減振技術(shù)在汽車零部件制造中的應(yīng)用

郭春杰　李海峰　鐘海兵　路英竹

摘 要：汽車零部件制造離不開機(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床振動(dòng)對(duì)零件加工的影響，從而進(jìn)一步提升汽車零部件加工的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：減振技術(shù);汽車零部件;制造應(yīng)用

數(shù)控車床已經(jīng)滲透到了工業(yè)領(lǐng)域中的各個(gè)方面，在航天、汽車、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)控車床加工質(zhì)量有著極大的促進(jìn)作用。同時(shí)汽車零部件制造行業(yè)對(duì)于工件加工的精度和質(zhì)量有著極高的要求，因此在汽車零部件制造過(guò)程中，進(jìn)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(shù)在汽車零部件加工中應(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)的常見類型，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(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(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)化為類固態(tài)，類似非牛頓流體，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)確定開槽的尺寸和位置，要根據(jù)O型密封圈直徑來(lái)確定開槽的深度，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床的刀座上，并利用扳手進(jìn)行固定，在車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)線將電源與車刀相連，模擬實(shí)際的車床工作狀態(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、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，減振車刀的剛度也會(huì)隨之增強(qiáng)，這會(huì)改變減振車刀自身的動(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，汽車零部件加工對(duì)于汽車行業(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，而汽車零部件在加工的過(guò)程中，數(shù)控車床會(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)控車刀，經(jīng)過(guò)檢測(cè)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(dòng)產(chǎn)生的位移情況，對(duì)于加強(qiáng)汽車零部件制作精度、提升制作效率有著極大的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳雅，楊叔子，柯石求，李維國(guó).機(jī)床切削系統(tǒng)的強(qiáng)迫再生顫振與極限環(huán)[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1991（02）：69，75.

[2]師漢民.影響機(jī)床顫振的幾個(gè)非線性因素及其數(shù)學(xué)模型[J].華中工學(xué)院學(xué)報(bào)，1984（06）：101，112.

[3]徐燕申，Minis，I.E.，Magrab，E.B.切削加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1990（01）：64-71.

[4]邱輝，李國(guó)平，孫濤.再生型車削顫振的動(dòng)力學(xué)建模與穩(wěn)定性分析[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2016（03）：98-102.

[5]李康舉，劉永賢，馮保中，雷從一.TH5650銑削加工中心變參數(shù)切削振動(dòng)控制[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（02）：174，179.

[6]張永亮，于駿一，侯東霞，張守勤，吳華.基于電流變效應(yīng)的車削顫振預(yù)報(bào)控制技術(shù)的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005（04）：206-211.

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，主要從事汽車減振及輕量化產(chǎn)品的研發(fā)工作。