CN106271861A - 一种针对薄壁零件多模态时变切削振动控制的两级分布式组合动力吸振器减振方法 - Google Patents
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Abstract
一种针对薄壁零件多模态时变切削振动控制的两级分布式组合动力吸振器减振方法，属于阻尼减振技术领域。第一级通过在薄壁结构零件上模态阵型敏感点处分别布置多组(多个)动力吸振器，以达到控制切削加工过程中整个切削路径上可能因切削力激发的零件多模态切削振动；第二级通过在每个模态阵型敏感点位置处布置的多组动力吸振器贴紧排布，多组(多个)动力吸振器中各动力吸振器固有频率不相等，以实现切削过程中由于工件材料去除导致的零件固有频率迁移引起的时变切削振动的最优控制。两级分布式组合动力吸振器相对于单级吸振器具有减振效果好、频带宽、鲁棒性好等优点，可以一次性安装调整即可实现整个切削过程中振动的有效控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对薄壁零件多模态时变切削振动控制的两级分布式组合动力吸振器减振方法，属于阻尼减振技术领域。
背景技术
振动广泛存在于自然界和人们的日常生产生活中。地震、大风等会给建筑物带来振动，工业生产中的机床、转轴，生活中的按摩器、洗衣机，都存在着振动。从一般意义上说，如果表征一种运动的物理量作时而增大时而减小的反复变化，就可以称这种运动为振动。振动虽然有有利的一面，如振动筛、振动沉桩、地震仪的发明和应用，但更多情况下会引起负面影响，带来不必要的麻烦甚至危害，如共振引起机械或结构材料的疲劳、振动引起的建筑物的损坏和桥梁的垮塌等。
振动控制是振动工程领域内的一个重要分支，是振动研究的出发点与归宿。一般其有两种分类方法，一是按控制手段分类，有抑制振源强度、隔振、吸振、阻振、修改结构五种方法；另一种是按振动控制过程中是否需要外部能量分类，分为有源控制和无源控制，而有源控制又称为主动控制，无源控制也称为被动控制。本发明提出的吸振器减振属于被动控制方法。该吸振器具有宽频带两级多重性，与单级吸振器相比，具有抗振频带宽、抑振效果好和控制鲁棒性好等一系列优点。
本发明涉及一种针对薄壁零件多模态时变切削振动控制的两级分布式组合动力吸振器减振方法，可以实现工件整个切削加工过程中振动的有效控制。
发明内容
一般认为，在壳体件、套筒件、盘形件、环形件、轴类件、平板件中，当零件壁厚与内径曲率半径(或轮廓尺寸)之比小于1:20时，称作薄壁零件。薄壁件在整个切削加工过程中随切削位置变化可能激发多个模态频率的切削振动，若只考虑被控对象的单阶模态频率振动，其余阶数的频响函数幅值可能会受到阻尼器影响反而可能变大导致切削振动加剧，此外，薄壁件在整个切削加工过程中由于材料去除壁厚发生变化而导致其振动频率发生迁移，具有明显时变振动的特点。单纯考虑不变频率下振动抑制的阻尼器，不能达到时变频率下的减振效果。因此，对该类薄壁件进行时变振动及多个模态振动进行抑制是十分必要的。为此，本发明基于动力吸振原理，提出了一种新型的两级分布式组合动力吸振器减振方法，实现多模态时变频率下的振动控制。
一种针对薄壁零件多模态时变切削振动控制的两级分布式组合动力吸振器减振方法，其特征在于，第一级通过在薄壁结构零件上模态阵型敏感点处分别布置多组(多个)动力吸振器，以达到控制切削加工过程中整个切削路径上可能因切削力激发的零件多模态切削振动；第二级通过在每个模态阵型敏感点位置处布置的多组动力吸振器贴紧排布，多组(多个)动力吸振器中各动力吸振器固有频率不相等，以实现切削过程中由于工件材料去除导致的零件固有频率迁移引起的时变切削振动的最优控制。
此外，各动力吸振器的设计参数采用全局优化方法进行设计，考虑切削过程中薄壁件壁厚的时变特性，建立薄壁件动力学模型，以壁厚连续变化过程中各敏感点频率响应函数幅值最小化为优化目标函数，通过数值优化算法得到各阻尼器的最佳固有频率。
每个动力吸振器主要由基座(11)、悬臂梁(12)、第一质量块(13)和第二质量块(14)，基座(11)上安装有悬臂梁(12)，在悬臂梁(12)两端上各安装有第一质量块(13)和第二质量块(14)，悬臂梁(12)两端上安装的第一质量块(13)相对基座(11)对称分布，悬臂梁(12)两端上安装的第二质量块(14)同样也相对基座(11)对称分布，第二质量块(14)相对于第一质量块(13)距离基座(11)较近，质量也较小，用于微小调节。该吸振器可以通过调节两个质量块在悬臂梁上轴向位置连续调节阻尼器固有频率以达到最佳值。
将多个阻尼器按照优化设计结果分级分组安装在薄壁零件上，并通过反复调节各阻尼器固有频率使整个切削轨迹上薄壁零件敏感点的频率响应函数幅值最小，以此保证整个切削过程中切削振动的最优控制，实现提高加工质量的目的。
本发明具有如下有益作用：
针对薄壁件在整个切削加工过程中由于壁厚发生变化而导致其振动频率发生迁移，具有明显时变振动的特点。本发明基于动力吸振原理，提出了一种新型的两级分布式组合动力吸振器减振方法，实现多模态时变频率下的振动控制。两级分布式组合动力吸振器相对于单级吸振器具有减振效果好、频带宽、鲁棒性好等优点，可以一次性安装调整即可实现整个切削过程中振动的有效控制。本发明尤其适用于复杂结构的薄壁结构件，可以解决现有技术中复杂结构的薄壁件不能很好地减振的问题。
附图说明
图1为薄壁件三维模型。
图2为零件的铣削过程示意图。图3为该薄壁件的前三阶振型。
图中：(a)一阶振型，(b)二阶振型，(c)三阶振型。
图4为带有两级分布式组合动力吸振器时变系统的动力学模型。
图5为安装阻尼器位置及编号。
图6为动力吸振器结构示意图；
11基座、12悬臂梁、13第一质量块、14第二质量块。
图7为零件厚度为16mm时的减振效果。
图中：(a)X方向，(b)Y方向，(c)Z方向。
图8为零件厚度为14mm时的减振效果。
图中：(a)X方向，(b)Y方向，(c)Z方向。
图9为零件厚度为12mm时的减振效果。
图中：(a)X方向，(b)Y方向，(c)Z方向。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
如图1所示，小端直径为50mm，大端直径为300mm，长度为850mm，壁厚为16mm的半锥形件，属于典型的薄壁结构件。在图2中，底面两边进行固定对外表面进行铣削，零件初始厚度16mm，最后加工零件厚度为12mm。在厚度从16mm到12mm变化过程中，其固有频率及其他模态参数会发生改变，导致加工振动频率发生迁移，具有明显时变振动特性。随着零件厚度的减小，若保持吸振器的数量及参数不变，吸振器的减振效果会越来越弱，偏离最优减振效果。因此利用这种新型的两级分布式组合动力吸振器减振方法，实现薄壁零件整个铣削加工过程振动的有效控制。
如图3所示，通过模态分析确定零件的振动敏感点，分别为大端底面半圆的60度、90度、120度位置及中部半圆的60度、120度位置。图4为该时变系统的动力学模型。在图5中，由于工件在铣削过程中出现的壁厚逐渐减小而导致零件模态频率不断迁移，因此在5个振动敏感点处，均同时布置多个动力吸振器。该动力吸振器的结构如图6所示。考虑到优化效率和实际切削振动频率范围，以选择16mm、14mm和12mm三种厚度的零件X、Y、Z三个方向的前三阶频响函数幅值最大值平方和最小化为优化目标，对各动力吸振器的固有频率进行优化。最终优化结果：编号1为912.5Hz、编号2为2931.1Hz、编号3为2372.1Hz、编号4为882.2Hz、编号5为1919.5Hz、编号6为2176.2Hz、编号7为1487.2Hz、编号8为1355.7Hz、编号9为2370.9Hz。
不同厚度下零件安装阻尼器前后的频响函数如7-9所示，在厚度为16mm、14mm和12mm时的零件的减振效果均十分显著，频率响应函数最大幅值减小量均在85％以上，最大可达到90％以上。因此这种两级分布式组合动力吸振器减振方法提高了零件在不同厚度时的多个模态时变减振效果，抗振频带较宽，增强了减振系统的综合减振能力，提高了减振系统的稳定性和鲁棒性。
Claims (4)
1.一种针对薄壁零件多模态时变切削振动控制的两级分布式组合动力吸振器减振方法，其特征在于，第一级通过在薄壁结构零件上模态阵型敏感点处分别布置多组动力吸振器，以达到控制切削加工过程中整个切削路径上可能因切削力激发的零件多模态切削振动；第二级通过在每个模态阵型敏感点位置处布置的多组动力吸振器贴紧排布，多组动力吸振器中各动力吸振器固有频率不相等，以实现切削过程中由于工件材料去除导致的零件固有频率迁移引起的时变切削振动的最优控制。
2.按照权利要求1的一种针对薄壁零件多模态时变切削振动控制的两级分布式组合动力吸振器减振方法，其特征在于，各动力吸振器的设计参数采用全局优化方法进行设计，考虑切削过程中薄壁件壁厚的时变特性，建立薄壁件动力学模型，以壁厚连续变化过程中各敏感点频率响应函数幅值最小化为优化目标函数，通过数值优化算法得到各阻尼器的最佳固有频率。
3.按照权利要求1的一种针对薄壁零件多模态时变切削振动控制的两级分布式组合动力吸振器减振方法，其特征在于，每个动力吸振器主要由基座(11)、悬臂梁(12)、第一质量块(13)和第二质量块(14)，基座(11)上安装有悬臂梁(12)，在悬臂梁(12)两端上各安装有第一质量块(13)和第二质量块(14)，悬臂梁(12)两端上安装的第一质量块(13)相对基座(11)对称分布，悬臂梁(12)两端上安装的第二质量块(14)同样也相对基座(11)对称分布，第二质量块(14)相对于第一质量块(13)距离基座(11)较近，质量也较小，用于微小调节；该吸振器可以通过调节两个质量块在悬臂梁上轴向位置连续调节阻尼器固有频率以达到最佳值。
4.按照权利要求1的一种针对薄壁零件多模态时变切削振动控制的两级分布式组合动力吸振器减振方法，其特征在于，将多个阻尼器按照优化设计结果分级分组安装在薄壁零件上，并通过反复调节各阻尼器固有频率使整个切削轨迹上薄壁零件敏感点的频率响应函数幅值最小，以此保证整个切削过程中切削振动的最优控制。
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