在使用了壓電減振刀柄之后，能夠明顯地降低單刃深孔加工刀具的振動，從而也可以在保證質(zhì)量不變的情況下大大的提高深孔鉆削時的進給速度。壓電減振刀柄由于其在切削加工過程中很高的適應(yīng)匹配能力，為提高生產(chǎn)能力提供了一個很好的解決方案。
深孔加工是一種加工長徑比（l/d）zui大可達250的加工方法。在加工長徑比較大的孔時，當切削速度達到一定的數(shù)值時，由于刀具特殊的細長結(jié)構(gòu)常常會產(chǎn)生動態(tài)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。由此而帶來的振紋不僅影響了深孔加工的質(zhì)量，也縮短了深孔加工刀具的壽命。本文將介紹具有緩解、衰減扭振功能的壓電減振刀柄的研發(fā)和試驗情況，以及由此而得到的生產(chǎn)過程穩(wěn)定性。
在金屬切削加工中，例如在深孔鉆削加工中，提高進給量以減少機動加工工時是一個非常重要的目標。但是，大多數(shù)情況下卻會遇到刀具和機床振動的問題，從而使得進一步提高生產(chǎn)能力遇到了很大的阻力。從刀具方面來講，通過使用中心架或者跟刀架的措施來減小刀具彎曲的影響；但是迄今為止一直沒有很好的辦法來緩解扭矩要求的振動。
壓電式的刀柄系統(tǒng)能夠與切削加工的過程自動匹配
為了緩解扭振對提高生產(chǎn)能力的限制問題，isf切削加工研究所研發(fā)了一種壓電式刀柄裝置。由于壓電式刀柄系統(tǒng)有著很高的按照加工過程自動匹配的性能，因此這一方案在提高深孔加工生產(chǎn)能力方面提供了很大的潛力。在這一系統(tǒng)的研發(fā)過程中，需要能夠簡單方便的集成到現(xiàn)有的機床系統(tǒng)之中的，結(jié)構(gòu)緊湊、自給自足的功能單元。
由于自振的原因，深孔鉆削裝置的振動頻率很大，而深孔鉆削裝置的空間大小又不能太大，無法使用一般的減振裝置、緩沖裝置。隨著減振作用處距zui大振幅位置之間的距離增加，在鉆孔深度逐漸增加的時候減振作用也逐步下降。而解決這一問題的方案就是采用一種具有扭轉(zhuǎn)特性的深孔鉆頭裝夾工具；從而實現(xiàn)整個深孔鉆削刀具長度上的振動頻率恒定不變，以至于在鉆到zui大深度時還能夠從振動過程中回收一定的能量。
研發(fā)的系統(tǒng)是一個將機床主軸和刀具連接起來的離合裝置。這種“離合器”式的結(jié)構(gòu)使得機床主軸和刀具之間的相對移動成為可能。而對機床主軸和刀具之間相對移動的緩沖和緩解有利于實現(xiàn)深孔鉆削過程的穩(wěn)定性。這一系統(tǒng)由兩個可以相對旋轉(zhuǎn)的、相互套接在一起的“聯(lián)軸器”型零件組成。在機床、刀具各半的聯(lián)軸器圓柱形縫隙中，充滿了具有磁阻的、用于扭矩傳遞的液體（mrf）。一般情況下，是利用具有承載能力的硅油做磁阻液的；其中可磁化的金屬微粒呈散亂排列狀。在受到磁場作用后，這些金屬顆粒整齊的按照磁場磁力線的方向排列起來形成了一條“金屬鏈”。
利用電流強度對減振緩沖性能進行調(diào)節(jié)
由于金屬鏈的形成，使得磁阻液在金屬鏈之間的流動比較困難，磁阻液的粘度也發(fā)生了變化。這種性能可以在液態(tài)和幾乎呈固態(tài)之間進行調(diào)節(jié)。
在實際應(yīng)用時，充滿mrf磁阻液的空間中安裝有產(chǎn)生磁場所需的線圈。通過對電流強度的調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)所需的壓電減振強度性能。而調(diào)節(jié)方式取決于不同的深孔鉆削過程。在出現(xiàn)扭矩引起的扭振時，可以在起動和制動兩種狀態(tài)之間調(diào)節(jié)離合連接的“軟和硬”，從而將內(nèi)部的摩擦轉(zhuǎn)化為熱量。為了采集當前工況的數(shù)據(jù)，即采集當前扭振振動的數(shù)據(jù)，在深孔鉆頭的壓電式刀柄中安裝了加速度傳感器。安裝的傳感器呈180°配置，以便能夠可靠的察覺到出現(xiàn)的扭振振動。加速度傳感器將深孔加工過程中檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)無線信號傳送裝置發(fā)送給檢測控制計算機，由它對檢測到的信號進行處理。在檢測信號處理計算機中，會對加速度傳感器發(fā)送來的信號進行過程分析。根據(jù)分析的結(jié)果，系統(tǒng)能夠自動的對勵磁電流進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)機械系統(tǒng)的調(diào)整使得深孔鉆削過程更加穩(wěn)定。調(diào)整后的效果再次被加速度傳感器所監(jiān)測，從而完成了一個閉式控制循環(huán)。
為使實現(xiàn)深孔鉆削過程穩(wěn)定性的定量化控制，這一解決方案中還研發(fā)了第二種裝夾深孔鉆頭的刀具夾持器；它同樣也具有采集鉆削過程狀態(tài)數(shù)據(jù)的功能。在這第二級刀柄中，同樣也安裝了加速度傳感器和無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)。利用這一壓電刀柄也按照*種刀柄的相同切削參數(shù)進行了試驗；即在一系列的扭振水平檢測試驗中有著相同的試驗條件。
兩種刀柄的一系列對比試驗數(shù)據(jù)都由檢測計算機進行數(shù)據(jù)評判。評判的依據(jù)是傳感器檢測到的電壓數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進行換算可以實現(xiàn)一系列檢測數(shù)據(jù)的對比。鉆削過程的狀態(tài)用10khz的頻率進行檢測，每個傳感器、每秒鐘1組10000個數(shù)據(jù)為1個單位傳遞給數(shù)據(jù)分析軟件?；谶@些數(shù)據(jù)，fast-fourier-transformation軟件對整個信號的自振頻率部分進行分析。根據(jù)頻率分析的結(jié)果，可以確定某一信號是否是一個扭振信號（干擾信號），或者是單個頻率的峰值信號是否已經(jīng)得到了衰減。
深孔鉆頭自振頻率的測定
根據(jù)對所使用的鉆削刀具扭轉(zhuǎn)振動自振頻率關(guān)系的分析，可以確定采集扭轉(zhuǎn)振動強度非常有意義的頻率范圍。通過對扭轉(zhuǎn)曲線下不同鉆孔過程面積的計算，能夠?qū)Σ煌囼炏盗械臄?shù)據(jù)進行比較。因為不同的進給速度下有不同的機動工時，所以要對這些數(shù)據(jù)進行標準化處理。
在完成數(shù)據(jù)的評判之后，可以開始對壓電式刀柄的使用情況按照鉆削過程進行調(diào)節(jié)。理想情況是能夠?qū)Φ毒邐A持器傳遞的扭矩進行調(diào)節(jié)，使得機械系統(tǒng)有幾種變型，以便通過幾種不同等級的機械系統(tǒng)變型將自振頻率推移，從而使得深孔鉆削的過程更加穩(wěn)定。
三種方案的試驗驗證
除了上面介紹的扭轉(zhuǎn)振動衰減方案以外，還有一種減少扭振的方案就是簡單的“電流減半”法，即只要發(fā)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)振動，就把電流強度減少一半。但這一減半措施始終保持深孔鉆削系統(tǒng)有足夠的輸出扭矩。當扭矩振動消失以后，才重新回復(fù)到原來的設(shè)定值。除了電流調(diào)節(jié)的工況以外，這種壓電式刀柄還在輔助的zui大電流強度下工作，以便能夠采集到?jīng)]有扭轉(zhuǎn)振動時的扭轉(zhuǎn)振動衰減的潛力。下面將分別介紹一下三種不同減振方案的減振效果。三種不同減振方案的檢測試驗條件都是相同的，使用的是同一類型的深孔加工刀具。鉆削時的切削工藝參數(shù)選用的是生產(chǎn)廠家推薦的數(shù)值，被加工材料是34crnimo6，材料編號為1.6582。
通過相同切削參數(shù)下加工時序的對比，可以清楚的看到使用了壓電刀柄的減振方案明顯的衰減了深孔鉆削時的*次扭振；即把鉆削開始時出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)振動幾乎全部衰減。同時，在接近鉆削過程結(jié)束時出現(xiàn)的第二次扭轉(zhuǎn)振動的范圍也明顯的衰減了。
扭振衰減改進zui大的是采用非調(diào)節(jié)式的壓電刀柄（恒定zui大電流強度，zui大的傳遞扭矩）在切削速度為70m/mim，每轉(zhuǎn)進給量為0.02mm時，扭振衰減率達62％。對于可調(diào)節(jié)的壓電刀柄，在切削速度為70m/mim，每轉(zhuǎn)進給量為0.03mm時的扭振衰減率可達55％。相比較，使用壓電刀柄之后在切削速度50m/min和70m/min時優(yōu)點zui明顯。在各種進給量情況下對扭轉(zhuǎn)振動強度的測試表明：在小進給量條件下對穩(wěn)定深孔鉆削過程有著很好的作用。橫向比較得出的結(jié)果是：使用了可調(diào)節(jié)的壓電刀柄后在切削速度50m/min、進給量0.05mm時有著比剛性刀具在進給量0.03mm時更好的深孔加工穩(wěn)定性。由此可以得出結(jié)論：在使用壓電刀柄之后，這一深孔加工條件下的生產(chǎn)效率可以提高67％，而且不會出現(xiàn)類似刀具磨損增加、深孔加工質(zhì)量降低等不良影響。
壓電式刀柄降低扭矩突變引起的振動
在使用了壓電式刀柄之后可以明顯的降低深孔加工時切削扭矩突變而引起的振動，能夠在保證生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的同時明顯的提高進給量。但是，不是在所有深孔加工工況下都采用可調(diào)節(jié)的壓電刀柄能夠得到的效果，有些工況下采用不可調(diào)節(jié)的壓電刀柄反而更好。這一點也通過壓電刀柄調(diào)節(jié)、控制的程序語言中得到了注明，多層次的調(diào)節(jié)控制程序有著比簡單調(diào)節(jié)控制程序更大的提率的潛力。從而也提供了在付出不多的情況下得到更好的結(jié)果：深孔加工中有著更大的優(yōu)化潛力可以挖掘。