一種針對薄壁零件多模態時變切削振動控制的兩級分布式組合動力吸振器減振方法技術

一種針對薄壁零件多模態時變切削振動控制的兩級分布式組合動力吸振器減振方法，屬于阻尼減振技術領域。第一級通過在薄壁結構零件上模態陣型敏感點處分別布置多組(多個)動力吸振器，以達到控制切削加工過程中整個切削路徑上可能因切削力激發的零件多模態切削振動；第二級通過在每個模態陣型敏感點位置處布置的多組動力吸振器貼緊排布，多組(多個)動力吸振器中各動力吸振器固有頻率不相等，以實現切削過程中由于工件材料去除導致的零件固有頻率遷移引起的時變切削振動的最優控制。兩級分布式組合動力吸振器相對于單級吸振器具有減振效果好、頻帶寬、魯棒性好等優點，可以一次性安裝調整即可實現整個切削過程中振動的有效控制。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種針對薄壁零件多模態時變切削振動控制的兩級分布式組合動力吸振器減振方法，屬于阻尼減振

技術介紹
振動廣泛存在于自然界和人們的日常生產生活中。地震、大風等會給建筑物帶來振動，工業生產中的機床、轉軸，生活中的按摩器、洗衣機，都存在著振動。從一般意義上說，如果表征一種運動的物理量作時而增大時而減小的反復變化，就可以稱這種運動為振動。振動雖然有有利的一面，如振動篩、振動沉樁、地震儀的專利技術和應用，但更多情況下會引起負面影響，帶來不必要的麻煩甚至危害，如共振引起機械或結構材料的疲勞、振動引起的建筑物的損壞和橋梁的垮塌等。振動控制是振動工程領域內的一個重要分支，是振動研究的出發點與歸宿。一般其有兩種分類方法，一是按控制手段分類，有抑制振源強度、隔振、吸振、阻振、修改結構五種方法；另一種是按振動控制過程中是否需要外部能量分類，分為有源控制和無源控制，而有源控制又稱為主動控制，無源控制也稱為被動控制。本專利技術提出的吸振器減振屬于被動控制方法。該吸振器具有寬頻帶兩級多重性，與單級吸振器相比，具有抗振頻帶寬、抑振效果好和控制魯棒性好等一系列優點。本專利技術涉及一種針對薄壁零件多模態時變切削振動控制的兩級分布式組合動力吸振器減振方法，可以實現工件整個切削加工過程中振動的有效控制。
技術實現思路
一般認為，在殼體件、套筒件、盤形件、環形件、軸類件、平板件中，當零件壁厚與內徑曲率半徑(或輪廓尺寸)之比小于1:20時，稱作薄壁零件。薄壁件在整個切削加工過程中隨切削位置變化可能激發多個模態頻率的切削振動，若只考慮被控對象的單階模態頻率振動，其余階數的頻響函數幅值可能會受到阻尼器影響反而可能變大導致切削振動加劇，此外，薄壁件在整個切削加工過程中由于材料去除壁厚發生變化而導致其振動頻率發生遷移，具有明顯時變振動的特點。單純考慮不變頻率下振動抑制的阻尼器，不能達到時變頻率下的減振效果。因此，對該類薄壁件進行時變振動及多個模態振動進行抑制是十分必要的。為此，本專利技術基于動力吸振原理，提出了一種新型的兩級分布式組合動力吸振器減振方法，實現多模態時變頻率下的振動控制。一種針對薄壁零件多模態時變切削振動控制的兩級分布式組合動力吸振器減振方法，其特征在于，第一級通過在薄壁結構零件上模態陣型敏感點處分別布置多組(多個)動力吸振器，以達到控制切削加工過程中整個切削路徑上可能因切削力激發的零件多模態切削振動；第二級通過在每個模態陣型敏感點位置處布置的多組動力吸振器貼緊排布，多組(多個)動力吸振器中各動力吸振器固有頻率不相等，以實現切削過程中由于工件材料去除導致的零件固有頻率遷移引起的時變切削振動的最優控制。此外，各動力吸振器的設計參數采用全局優化方法進行設計，考慮切削過程中薄壁件壁厚的時變特性，建立薄壁件動力學模型，以壁厚連續變化過程中各敏感點頻率響應函數幅值最小化為優化目標函數，通過數值優化算法得到各阻尼器的最佳固有頻率。每個動力吸振器主要由基座(11)、懸臂梁(12)、第一質量塊(13)和第二質量塊(14)，基座(11)上安裝有懸臂梁(12)，在懸臂梁(12)兩端上各安裝有第一質量塊(13)和第二質量塊(14)，懸臂梁(12)兩端上安裝的第一質量塊(13)相對基座(11)對稱分布，懸臂梁(12)兩端上安裝的第二質量塊(14)同樣也相對基座(11)對稱分布，第二質量塊(14)相對于第一質量塊(13)距離基座(11)較近，質量也較小，用于微小調節。該吸振器可以通過調節兩個質量塊在懸臂梁上軸向位置連續調節阻尼器固有頻率以達到最佳值。將多個阻尼器按照優化設計結果分級分組安裝在薄壁零件上，并通過反復調節各阻尼器固有頻率使整個切削軌跡上薄壁零件敏感點的頻率響應函數幅值最小，以此保證整個切削過程中切削振動的最優控制，實現提高加工質量的目的。本專利技術具有如下有益作用：針對薄壁件在整個切削加工過程中由于壁厚發生變化而導致其振動頻率發生遷移，具有明顯時變振動的特點。本專利技術基于動力吸振原理，提出了一種新型的兩級分布式組合動力吸振器減振方法，實現多模態時變頻率下的振動控制。兩級分布式組合動力吸振器相對于單級吸振器具有減振效果好、頻帶寬、魯棒性好等優點，可以一次性安裝調整即可實現整個切削過程中振動的有效控制。本專利技術尤其適用于復雜結構的薄壁結構件，可以解決現有技術中復雜結構的薄壁件不能很好地減振的問題。附圖說明圖1為薄壁件三維模型。圖2為零件的銑削過程示意圖。圖3為該薄壁件的前三階振型。圖中：(a)一階振型，(b)二階振型，(c)三階振型。圖4為帶有兩級分布式組合動力吸振器時變系統的動力學模型。圖5為安裝阻尼器位置及編號。圖6為動力吸振器結構示意圖；11基座、12懸臂梁、13第一質量塊、14第二質量塊。圖7為零件厚度為16mm時的減振效果。圖中：(a)X方向，(b)Y方向，(c)Z方向。圖8為零件厚度為14mm時的減振效果。圖中：(a)X方向，(b)Y方向，(c)Z方向。圖9為零件厚度為12mm時的減振效果。圖中：(a)X方向，(b)Y方向，(c)Z方向。具體實施方式下面結合實例對本專利技術的技術方案進一步說明，但本專利技術并不限于以下實施例。實施例1如圖1所示，小端直徑為50mm，大端直徑為300mm，長度為850mm，壁厚為16mm的半錐形件，屬于典型的薄壁結構件。在圖2中，底面兩邊進行固定對外表面進行銑削，零件初始厚度16mm，最后加工零件厚度為12mm。在厚度從16mm到12mm變化過程中，其固有頻率及其他模態參數會發生改變，導致加工振動頻率發生遷移，具有明顯時變振動特性。隨著零件厚度的減小，若保持吸振器的數量及參數不變，吸振器的減振效果會越來越弱，偏離最優減振效果。因此利用這種新型的兩級分布式組合動力吸振器減振方法，實現薄壁零件整個銑削加工過程振動的有效控制。如圖3所示，通過模態分析確定零件的振動敏感點，分別為大端底面半圓的60度、90度、120度位置及中部半圓的60度、120度位置。圖4為該時變系統的動力學模型。在圖5中，由于工件在銑削過程中出現的壁厚逐漸減小而導致零件模態頻率不斷遷移，因此在5個振動敏感點處，均同時布置多個動力吸振器。該動力吸振器的結構如圖6所示。考慮到優化效率和實際切削振動頻率范圍，以選擇16mm、14mm和12mm三種厚度的零件X、Y、Z三個方向的前三階頻響函數幅值最大值平方和最小化為優化目標，對各動力吸振器的固有頻率進行優化。最終優化結果：編號1為912.5Hz、編號2為2931.1Hz、編號3為2372.1Hz、編號4為882.2Hz、編號5為1919.5Hz、編號6為2176.2Hz、編號7為1487.2Hz、編號8為1355.7Hz、編號9為2370.9Hz。不同厚度下零件安裝阻尼器前后的頻響函數如7-9所示，在厚度為16mm、14mm和12mm時的零件的減振效果均十分顯著，頻率響應函數最大幅值減小量均在85％以上，最大可達到90％以上。因此這種兩級分布式組合動力吸振器減振方法提高了零件在不同厚度時的多個模態時變減振效果，抗振頻帶較寬，增強了減振系統的綜合減振能力，提高了減振系統的穩定性和魯棒性。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種針對薄壁零件多模態時變切削振動控制的兩級分布式組合動力吸振器減振方法，其特征在于，第一級通過在薄壁結構零件上模態陣型敏感點處分別布置多組動力吸振器，以達到控制切削加工過程中整個切削路徑上可能因切削力激發的零件多模態切削振動；第二級通過在每個模態陣型敏感點位置處布置的多組動力吸振器貼緊排布，多組動力吸振器中各動力吸振器固有頻率不相等，以實現切削過程中由于工件材料去除導致的零件固有頻率遷移引起的時變切削振動的最優控制。

【技術特征摘要】
1.一種針對薄壁零件多模態時變切削振動控制的兩級分布式組合動力吸振器減振方法，其特征在于，第一級通過在薄壁結構零件上模態陣型敏感點處分別布置多組動力吸振器，以達到控制切削加工過程中整個切削路徑上可能因切削力激發的零件多模態切削振動；第二級通過在每個模態陣型敏感點位置處布置的多組動力吸振器貼緊排布，多組動力吸振器中各動力吸振器固有頻率不相等，以實現切削過程中由于工件材料去除導致的零件固有頻率遷移引起的時變切削振動的最優控制。2.按照權利要求1的一種針對薄壁零件多模態時變切削振動控制的兩級分布式組合動力吸振器減振方法，其特征在于，各動力吸振器的設計參數采用全局優化方法進行設計，考慮切削過程中薄壁件壁厚的時變特性，建立薄壁件動力學模型，以壁厚連續變化過程中各敏感點頻率響應函數幅值最小化為優化目標函數，通過數值優化算法得到各阻尼器的最佳固有頻率。3.按照權利要求1的一種針對薄壁零件多模態時變切削振動控制的兩級分布式組合動力吸...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王民，劉宇男，昝濤，高相勝，張彥琳，
申請(專利權)人：北京工業大學，北京新立機械有限責任公司，
類型：發明
國別省市：北京;11