切削振动分析与控制综述

1、 王王 民民北京工业大学北京工业大学20201515. .7 7. .3030切削振动分析与控制切削振动分析与控制1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2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3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 4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

2、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5yxaaaaaKFFFFyyyxxyxxtsysyx21x切削振动产生原因铣削铣削力力影响因素影响因素6emciRfKa)(21lim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72 kmnfc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8切削振动产生原因9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10结结构构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

3、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11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12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106017604.5 mm13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4321EXCITATION(HAMMER)RESPONSE(ACCEL)采集卡采集卡PC加速度传

4、感器加速度传感器力锤力锤测试装置测试装置15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16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17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 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18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19切削振动控制方法切削振动

5、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20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 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双线性迟滞摩擦力双线性迟滞摩擦力 =0 y kf fn f -f = =+ = 2)()()()(0)()(ffyykffffyykffnmfnnmfn0)(sin)(2220221111nnfyky

6、cxmtFfycykxkxcxm 运动方程运动方程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0)cos(02sin)sin()cos()2()sin()(2)cos()n(si)2()cos()()1 (22222221222ggggxygggxyxyxggyxgggxyxggyxgggayyxby)x(byayxbyayxggggxygggggyaybbyayx)(2)tan(2)(1222222222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)()(xgxggxxR23切削振动

7、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：工件目标模态最大负实部最小优化结果：优化结果：emciRfKa)(21lim24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1mm1mm25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26切削振动控制方法切削振动

8、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21/ahh/fMbFP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阻阻尼尼器器参参数数优优化化0E4( ) llossxybu 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2cnec1VEP2Pm损耗因子损耗因子(1)

9、2118+2(1)=3aha+hbbll29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01234567891000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Ff/Pmh1/l1=1/20 a=0.5a=1a=1.5a=230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

10、阻尼尼器器参参数数优优化化 31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33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 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

11、 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：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