CN108747558A - 一种柱形零件铣削抑振实现装置及其铣削抑振方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柱形零件铣削抑振实现装置及抑振方法，涉及铣削加工领域，首先针对工件进行模态测试，提取工件模态参数，然后设计制作可调式质量阻尼器抑振装置，再利用Minimax优化算法得到可调式质量阻尼器的频率和阻尼比，最后调节可调式质量阻尼器至优化的频率和阻尼比，在铣削过程中起到抑振作用。本发明的阻尼器能显著降低加工过程中的声音信号，提高加工过程的稳定性。

Description

一种柱形零件铣削抑振实现装置及其铣削抑振方法

技术领域

本发明涉及铣削加工领域，特别涉及柱形零件的实现装置及铣削抑振方法。

背景技术

柱形零件在进行加工时，经常涉及到端面切削。目前端面切削常常用到铣床，柱形零件在进行端面加工时，由于柱形零件长度较长，刚性较差，容易在加工过程中出现切屑再生效应导致的颤振，使得加工过程不稳定，进而影响零件的加工质量和效率。针对柱形零件的可调式质量阻尼器抑振装置目前并未见有相关文献。

发明内容

为了克服现有技术的不足，克服柱形零件在加工时极易出现颤振、加工质量差等缺陷，本发明提供一种柱形零件铣削实现装置及该装置的抑振方法。该方法首先针对工件进行模态测试，提取工件模态参数，然后设计制作可调式质量阻尼器抑振装置，再利用Minimax优化算法得到可调式质量阻尼器的频率和阻尼比，最后调节可调式质量阻尼器至优化的频率和阻尼比，在铣削过程中起到抑振作用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述的可调式质量阻尼器包括内套筒、短螺栓、外套筒、质量阻尼块、螺栓、摩擦盘、柱形工件和基座，内套筒的内径与柱形工件的直径相等，质量阻尼块由圆柱形底座和圆筒组成，其中圆柱形底座的直径大于圆筒的外径，且质量阻尼块的圆筒的内径与内套筒的外径相等，外套筒的内径与质量阻尼块圆筒的外径相同，先将内套筒套进柱形工件，且柱形工件在内套筒上方的高度大于需要铣削的长度，然后将质量阻尼块套在内套筒的外侧，再将外套筒套在质量阻尼块的圆筒外侧，且外套筒与内套筒在同一高度，四根螺栓穿过外套筒，固定内套筒和质量阻尼块。

将柱形工件穿过摩擦盘的中孔后固定在机床的基座上，两个螺栓分别插入摩擦盘的螺孔，且两根螺栓的底部插在基座的盲孔中，调整两根螺栓控制摩擦盘进行上下移动，使摩擦盘上表面与质量阻尼块的下表面接触。

使用本发明的可调式质量阻尼器进行的柱形零件铣削抑振方法，包括以下步骤：

步骤一、工件-阻尼器系统传递函数的实部G(iω)和虚部H(iω)为：

公式(1)中：

其中，

m₀,c₀,k₀分别表示工件主导模态的质量，阻尼和刚度，m_d,c_d,k_d表示阻尼器主导模态的质量，阻尼和刚度；

步骤二、铣削极限切深a_lim为：

其中：N为刀具齿数，K_t为切向切削力系数，Γ_R和Γ_I为加工系数；

步骤三、将步骤一得到的传递函数的实部和虚部带入步骤二的极限切深，确定目标函数p为：

步骤四、将柱形工件装夹固定在机床上，使用力锤和加速度传感器与其配套设备对柱形工件进行模态测试，得到工件传递函数，确定步骤一中的工件模态参数 m₀,ω₀,ξ₀，通过步骤一的公式计算可得m₀,c₀,k₀；

步骤五、称量得到可调式质量阻尼器的质量阻尼块的质量，并作为阻尼器主导模态的质量m_d，确定步骤一中的质量比u；

步骤六、选定加工参数：径向切深，径向切削力系数和顺逆铣方式，采用Altintas提出的零阶稳定性预测方法，确定步骤二中的系数Γ_R和Γ_I；

步骤七：根据公式(3)使用Minimax算法，即可得到阻尼器的频率ω_d和阻尼比ξ_d；

步骤八：调节可调式质量阻尼器的频率和阻尼比为步骤七得到的频率ω_d和阻尼比ξ_d，即可实现铣削抑振。

本发明的有益效果在于由于首先通过模态测试得到工件的模态参数，然后确定可调式质量阻尼器的质量比，利用Minimax算法得到阻尼器的频率和阻尼比，通过调节阻尼器至相应的频率和阻尼比，可以起到铣削抑振作用，阻尼器能显著降低加工过程中的声音信号，提高加工过程的稳定性。

附图说明

图1是可调式质量阻尼器装配结构示意图；

图2是可调式质量阻尼器零件结构示意图；

图3为无阻尼器时铣削加工的声音信号图；

图4为有阻尼器时铣削加工的声音信号图，

图5为无阻尼器时声音信号的傅里叶变换图，

图6为有阻尼器时声音信号的傅里叶变换图。

其中：1-内套筒、2-短螺栓、3-外套筒、4-质量阻尼块、5-螺栓、6-摩擦盘、7-柱形工件、8基座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

为了克服柱形零件在加工时极易出现颤振、加工质量差等缺陷，本发明提供一种柱形零件铣削抑振方法。该方法首先针对工件进行模态测试，提取工件模态参数。然后设计制作可调式质量阻尼器抑振装置。再利用Minimax优化算法得到可调式质量阻尼器的频率和阻尼比，最后调节可调式质量阻尼器至优化的频率和阻尼比，在铣削过程中起到抑振作用。

预期的技术效果：本发明提供的可调式质量阻尼器抑振装置，能够针对柱形零件的铣削过程起到抑振作用。

可调式质量阻尼器主要包括内套筒、短螺栓、外套筒、质量阻尼块、螺栓、摩擦盘、柱形工件和基座，内套筒的内径与柱形工件的直径相等，质量阻尼块由圆柱形底座和圆筒组成，其中圆柱形底座的直径大于圆筒的外径，且质量阻尼块的圆筒的内径与内套筒的外径相等，外套筒的内径与质量阻尼块圆筒的外径相同，

先将内套筒套进柱形工件，且柱形工件在内套筒上方的高度大于需要铣削的长度，然后将质量阻尼块套在内套筒的外侧，再将外套筒套在质量阻尼块的圆筒外侧，且外套筒与内套筒在同一高度，四根螺栓穿过外套筒，固定内套筒和质量阻尼块。

质量阻尼块可在竖直方向滑动，内套筒、外套筒和四根螺栓用来固定质量阻尼块。

将柱形工件穿过摩擦盘的中孔后固定在机床的基座上，两个螺栓分别插入摩擦盘的螺孔，且两根螺栓的底部插在基座的盲孔中。调整两根螺栓控制摩擦盘进行上下移动，使摩擦盘上表面与质量阻尼块的下表面接触。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：柱形零件铣削抑振方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、工件-阻尼器系统传递函数的实部G(iω)和虚部H(iω)为：

公式(1)中：

其中，

m₀,c₀,k₀分别表示工件主导模态的质量，阻尼和刚度，m_d,c_d,k_d表示阻尼器主导模态的质量，阻尼和刚度；

步骤二、铣削极限切深a_lim为：

其中：N为刀具齿数，K_t为切向切削力系数，Γ_R和Γ_I为加工系数；

步骤三、将步骤一得到的传递函数的实部和虚部带入步骤二的极限切深，确定目标函数p为：

步骤四、将柱形工件装夹固定在机床上，使用力锤和加速度传感器与其配套设备对柱形工件进行模态测试，得到工件传递函数，确定步骤一中的工件模态参数 m₀,ω₀,ξ₀，通过步骤一的公式计算可得m₀,c₀,k₀；

步骤五、称量得到可调式质量阻尼器的质量阻尼块的质量，并作为阻尼器主导模态的质量m_d，确定步骤一中的质量比u；

步骤六、选定加工参数：径向切深，径向切削力系数和顺逆铣方式，采用Altintas提出的零阶稳定性预测方法，确定步骤二中的系数Γ_R和Γ_I；

步骤七：根据公式(3)使用Minimax算法，即可得到阻尼器的频率ω_d和阻尼比ξ_d；

步骤八：调节可调式质量阻尼器的频率和阻尼比为步骤七得到的频率ω_d和阻尼比ξ_d，即可实现铣削抑振。

结合图1和图2对可调式质量阻尼器的实施方式：

可调式质量阻尼器主要包括内套筒1、短螺栓2、外套筒3、质量阻尼块4、长螺栓5、摩擦盘6、柱形工件7、基座8。将柱形工件7固定在机床基座8上。两根长螺栓5与摩擦盘6相连。两根长螺栓5插在基座8的盲孔中。质量阻尼块4可竖直方向移动。内套筒1、外套筒3、4根短螺栓2用来固定质量阻尼块4。两根长螺栓5控制摩擦盘6的上下移动，保持和质量阻尼块4的下表面接触。

可调式质量阻尼器的工作原理是：内套筒1、外套筒3、4根短螺栓2的位置保持不变，通过调整质量阻尼块4在竖直方向的上下移动，质量阻尼块4的刚性发生改变，从而起到频率调节的效果。摩擦盘6上通过附加不同磨粒大小的的砂纸，改变摩擦盘 6与质量阻尼块4的接触面的摩擦，从而起到频率比调节的效果。

实施例：

步骤一、工件-阻尼器系统传递函数的实部G(iω)和虚部H(iω)为：

公式(1)中：

m₀,c₀,k₀分别表示工件主导模态的质量，阻尼和刚度，m_d,c_d,k_d表示阻尼器主导模态的质量，阻尼和刚度；

步骤二、铣削极限切深a_lim为：

其中：N为刀具齿数，K_t为切向切削力系数，Γ_R和Γ_I为加工系数；

步骤三、将步骤一得到的传递函数的实部和虚部带入步骤二的极限切深，确定目标函数p为：

步骤四、将柱形零件工件7装夹固定在机床上，使用力锤和加速度传感器与其配套设备对柱形零件工件7进行模态测试，得到工件传递函数，确定步骤一中的工件模态参数m₀＝0.63kg，ω₀＝414Hz，ξ₀＝0.42％。；

步骤五、称量得到可调式质量阻尼器的质量阻尼块的质量，并作为阻尼器主导模态的质量m_d，确定步骤一中的质量比u＝0.15；

步骤六、选定加工参数：径向切深3mm，径向切削力系数0.3，加工方式为顺铣，选择主轴转速为2000rpm，轴向切深为0.5mm，刀具为4齿硬质合金铣刀，采用Altintas 提出的零阶稳定性预测方法，确定步骤二中的系数Γ_R＝0.832和Γ_I＝1.398；

步骤七：使用Minimax算法，得到阻尼器的频率ω_d＝379Hz和阻尼比ξ_d＝1.28％；

步骤八：调节可调式质量阻尼器的频率和阻尼比为步骤七得到的频率ω_d＝379Hz和阻尼比ξ_d＝1.28％，即可实现铣削抑振。

如图1和图2所示，可以看到本发明设计的可调式质量阻尼器。

如图3和图4所示，可以看到本发明的铣削抑振效果，使用本发明提出的柱形零件铣削抑振方法后，声音信号显著降低。

如图5和图6所示，可以看到本发明的铣削抑振效果，未使用本发明提出的方法和装置时，声音的傅里叶变换信号幅值较大，而且加工过程出现了颤振。使用本发明后，傅里叶变换信号的幅值降低，而且加工过程中未出现颤振。

Claims (2)

1.一种柱形零件铣削抑振实现装置，包括内套筒、短螺栓、外套筒、质量阻尼块、螺栓、摩擦盘、柱形工件和基座，其特征在于：

内套筒的内径与柱形工件的直径相等，质量阻尼块由圆柱形底座和圆筒组成，其中圆柱形底座的直径大于圆筒的外径，且质量阻尼块的圆筒的内径与内套筒的外径相等，外套筒的内径与质量阻尼块圆筒的外径相同，先将内套筒套进柱形工件，且柱形工件在内套筒上方的高度大于需要铣削的长度，然后将质量阻尼块套在内套筒的外侧，再将外套筒套在质量阻尼块的圆筒外侧，且外套筒与内套筒在同一高度，四根螺栓穿过外套筒，固定内套筒和质量阻尼块；

将柱形工件穿过摩擦盘的中孔后固定在机床的基座上，两个螺栓分别插入摩擦盘的螺孔，且两根螺栓的底部插在基座的盲孔中，调整两根螺栓控制摩擦盘进行上下移动，使摩擦盘上表面与质量阻尼块的下表面接触。

2.一种利用权利要求1所述柱形零件铣削抑振实现装置的铣削抑振方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一、工件-阻尼器系统传递函数的实部G(iω)和虚部H(iω)为：

公式(1)中：

其中，

v＝ω/ω₀,u＝m_d/m₀,f＝ω_d/ω₀,m₀,c₀,k₀分别表示工件主导模态的质量，阻尼和刚度，m_d,c_d,k_d表示阻尼器主导模态的质量，阻尼和刚度；

步骤二、铣削极限切深a_lim为：

其中：N为刀具齿数，K_t为切向切削力系数，Γ_R和Γ_I为加工系数；

步骤三、将步骤一得到的传递函数的实部和虚部带入步骤二的极限切深，确定目标函数p为：

步骤四、将柱形工件装夹固定在机床上，使用力锤和加速度传感器与其配套设备对柱形工件进行模态测试，得到工件传递函数，确定步骤一中的工件模态参数m₀,ω₀,ξ₀，通过步骤一的公式计算可得m₀,c₀,k₀；

步骤五、称量得到可调式质量阻尼器的质量阻尼块的质量，并作为阻尼器主导模态的质量m_d，确定步骤一中的质量比u；

步骤六、选定加工参数：径向切深，径向切削力系数和顺逆铣方式，采用Altintas提出的零阶稳定性预测方法，确定步骤二中的系数Γ_R和Γ_I；

步骤七：根据公式(3)使用Minimax算法，即可得到阻尼器的频率ω_d和阻尼比ξ_d；

步骤八：调节可调式质量阻尼器的频率和阻尼比为步骤七得到的频率ω_d和阻尼比ξ_d，即可实现铣削抑振。