车削颤振及超声振动车削技术

伴随加工技术的飞速发展，钛合金、铝合金、高强度钢等高强度、高塑性难加工材料在航空航天等领域应用愈发广泛。由于材料的本征特性，导致其在加工时往往会产生颤振。学者初步将颤振分为摩擦型颤振、振型耦合型颤振和再生型颤振三种类型，其中较为大众认可的是再生型颤振。当颤振发生时，刀具会在工件加工表面留下不规则的振纹，并且伴有刺耳的噪声，刀具也会急剧磨损甚至破损。 
本书首先针对车削TC4钛合金过程中产生的再生型颤振现象进行了研究。建立以刀具系统为主振系统的再生型颤振动力学模型，对动力学参数进行试验识别并绘制稳定性叶瓣图。试验分析表明，当背吃刀量与转速构成的点位于叶瓣图曲线上方时，与叶瓣图曲线下方相同转速的点对比，其振幅平均值增大了1倍左右，粗糙度值增大了31%左右，车削不稳定，验证了所绘稳定性叶瓣图的准确性且通过对比分析的方法，增强了结果的可靠性。根据超声振动切削原理搭建超声振动车削平台，采取径向振动切削技术来抑制再生型颤振。试验表明，径向振动对再生型颤振具有较好的抑制作用。 
其次，建立了6061铝合金轴向超声振动车削刀具轨迹模型，通过刀尖运动轨迹分析了轴向超声振动车削的加工机理。建立了轴向超声振动车刀刀杆数学模型，通过Workbench软件对刀杆进行模态分析与谐响应分析，设计出了符合试验条件的轴向超声振动车刀刀杆。基于J-C本构模型、滑动库仑摩擦模型及任意拉格朗日-欧拉自适应法网格划分，利用AdvantEdge分别建立了6061铝合金常规车削与轴向超声振动车削二维有限元模型，并进行了车削仿真。搭建了铝合金常规车削、分离型与不分离型轴向超声振动车削试验平台，分别进行了基于切削参数的全因子车削试验，得到了不同车削方式下加工工件的表面粗糙度，并进行了对比分析。基于轴向超声振动车削全因子试验结果，运用多元回归法与指数函数法分别对分离型与不分离型轴向超声振动车削建立了表面粗糙度预测模型，并进行了显著性分析。基于Pareto排序的多目标遗传算法，以降低表面粗糙度、提高加工效率为目标，对分离型与不分离型轴向超声振动切削参数进行了优化。 
最后，针对车削TC4钛合金建立了以刀具系统为主振系统的再生型颤振动力学模型，对动力学参数进行试验识别并绘制稳定性叶瓣图。为了研究时滞对颤振的影响，引入时滞因素绘制时滞-切削深度稳定性极限叶瓣图，针对不同时滞进行了切削仿真与试验。依据颤振爆发时的切削与常规切削的不同特点，提出基于小波包节点能量的特征提取方法，使用三层小波包变换第1、6、7频段，与时域信号极差和方差组成特征向量，利用支持向量机进行模式识别，训练出颤振监测分类器识别速度为3700 obs/s（每秒能够完成的观测数），综合识别准确率达到91.6%。为了验证切削颤振监测系统与超声振动系统配合对颤振的抑制效果，设计切削TC4钛合金颤振监测与抑制试验。根据对颤振机理的研究，开发外圆切削颤振稳定性极限预测系统，选择合适的切削参数，利用改变时滞激发颤振。完善颤振监测系统，将超声振动切削加入训练集中，重新训练分类器，颤振识别的综合正确率提升至93.3%。建立切削试验平台，使用颤振监测系统识别颤振是否出现，并用超声振动抑制颤振。结果表明，除在颤振即将发生时出现了几个错误点外，颤振识别基本正确。超声振动车削可以有效抑制由时滞改变引发的颤振，提高表面质量。 
基于此，本书介绍了车削颤振机理，分析了颤振预测和抑制的相关理论和方法，并通过大量试验进行了验证，希望能对相关人员有一定的借鉴作用。全书共6章：第1章介绍了车削颤振的一些基本问题以及目前的研究现状；第2章介绍了再生型车削颤振机理；第3章针对车削颤振机理，设计制备了一维超声车削系统，涉及刀杆、换能器、超声波发生器等；第4章进行了径向超声振动车削TC4钛合金颤振研究；第5章进行了轴向车削铝合金颤振研究；第6章介绍了基于时滞影响的再生型颤振监测及抑制切削。 
本书由吕志杰和逄波、刘辉撰写。吕志杰负责全书的统稿工作。李绍朋、薛磊和党迪在整个过程中做了大量的工作，在此表示衷心的感谢。 
由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。 

著者

颤振是金属切削过程中刀具与工件之间产生的相对振动，涉及颤振机理、颤振监测（预测）和颤振抑制等。超声振动车削结合了常规车削工艺与超声振动，可将超声振动施加在刀具上，以实现更佳的切削性能和加工表面质量。本书主要以再生型车削颤振机理为依据，针对TC4钛合金和6061铝合金，以刀具系统为振动系统并对其进行线性及非线性建模，运用稳定性叶瓣图方法，介绍再生型车削颤振机理，超声振动车削系统设计及试验平台搭建，径向、轴向超声振动车削以及基于时滞影响的颤振监测等。本书还涉及了超声振动车削表面粗糙度预测及参数优化等问题。本书可供金属切削加工领域的技术人员参考，也可作为相关领域科研人员和机械工程类专业研究生的参考书。

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第1章  绪论 001 
1.1  车削颤振及超声振动车削 001 
1.2  车削再生型颤振稳定性预测 002 
1.2.1  车削再生型颤振稳定性预测方法 002 
1.2.2  SLD颤振稳定性极限预测 003 
1.3  车削再生型颤振监测 005 
1.3.1  不同传感器的颤振监测方法 006 
1.3.2  信号分析与特征提取 007 
1.3.3  颤振分类识别方法 009 
1.4  车削再生型颤振抑制研究 010 
1.5  车削颤振抑制利器——超声振动车削 012 
1.5.1  超声振动车削现状 013 
1.5.2  一维超声直线振动车削 016 
1.5.3  多维超声振动车削 017 
1.5.4  超声振动车削与表面粗糙度预测 019 
1.5.5  超声振动车削与参数优化 021 

第2章  再生型车削颤振机理 023 
2.1  车削中的振动 023 
2.1.1  车削加工过程中振动的分类 023 
2.1.2  切削颤振的分类 024 
2.2  车削再生型颤振模型分析 026 
2.2.1  单自由度线性再生型颤振模型 026 
2.2.2  单自由度非线性再生型颤振模型 029 
2.2.3  线性分析与非线性分析的不同 031 
2.2.4  SLD法稳定性叶瓣图 032 

第3章  超声振动车削系统设计 035 
3.1  超声振动车削分类 035 
3.2  超声振动车削系统 037 
3.2.1  超声振动车削系统的组成 037 
3.2.2  超声振动系统设计 038 
3.3  超声车刀刀杆设计 041 
3.3.1  振动车刀刀杆数学建模 041 
3.3.2  振动刀杆仿真分析 042 
3.4  径向超声振动车削装置安装设计 046 

第4章  径向超声振动车削TC4钛合金 048 
4.1  径向超声振动车削机理 048 
4.2  径向车削TC4钛合金颤振稳定性极限影响因素分析 050 
4.2.1  径向车削TC4钛合金颤振稳定性极限影响因素正交试验 050 
4.2.2  试验结果分析 052 
4.3  主振系统动力学参数的识别 055 
4.3.1  主振系统刀杆阻尼比识别 055 
4.3.2  刀杆固有频率及静刚度系数识别 057 
4.4  车削TC4钛合金颤振稳定性叶瓣图 058 
4.5  车削TC4钛合金稳定性试验 059 
4.5.1  时域分析 059 
4.5.2  工件表面粗糙度分析 060 
4.6  径向振动车削TC4钛合金有限元仿真 063 
4.6.1  TC4钛合金外圆车削有限元建模 063 
4.6.2  仿真方案设计 066 
4.6.3  仿真结果分析 067 
4.7  径向超声振动车削对比试验 076 
4.7.1  试验方法 076 
4.7.2  常规- 径向振动车削TC4钛合金正交试验 076 
4.7.3  正交试验结果分析 079 

第5章  轴向超声振动车削6061铝合金 092 
5.1  轴向超声振动车削机理 092 
5.1.1  轴向超声振动车削加工轨迹模型 092 
5.1.2  轴向超声振动理论表面残余高度模型 098 
5.2  轴向超声振动车刀刀杆设计 099 
5.2.1  轴向超声振动车刀刀杆数学建模 099 
5.2.2  振动刀杆模态分析 100 
5.2.3  振动刀杆谐响应分析 102 
5.2.4  轴向超声振动系统的组成 105 
5.3  铝合金轴向超声振动车削有限元仿真 106 
5.3.1  车削6061铝合金有限元模型 107 
5.3.2  仿真参数设置 108 
5.3.3  仿真结果分析 109 
5.3.4  轴向超声振动车削性能仿真分析 120 
5.4  铝合金轴向超声振动车削试验 126 
5.4.1  试验平台的搭建 127 
5.4.2  试验方案 129 
5.4.3  试验结果分析 131 
5.5  铝合金轴向超声振动车削表面粗糙度预测及切削参数优化 139 
5.5.1  表面粗糙度预测方法 139 
5.5.2  基于多元回归法的表面粗糙度预测模型 140 
5.5.3  基于指数函数法的表面粗糙度预测模型 141 
5.5.4  轴向超声振动车削表面粗糙度预测模型验证 143 
5.5.5  分离型与不分离型轴向超声振动切削参数优化 146 

第6章  基于时滞影响的再生型颤振监测及超声振动车削抑制 150 
6.1  基于时滞影响的稳定性预测研究 150 
6.1.1  再生型切削颤振系统建模 150 
6.1.2  稳定性叶瓣图 152 
6.1.3  再生型切削颤振系统时滞性微分方程 157 
6.1.4  时滞对切削颤振的影响仿真及结果 158 
6.1.5  时滞对切削颤振的影响试验设计及结果分析 162 
6.2  TC4钛合金车削颤振监测 165 
6.2.1  支持向量机最优分类超平面算法 166 
6.2.2  特征向量提取方法——小波包变换 167 
6.2.3  训练颤振监测分类器 168 
6.2.4  颤振监测分类器试验验证 174 
6.3  TC4钛合金车削颤振抑制 177 
6.3.1  钛合金车削有限元建模 177 
6.3.2  超声振动切削仿真结果及其分析 181 
6.3.3  超声振动车削试验设计及结果分析 186 
6.4  TC4钛合金车削颤振监测与抑制系统构建 191 
6.4.1  车削颤振监测及抑制试验设计 191 
6.4.2  外圆切削颤振稳定性极限预测系统 193 
6.4.3  切削颤振监测系统 195 
6.4.4  变时滞切削试验设计 198 

附录 204 

参考文献 208 

颤振是金属切削过程中刀具与工件之间产生的相对振动，涉及颤振机理、颤振监测（预测）和颤振抑制等。超声振动车削结合了常规车削工艺与超声振动，可将超声振动施加在刀具上，以实现更佳的切削性能和加工表面质量。本书主要以再生型车削颤振机理为依据，针对TC4钛合金和6061铝合金，以刀具系统为振动系统并对其进行线性及非线性建模，运用稳定性叶瓣图方法，介绍再生型车削颤振机理，超声振动车削系统设计及试验平台搭建，径向、轴向超声振动车削以及基于时滞影响的颤振监测等。本书还涉及了超声振动车削表面粗糙度预测及参数优化等问题。本书可供金属切削加工领域的技术人员参考，也可作为相关领域科研人员和机械工程类专业研究生的参考书。

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