被动阻尼减振技术及数控加工应用.pdf

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1、被动阻尼减振技术及数控加工应用米杨毅青L2，裴行政坦，刘强1’2(1．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191；2．国防科技工业高效数控加工技术研究应用中心，北京100191)【摘要】切削颤振导致工件加工表面质量恶化、切削效率降低以及刀具磨损加剧等系列危害。抑制颤振对航空制造业实现高质、高效加工有重要意义，尤其是在薄壁件加工时。作为工程领域振动抑制的一种重要方法，被动阻尼减振技术实施简单、效果明显、可靠性较高，在切削领域的应用正逐渐得到重视。关键词：数控加工；颤振；被动减振；薄壁件

2、DOI：10．16080／j．issnl671-833x．2016．18．016杨毅青博士，北京航空航天大学副教授。2007～2009年公派留学加拿大大不列颠哥伦比亚大学。主要研究方向为先进数控加工技术与装备、新型减振与吸能技术。承担国家自然科学基金、国家科技重大专项等课题10余项，发表学术论文30余篇。切削颤振在数控加工中的出现较为普遍，特别是在薄壁件加工过程中。颤振导致工件加工表面质量恶化、切削效率降低以及刀具磨损加剧}基金项目：国家自然科学基金(51675032)国家科技重大专项(2014

3、ZX04012013o16航空制造技术·2016年第18期等系列危害。针对切削颤振，研究人员进行了大量的理论建模、仿真模拟和切削试验，采用的研究方法可划分为加工工艺优化与工艺系统动态特性改善两大类⋯。通过准确建立工件加工过程模型并预测稳定域图【2】，进而对其加工工艺进行优化是实际中较常采用的技术途径，但加工工艺优化效果受限于切削过程建模精度，尤其是多轴时变切削过程；而且，随着工件材料的快速去除以及刀具轨迹的快速变化，薄壁零件的动力学特性及切削稳定性均难以精确预测。加工工艺系统动态特性改善主要包括

4、辅助支撑【3】、主动／半主动控制与被动抑制等，其中被动抑制实施简单、形式多样，在切削抑振领域的应用逐渐得到重视。被动抑制可分为动力吸振和耗能减振技术。针对切削加工中的被动阻尼技术，国内外学者进行了大量的研究，提出了多种理论和设计方法，对解决实际工程问题提供了极大的帮助。本文通过介绍归纳被动阻尼技术与装置并分析其现状，指出各自发展的特点和问题，并对未来趋势进行了展望。动力吸振技术动力吸振器由质量块、弹簧以及阻尼单元组成，通过将其附加在主结构上，基于所期望的工作要求来改变主结构的振动状态。动力吸振器

5、结构简单、使用方便、效果明显，被广泛应用于各行各业。根据其工作方式和原理不同，动力吸振器可分为单自由度动力吸振器、组合式动力吸振器与多自由度动力吸振器等(图1o1单自由度动力吸振器单自由度动力吸振器在20世纪初被提出，之后不断得到发展和完善。DenHartog和Brock以动力吸振器对主结构振幅的抑制为目标(H。准则)，利用“不动点理论”推导出了单自由度动力吸振器最优频率比和阻尼比的设计公式¨】。Crandallt61提出了针对主结构振动能量的优化(H，准则)，并由1wata推导出最优参数设计公

6、式‘7’；Yamaguchif8】提出了针对主结构瞬态振动的优化(最大稳定准则)，并由Nishihara例推导出最优参数设计公式。Asami等“01总结了上述3种优化准则并推导了主结构有阻尼情况下H。和H：两种优化a)单自由度动力吸振器(c)两自由度动力吸振器准则的解析。在国内，对单自由度动力吸振器也存在众多研究，而将它应用于切削振动抑制的工作则相对较少。杨智春等⋯1设计了一种可调的单自由度动力吸振器应用于颤振抑制。Wang等”21设计了一种非线性的单自由度动力吸振器，模态测试和切削试验表明抑振

7、效果良好。针对车削及铣削颤振，北京航空航天大学杨毅青等分别设计了悬臂梁式(图2(a))以及旋转变刚度的单自由度动力吸振器(图2(b))。其中，旋转变刚度的动力吸振器通过旋转质量块方向使动力吸振器频率发生改变。当质量块角度为800时，薄壁件频响函数幅值下降为无动力吸振器时的9．8％；调整其角度为20。时达到最优抑振效果，频响函数幅值进一步下降为13．6％，薄壁零件无颤振临界稳定切深可进一步提高1．8倍。在安装使用动力吸振器时，应保证动力吸振器与薄壁件弱刚性模态的振型方(b)组合式动力吸振器(d)六

8、自由度动力吸振器图1动力吸振器Fig．1Dynamicvibrationabsorber向一致，且安装位置在最大振动位移(a)单臂梁式动力吸振器(h)旋转变H_J度二力，]吸振**图2单自由度动力吸振器Fig．2Singledegreeoffreedomdynamicvibrationabsorber处，以最大限度提升抑振效果。此外，航空发动机零件中存在大量深腔、深孔结构，对大长径比刀具有大量需求。随着长径比的增加，刀具刚性锐减，振动加剧，进而严重影响加工工件表面完整性。设计研发阻尼减振刀具是解