CN108747558B - 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、长螺栓、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，四根短螺栓穿过外套筒，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，两个长螺栓分别插入摩擦盘的螺孔，且两根长螺栓的底部插在基座的盲孔中，调整两根长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，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。

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-长螺栓、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、长螺栓、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，四根短螺栓穿过外套筒，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、外套筒和四根短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，两个长螺栓分别插入摩擦盘的螺孔，且两根长螺栓的底部插在基座的盲孔中。调整两根长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，

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。

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：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、长螺栓、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，四根短螺栓穿过外套筒，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通过柱形零件铣削抑振实现装置的基座固定在机床上，两个长螺栓分别插入摩擦盘的螺孔，且两根长螺栓的底部插在基座的盲孔中，调整两根长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，

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分别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、称量得到柱形零件铣削抑振实现装置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。