液压高频颤振发生器的设计与仿真

　　振动切削是一种新型的非传统加工的特种切削加工方法。与普通切削相比，振动切削具有切削力小、切削热降低、工件表面质量提高、切屑处理容易、刀具耐用度提高等优点，解决了难加工材料和普通材料的难加工工序的加工问题，被认为是机械加工的一个重要发展方向。

　　振动切削装置是指利用外加的能源产生强迫振动的装置。振动切削在生产中的应用还很少，其中原因之一是振动切削装置还不完善，往往由于在加工过程中的振动频率、振幅以及输出力、疲劳等难于控制，限制了其在生产中的广泛使用。作者所设计的颤振发生器实际上就是一种特殊的振动切削装置，能在达到很高频率的同时又能产生很大的输出力。

　　1 液压颤振器的工作原理

　　如图1 所示，所用的阀具有径向的旋转运动和轴向的直线运动，也称2D 阀。阀芯台肩周向均匀开设8 个沟槽，每个沟槽所对应的圆心角为11. 25° ( 相邻沟槽的圆心角为45°) ，阀套周向也均匀开设 8 个窗口，沟槽宽度与阀套窗口宽度大小相同，且相邻台肩上的沟槽相互错位 ( 错位角度为22. 5°) ，因而使得进出颤振缸的流量大小及方向发生周期性的变化。如图1( a) 所示，P-A 导通，液压油进入颤振缸; 如图 1( b) 所示，A-T 导通，液压油流出颤振缸。当液压油进入颤振缸时，和颤振缸弹性端盖发生流固耦合振动。流体中产生附加的动压力，而附加动压力又通过界面再度引起结构的动力响应，这个过程称为结构与流体的耦合响应。这种液压颤振器的振动是结构 ( 液压缸) 与非结构因素 ( 交流液压流体) 相互耦合时，在耦合边界上形成的两者之间的耦合振动。其特殊性在于: 进入封闭容腔的油液是受控的交流流体，并且封闭容腔较小，可调节其体积，流体和颤振缸发生流固耦合振动。弹性端盖颤振的同时会带动负载固定板及其上面的工件颤振，从而为振动切削提供了条件。

　　在2D 阀中，阀芯的旋转运动和轴向滑动分别用于实现激振频率和幅值的独立控制。激振频率等于阀芯的转速与每转阀芯沟槽与阀套上的窗口之间的沟通次数的乘积，由于阀芯为细长结构转动惯量很小，又处于液压油的很好的润滑状态中，因而很容易提高阀芯的旋转速度获得高的激振频率; 此外，也容易通过增加阀芯台肩上的沟槽数及选择阀芯与阀套之间的配合关系来提高阀芯沟槽与阀套窗口每转沟通次数。通过调整这些因素易于实现 2D 阀控液压颤振器的高频颤振，可以达到 0 ～4 000 Hz 的频率。阀芯的轴向运动由另一伺服电机来控制，伺服电机带动连在阀芯上的凸轮机构旋转使阀芯产生轴向位移，从而控制油路通断的面积梯度。