切削振动分析与控制课题

1、0 报告内容报告内容 一、切削振动产生原因 二、切削振动控制方法 1 切削振动产生原因切削振动产生原因 加工中心加工中心 铣削加工过程铣削加工过程 理想切削理想切削 2 高刀具寿命高刀具寿命 高加工精度高加工精度 高加工表面质量高加工表面质量 高金属切除率高金属切除率 加工稳定加工稳定/振动小振动小 高加工可靠性高加工可靠性 高主轴寿命高主轴寿命 切削力小切削力小 切削振动产生原因切削振动产生原因 3 动态动态切屑切屑厚度波动厚度波动 工件刀具相对振动工件刀具相对振动 工件刀具系统动态特性工件刀具系统动态特性 工件材料工件材料 切削用量切削用量 切削速度切削速度 刀具几何形状刀具几何形状 切削

2、力切削力影响因素影响因素 切削振动产生原因切削振动产生原因 4 y x aa aa aK F F F F yyyx xyxx t s y s y x 2 1 x 切削振动产生原因 铣削铣削力力影响因素影响因素 5 e m c i Rf K a )(2 1 lim 切削振动产生原因 min 铣铣 削削 稳稳 定定 性性 控控 制制 模模 型型 6 2 k mn fc 切削振动产生原因 切屑形状切屑形状 切切 削削 稳稳 定定 性性 域域 7 铣削力测试铣削力测试 切削振动产生原因 8 铣铣 削削 力力 测测 试试 结结 果果 自激振动自激振动 强迫振动强迫振动 切削振动产生原因 9 结结 构构

3、薄薄 弱弱 环环 节节 高速铣削高速铣削 (n6000 rev/min)：振源振源主轴主轴, 刀柄刀柄, 刀具和轻质工件刀具和轻质工件 低速铣削低速铣削 (n1500 rev/min)：振源振源 机床大型部件机床大型部件. 切削振动产生原因 10 主轴主轴 滚珠丝杠滚珠丝杠 进给单元进给单元 滚动导轨滚动导轨 传传 动动 系系 统统 振振 动动 切削振动产生原因切削振动产生原因 11 切削振动控制方法切削振动控制方法 控制策略：控制策略： n 切削参数优化切削参数优化 n 阻尼减振方法阻尼减振方法 1060 1760 4.5 mm 12 切削振动控制方法切削振动控制方法 切切 削削 参参 数数

4、 优优 化化 13 切削振动控制方法切削振动控制方法 切切 削削 参参 数数 优优 化化 4 3 2 1 EXCITATION (HAMMER) RESPONSE (ACCEL) 采集卡采集卡 PC 加速度传感器加速度传感器力锤力锤 测试装置测试装置 14 切削振动控制方法切削振动控制方法 切切 削削 参参 数数 优优 化化 15 切削振动控制方法切削振动控制方法 根据工件刀具耦合特性优选刀具根据工件刀具耦合特性优选刀具 16 切削振动控制方法切削振动控制方法 加速度 a/(m/s2) 时间 t/s 图8 铣削过程加速度信号 0 500 1000 1500 0 50 100 0 10 20 时

5、 间 t/s 频 率 f/Hz 切削振动时域切削振动时域 切削振动频域切削振动频域 17 切削振动控制方法切削振动控制方法 ) s () s () s ( wt 根据工件刀具耦合特性优选刀具根据工件刀具耦合特性优选刀具 18 切削振动控制方法切削振动控制方法 非线性调谐质量阻尼器设计非线性调谐质量阻尼器设计 加工条件加工条件 阻尼器结构阻尼器结构 19 切削振动控制方法切削振动控制方法 非线性调谐质量阻尼器设计非线性调谐质量阻尼器设计 加工系统模型加工系统模型 阻尼器模型阻尼器模型 y=x2-x1 k1 m m k2 c1 c2 kf f x1 x2 Fd=F0sint 20 切削振动控制方法

6、切削振动控制方法 非线性调谐质量阻尼器设计非线性调谐质量阻尼器设计 双线性迟滞摩擦力双线性迟滞摩擦力 =0 y kf fn f -f = =+ = 2)( )()( )( 0)()( ff yykff ff yykff n mfn n mfn 0)( sin)( 222 0221111 n n fykycxm tFfycykxkxcxm 运动方程运动方程 21 切削振动控制方法切削振动控制方法 非线性调谐质量阻尼器设计非线性调谐质量阻尼器设计 0)cos( 02sin )sin()cos()2()sin()(2 )cos()n(si)2()cos()()1 ( 2 22 2 2 2 2 1 2

7、 2 2 ggggxy gggxy xyxggyxggg xyxggyxggg ayyx by)x( byayx byayx gg gg xy ggggg ya yb byayx )( 2 )tan( 2)( 1 22 2 2 2 222 2 频域半解析法频域半解析法 HBM HBM 求解切削系统频响函数实部求解切削系统频响函数实部 )(cos)()(cos)()( xgxgg xxR 22 切削振动控制方法切削振动控制方法 非线性调谐质量阻尼器设计非线性调谐质量阻尼器设计 阻尼器设计参数优化阻尼器设计参数优化 优化参数：优化参数： 优化目标：工件目标模态最大负实部最小优化目标：工件目标模态最

8、大负实部最小 优化结果：优化结果： e m c i Rf K a )(2 1 lim 23 切削振动控制方法切削振动控制方法 非线性调谐质量阻尼器设计非线性调谐质量阻尼器设计 稳定性图稳定性图 加工振动信号加工振动信号 控控 制制 效效 果果 无阻尼器无阻尼器 切削深度切削深度3mm3mm 有阻尼器有阻尼器 切削深度切削深度1mm1mm 24 切削振动控制方法切削振动控制方法 摩擦阻尼器设计摩擦阻尼器设计 摩擦阻尼器结构摩擦阻尼器结构 25 切削振动控制方法切削振动控制方法 摩擦阻尼器机理摩擦阻尼器机理 摩擦阻尼器设计摩擦阻尼器设计 26 切削振动控制方法切削振动控制方法 摩擦阻尼器设计摩擦阻

9、尼器设计 阻阻 尼尼 器器 参参 数数 优优 化化 21 /ahh / fM bFP 刀指和刀具壁厚之比刀指和刀具壁厚之比 刀指和刀具壁间摩擦力与刀指和刀具壁间摩擦力与 刀具端部切削力幅值之比刀具端部切削力幅值之比 27 切削振动控制方法切削振动控制方法 摩擦阻尼器设计摩擦阻尼器设计 阻阻 尼尼 器器 参参 数数 优优 化化 0 E4( ) l lossxy bu x dx 每个振动周期悬臂梁的损耗能为每个振动周期悬臂梁的损耗能为 悬臂梁结构中储存的最大应变能为悬臂梁结构中储存的最大应变能为 2 c ne c 1V EP 2P m 损耗因子损耗因子 (1) 2 11 8+2(1) = 3 ah

10、a+h bb ll 28 切削振动控制方法切削振动控制方法 摩擦阻尼器设计摩擦阻尼器设计 实际刀具直径为实际刀具直径为d=25mmd=25mm，长，长l =125mm=125mm，刀具壁厚，刀具壁厚h h1 1=6.25mm=6.25mm，因，因 此此h h1 1/ /l l=1/20=1/20，代入损耗因子计算公式得到，代入损耗因子计算公式得到 阻阻 尼尼 器器 参参 数数 优优 化化 012345678910 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Ff/Pm h1/l1=1/20 a=0.5 a=1 a=1.5 a=2 29 切削振动控制方法切削振

11、动控制方法 摩擦阻尼器设计摩擦阻尼器设计 阻阻 尼尼 器器 参参 数数 优优 化化 30 切削振动控制方法切削振动控制方法 摩擦阻尼器设计摩擦阻尼器设计 铣铣 削削 试试 验验 结结 果果 无阻无阻 尼器尼器 有阻有阻 尼器尼器 31 切削振动控制方法切削振动控制方法 大行程抗振滚珠丝杠副设计大行程抗振滚珠丝杠副设计 欧拉伯努力梁模型 采用多重调谐质量阻尼器抑制丝杠横向振动采用多重调谐质量阻尼器抑制丝杠横向振动 32 切削振动控制方法切削振动控制方法 大行程抗振滚珠丝杠副设计大行程抗振滚珠丝杠副设计 结构示意图结构示意图 力学模型力学模型 33 切削振动控制方法切削振动控制方法 大行程抗振滚珠

12、丝杠副设计大行程抗振滚珠丝杠副设计 模型求解模型求解 丝杠运行丝杠运行过程中螺母过程中螺母某一某一位置位置L L1 1 处，丝杠第处，丝杠第k k阶模态的动力学模型可阶模态的动力学模型可 表示表示为下图为下图 34 切削振动控制方法切削振动控制方法 大行程抗振滚珠丝杠副设计大行程抗振滚珠丝杠副设计 模型求解模型求解 螺母位置螺母位置L L1 1，丝杠第，丝杠第k k阶模态的阶模态的频率响应函数为：频率响应函数为： 螺母位置螺母位置L L1 1，丝杠轴向，丝杠轴向x x位置处包含各阶模态的滚珠丝杠副横向振动的位置处包含各阶模态的滚珠丝杠副横向振动的 无因次无因次频率响应函数为：频率响应函数为：

13、35 切削振动控制方法切削振动控制方法 大行程抗振滚珠丝杠副设计大行程抗振滚珠丝杠副设计 MTMDMTMD优化优化 为保证螺母位置处振动在全行程上最小，优化目标设为为保证螺母位置处振动在全行程上最小，优化目标设为: : MTMDMTMD参数优化算法为：参数优化算法为： 1 1 ,max max, , jjjgjjj Lv F mH v L m , , min, jjj jjj m F m 1 . . n j j stmconst 36 切削振动控制方法切削振动控制方法 大行程抗振滚珠丝杠副设计大行程抗振滚珠丝杠副设计 MTMDMTMD优化结果优化结果 无阻尼器螺母处无阻尼器螺母处FRF FRF

14、 有阻尼器螺母处有阻尼器螺母处FRF FRF 38 切削振动控制方法切削振动控制方法 切切 削削 参参 数数 优优 化化 39 切削振动控制方法切削振动控制方法 ) s () s () s ( wt 根据工件刀具耦合特性优选刀具根据工件刀具耦合特性优选刀具 40 切削振动控制方法切削振动控制方法 摩擦阻尼器设计摩擦阻尼器设计 实际刀具直径为实际刀具直径为d=25mmd=25mm，长，长l =125mm=125mm，刀具壁厚，刀具壁厚h h1 1=6.25mm=6.25mm，因，因 此此h h1 1/ /l l=1/20=1/20，代入损耗因子计算公式得到，代入损耗因子计算公式得到 阻阻 尼尼 器器 参参 数数 优优 化化 012345678910 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Ff/Pm h1/l