸し€(wěn)定性的過(guò)程中，便可以從這三個(gè)方面進(jìn)行針對(duì)性分析，。可以利用仿真實(shí)驗(yàn)的方式，將系統(tǒng)的阻尼以及剛度作為變量，將加工過(guò)程中的主軸轉(zhuǎn)速以及軸向切削深度作為定量，經(jīng)過(guò)對(duì)振顫頻率的調(diào)整分析之后，可以發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)系統(tǒng)剛度以及阻尼能夠?qū)崿F(xiàn)在短時(shí)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(jìn)行減振技術(shù)應(yīng)用分析

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

2.1 材料性質(zhì)分析

磁流變液材料是在20世紀(jì)50年代由美國(guó)學(xué)者發(fā)明的，該種材料制備工作電壓高、屈服應(yīng)力小的優(yōu)勢(shì)[3]，成為各國(guó)工業(yè)制造學(xué)者廣泛研究的對(duì)象，并且經(jīng)過(guò)初步研究之后，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了汽車(chē)的懸架制造、起落架制造、人工假肢等領(lǐng)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(shì)。

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(dá)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(yīng)力大。再次，針對(duì)雜質(zhì)來(lái)講，磁流變液材料具有較高的穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)不同溫度。詳細(xì)的對(duì)比分析如表一所示。

3 基于磁流變液的汽車(chē)零部件加工減振技術(shù)

利用磁流變液來(lái)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(dāng)前磁流變液材料已經(jīng)在汽車(chē)制造領(lǐng)域、橋梁工程領(lǐng)域等，有著良好的應(yīng)用前景，另外相關(guān)研究者也認(rèn)為磁流變液材料是能夠進(jìn)行半主動(dòng)控制的材料，因此可以應(yīng)用在當(dāng)前主動(dòng)減振分析領(lǐng)域中，利用該材料制作的減振裝置，能夠進(jìn)一步提升抑制振動(dòng)的效率。

3.1 減振裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)置

減振裝置的合理設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步提升一直振動(dòng)的效果，同時(shí)也能夠提升汽車(chē)零部件制造的精度和質(zhì)量，可以延長(zhǎng)相關(guān)工具的使用壽命，起到成本控制的作用，當(dāng)前已經(jīng)有大量學(xué)者將磁流變液材料應(yīng)用在阻尼裝置中，例如某理工大學(xué)有學(xué)者曾經(jīng)針對(duì)普通的車(chē)床設(shè)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(chǔ)原理，最終的產(chǎn)品可以安裝在溜板箱上，首先需要對(duì)溜板箱進(jìn)行改造，這不僅破壞了原有機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，也從一定角度上增加了設(shè)計(jì)難度，另外，產(chǎn)品的體型和結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(shè)計(jì)原理也為當(dāng)前新型的磁流變液阻尼裝置提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

因此針對(duì)上述磁流變液的優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)原理來(lái)看，本文利用了Ck6136s數(shù)控車(chē)床進(jìn)行針對(duì)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(chē)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(lì)磁線圈、刀桿軸套以及磁流變液這幾部分，詳細(xì)結(jié)構(gòu)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的減振車(chē)刀，在工作中的減振體積以及控制效率也會(huì)有一定的差異性，若單純利用擠壓模式來(lái)設(shè)置的減振車(chē)刀體積較小，有較高的控制效率。而本文所論述的減振車(chē)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(jìn)行混合研究。刀桿軸經(jīng)過(guò)勵(lì)磁線圈纏繞之后，可以充當(dāng)鐵芯的作用，將磁流變液從堵頭注入之后，會(huì)將刀桿軸、端蓋以及軸套之間的空間全部填充，經(jīng)過(guò)通電之后受到磁場(chǎng)的影響，磁流變液會(huì)由本質(zhì)的液態(tài)轉(zhuǎn)化為類(lèi)固態(tài)，類(lèi)似非牛頓流體，具備了較強(qiáng)的屈服強(qiáng)度，可以在刀具內(nèi)部模擬彈簧的性能，從而進(jìn)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(shè)計(jì)

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

3.3 裝置的材料選取

首先在選擇刀桿軸時(shí)，要利用導(dǎo)磁率較高的材料，能夠在微弱的電流下便產(chǎn)生磁通效應(yīng)，另外也要具備較好的退磁性能，可以在電流消失時(shí)及時(shí)的恢復(fù)初始狀態(tài)。另外要根據(jù)車(chē)刀的實(shí)際工作狀態(tài)來(lái)增加刀桿軸的力學(xué)性能，避免在工件制作過(guò)程中受到額外切削力的影響，導(dǎo)致車(chē)刀的工作效率下降，減振性能也會(huì)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(hào)，該型號(hào)的磁流變液在國(guó)外也有較大的知名度，且與大部分的國(guó)外材料有相同的優(yōu)勢(shì)。

在選擇利茲線圈時(shí)，主要選取了直徑為0.55mm的銅線，該種類(lèi)型的銅線可以有效抵抗電壓的擊穿作用力，同時(shí)也具備極強(qiáng)的耐刮性和耐熱性，不會(huì)受到化學(xué)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(shù)實(shí)驗(yàn)

4.1 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)體系

為了進(jìn)一步檢測(cè)磁流變液減振裝置的價(jià)值，首先要將其安裝在車(chē)床的刀座上，并利用扳手進(jìn)行固定，在車(chē)刀的前端放置速度傳感器，并且連接在信號(hào)采集系統(tǒng)的首個(gè)通道上，選擇沖擊力錘的時(shí)候要以鋼質(zhì)錘帽為主，利用導(dǎo)線將電源與車(chē)刀相連，模擬實(shí)際的車(chē)床工作狀態(tài)和相關(guān)裝置，才可以構(gòu)建完善的實(shí)驗(yàn)體系。

4.2 設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)

將系統(tǒng)啟動(dòng)之后，需要根據(jù)軟件中的模態(tài)進(jìn)行分析，重新建立起模態(tài)文件，并且將試驗(yàn)的名稱(chēng)、序號(hào)以及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入，這些數(shù)據(jù)在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要作為定量，不可隨意改變。接下來(lái)針對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析，首先要將傳感器的型號(hào)以及總測(cè)量點(diǎn)數(shù)進(jìn)行重置。傳感器主要以加速傳感器為主體，測(cè)量的點(diǎn)數(shù)是指車(chē)刀在運(yùn)行過(guò)程中受到的外界激勵(lì)點(diǎn)，激勵(lì)點(diǎn)便是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中重力錘落點(diǎn)的位置。

4.3 提取檢測(cè)結(jié)果

綜合上述文章論述可知電流的大小會(huì)影響減振車(chē)刀的動(dòng)態(tài)特性，而本次實(shí)驗(yàn)中使用的是額定電流，因此還需要多次實(shí)驗(yàn)，改變電流大小進(jìn)行重復(fù)性研究。在檢測(cè)過(guò)程中著重提取不同頻響函數(shù)下的模態(tài)頻率，同時(shí)也要及時(shí)的記錄減振車(chē)刀的剛度以及固有頻率。最后，將經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)之后的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，能夠發(fā)現(xiàn)，若系統(tǒng)固有頻率增大，減振車(chē)刀的剛度也會(huì)隨之增強(qiáng)，這會(huì)改變減振車(chē)刀自身的動(dòng)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(huì)逐步擴(kuò)大，從而影響軸向切削的深度，進(jìn)一步減小切削過(guò)程中產(chǎn)生的位移情況，對(duì)于有效抵抗自激振動(dòng)、摩擦振動(dòng)以及再生型振動(dòng)均有明顯的效果。

5 總結(jié)語(yǔ)

綜上所述，汽車(chē)零部件加工對(duì)于汽車(chē)行業(yè)的未來(lái)發(fā)展和產(chǎn)品的安全使用有著極為密切的影響，而汽車(chē)零部件在加工的過(guò)程中，數(shù)控車(chē)床會(huì)受到外界激勵(lì)的影響，從而出現(xiàn)振動(dòng)情況，這些振動(dòng)不僅會(huì)影響零部件加工的精度，也會(huì)降低制作加工效率，因此建立在當(dāng)前振動(dòng)產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上進(jìn)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(chē)刀，經(jīng)過(guò)檢測(cè)之后，新型的數(shù)控車(chē)刀能夠在磁流變液材質(zhì)的輔助下有效抵抗振動(dòng)產(chǎn)生的位移情況，對(duì)于加強(qiáng)汽車(chē)零部件制作精度、提升制作效率有著極大的促進(jìn)作用。

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