切削振動(dòng)分析與控制綜述

1、 王王 民民北京工業(yè)大學(xué)北京工業(yè)大學(xué)20201515. .7 7. .3030切削振動(dòng)分析與控制切削振動(dòng)分析與控制1報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容一、切削振動(dòng)產(chǎn)生原因二、切削振動(dòng)控制方法2切削振動(dòng)產(chǎn)生原因切削振動(dòng)產(chǎn)生原因加工中心加工中心 銑削加工過程銑削加工過程理想切削理想切削3高刀具壽命高刀具壽命高加工精度高加工精度高加工表面質(zhì)量高加工表面質(zhì)量高金屬切除率高金屬切除率加工穩(wěn)定加工穩(wěn)定/振動(dòng)小振動(dòng)小高加工可靠性高加工可靠性高主軸壽命高主軸壽命切削力小切削力小切削振動(dòng)產(chǎn)生原因切削振動(dòng)產(chǎn)生原因 4動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)切屑切屑厚度波動(dòng)厚度波動(dòng)工件刀具相對(duì)振動(dòng)工件刀具相對(duì)振動(dòng)工件刀具系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性工件刀具系統(tǒng)動(dòng)態(tài)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 刀具幾何形狀刀具幾何形狀切削力切削力影響因素影響因素切削振動(dòng)產(chǎn)生原因切削振動(dòng)產(chǎn)生原因5yxaaaaaKFFFFyyyxxyxxtsysyx21x切削振動(dòng)產(chǎn)生原因銑削銑削力力影響因素影響因素6emciRfKa)(21lim切削振動(dòng)產(chǎn)生原因min銑銑削削穩(wěn)穩(wěn)定定性性控控制制模模型型72 kmnfc切削振動(dòng)產(chǎn)生原因切屑形狀切屑形狀切切削削穩(wěn)穩(wěn)定定性性域域8切削振動(dòng)產(chǎn)生原因9銑銑削削力力測(cè)測(cè)試試結(jié)結(jié)果果自激振動(dòng)自激振動(dòng) 強(qiáng)迫振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)切削振動(dòng)產(chǎn)生原因10結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)薄薄弱弱環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)高速銑削高速銑削 (n6000 rev/min)：振源振源主軸主軸, 刀柄刀柄, 刀具

3、和輕質(zhì)工件刀具和輕質(zhì)工件低速銑削低速銑削 (n1500 rev/min)：振源振源 機(jī)床大型部件機(jī)床大型部件.切削振動(dòng)產(chǎn)生原因11主軸主軸滾珠絲杠滾珠絲杠進(jìn)給單元進(jìn)給單元滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌傳傳動(dòng)動(dòng)系系統(tǒng)統(tǒng)振振動(dòng)動(dòng)切削振動(dòng)產(chǎn)生原因切削振動(dòng)產(chǎn)生原因12切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法控制策略：控制策略：n 切削參數(shù)優(yōu)化切削參數(shù)優(yōu)化n 阻尼減振方法阻尼減振方法106017604.5 mm13切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法切切削削參參數(shù)數(shù)優(yōu)優(yōu)化化14切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法切切削削參參數(shù)數(shù)優(yōu)優(yōu)化化4321EXCITATION(HAMMER)RESPONSE(ACCEL)采集卡采集卡PC加速度傳

4、感器加速度傳感器力錘力錘測(cè)試裝置測(cè)試裝置15切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法切切削削參參數(shù)數(shù)優(yōu)優(yōu)化化16切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法根據(jù)工件刀具耦合特性優(yōu)選刀具根據(jù)工件刀具耦合特性優(yōu)選刀具17切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法 加速度 a/(m/s2) 時(shí)間 t/s 圖8 銑削過程加速度信號(hào) 0 500 1000 1500 0 50 100 0 10 20 時(shí) 間 t/s 頻 率 f/Hz 切削振動(dòng)時(shí)域切削振動(dòng)時(shí)域 切削振動(dòng)頻域切削振動(dòng)頻域18切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法) s () s () s (wt根據(jù)工件刀具耦合特性優(yōu)選刀具根據(jù)工件刀具耦合特性優(yōu)選刀具19切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)

5、控制方法非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)加工條件加工條件 阻尼器結(jié)構(gòu)阻尼器結(jié)構(gòu)20切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)加工系統(tǒng)模型加工系統(tǒng)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切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)雙線性遲滯摩擦力雙線性遲滯摩擦力 =0 y kf fn f -f = =+ = 2)()()()(0)()(ffyykffffyykffnmfnnmfn0)(sin)(2220221111nnfyky

6、cxmtFfycykxkxcxm 運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)方程22切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)0)cos(02sin)sin()cos()2()sin()(2)cos()n(si)2()cos()()1 (22222221222ggggxygggxyxyxggyxgggxyxggyxgggayyxby)x(byayxbyayxggggxygggggyaybbyayx)(2)tan(2)(1222222222頻域半解析法頻域半解析法 HBM HBM 求解切削系統(tǒng)頻響函數(shù)實(shí)部求解切削系統(tǒng)頻響函數(shù)實(shí)部)(cos)()(cos)()(xgxggxxR23切削振動(dòng)

7、控制方法切削振動(dòng)控制方法非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化優(yōu)化參數(shù)：優(yōu)化參數(shù)：優(yōu)化目標(biāo)：工件目標(biāo)模態(tài)最大負(fù)實(shí)部最小優(yōu)化目標(biāo)：工件目標(biāo)模態(tài)最大負(fù)實(shí)部最小優(yōu)化結(jié)果：優(yōu)化結(jié)果：emciRfKa)(21lim24切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)非線性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)穩(wěn)定性圖穩(wěn)定性圖 加工振動(dòng)信號(hào)加工振動(dòng)信號(hào)控控制制效效果果無(wú)阻尼器無(wú)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切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法摩擦阻尼器設(shè)計(jì)摩擦阻尼器設(shè)計(jì)摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)26切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)

8、控制方法摩擦阻尼器機(jī)理摩擦阻尼器機(jī)理摩擦阻尼器設(shè)計(jì)摩擦阻尼器設(shè)計(jì)27切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法摩擦阻尼器設(shè)計(jì)摩擦阻尼器設(shè)計(jì)阻阻尼尼器器參參數(shù)數(shù)優(yōu)優(yōu)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間摩擦力與刀指和刀具壁間摩擦力與刀具端部切削力幅值之比刀具端部切削力幅值之比28切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法摩擦阻尼器設(shè)計(jì)摩擦阻尼器設(shè)計(jì)阻阻尼尼器器參參數(shù)數(shù)優(yōu)優(yōu)化化0E4( ) llossxybu x dx每個(gè)振動(dòng)周期懸臂梁的損耗能為每個(gè)振動(dòng)周期懸臂梁的損耗能為懸臂梁結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存的最大應(yīng)變能為懸臂梁結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存的最大應(yīng)變能為2cnec1VEP2Pm損耗因子損耗因子(1)

9、2118+2(1)=3aha+hbbll29切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法摩擦阻尼器設(shè)計(jì)摩擦阻尼器設(shè)計(jì)實(shí)際刀具直徑為實(shí)際刀具直徑為d=25mmd=25mm，長(zhǎng)，長(zhǎng)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，代入損耗因子計(jì)算公式得到，代入損耗因子計(jì)算公式得到阻阻尼尼器器參參數(shù)數(shù)優(yōu)優(yōu)化化01234567891000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Ff/Pmh1/l1=1/20 a=0.5a=1a=1.5a=230切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法摩擦阻尼器設(shè)計(jì)摩擦阻尼器設(shè)計(jì)阻

10、阻尼尼器器參參數(shù)數(shù)優(yōu)優(yōu)化化 31切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法摩擦阻尼器設(shè)計(jì)摩擦阻尼器設(shè)計(jì)銑銑削削試試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果無(wú)阻無(wú)阻尼器尼器有阻有阻尼器尼器32切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法大行程抗振滾珠絲杠副設(shè)計(jì)大行程抗振滾珠絲杠副設(shè)計(jì)歐拉伯努力梁模型采用多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器抑制絲杠橫向振動(dòng)采用多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器抑制絲杠橫向振動(dòng)33切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法大行程抗振滾珠絲杠副設(shè)計(jì)大行程抗振滾珠絲杠副設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖力學(xué)模型力學(xué)模型34切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法大行程抗振滾珠絲杠副設(shè)計(jì)大行程抗振滾珠絲杠副設(shè)計(jì)模型求解模型求解 絲杠運(yùn)行絲杠運(yùn)行過程中螺母過程中螺母某一某一位置位置L

11、 L1 1處，絲杠第處，絲杠第k k階模態(tài)的動(dòng)力學(xué)模型可階模態(tài)的動(dòng)力學(xué)模型可表示表示為下圖為下圖35切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法大行程抗振滾珠絲杠副設(shè)計(jì)大行程抗振滾珠絲杠副設(shè)計(jì)模型求解模型求解 螺母位置螺母位置L L1 1，絲杠第，絲杠第k k階模態(tài)的階模態(tài)的頻率響應(yīng)函數(shù)為：頻率響應(yīng)函數(shù)為：螺母位置螺母位置L L1 1，絲杠軸向，絲杠軸向x x位置處包含各階模態(tài)的滾珠絲杠副橫向振動(dòng)的位置處包含各階模態(tài)的滾珠絲杠副橫向振動(dòng)的無(wú)因次無(wú)因次頻率響應(yīng)函數(shù)為：頻率響應(yīng)函數(shù)為：36切削振動(dòng)控制方法切削振動(dòng)控制方法大行程抗振滾珠絲杠副設(shè)計(jì)大行程抗振滾珠絲杠副設(shè)計(jì)MTMDMTMD優(yōu)化優(yōu)化 為保證螺母位置處振動(dòng)在全行程上最小，優(yōu)化目標(biāo)設(shè)為為保證螺母位置處振動(dòng)在全行程上最小，優(yōu)化目標(biāo)設(shè)為: : MTMDMTMD參數(shù)優(yōu)化算法