本發(fā)明涉及一種針對薄壁零件多模態(tài)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(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

振動廣泛存在于自然界和人們的日常生產(chǎn)生活中。地震、大風(fēng)等會給建筑物帶來振動，工業(yè)生產(chǎn)中的機床、轉(zhuǎn)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(fù)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、地震儀的發(fā)明和應(yīng)用，但更多情況下會引起負(fù)面影響，帶來不必要的麻煩甚至危害，如共振引起機械或結(jié)構(gòu)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(lǐng)域內(nèi)的一個重要分支，是振動研究的出發(fā)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(jié)構(gòu)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。本發(fā)明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(yōu)點。

本發(fā)明涉及一種針對薄壁零件多模態(tài)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(xiàn)工件整個切削加工過程中振動的有效控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一般認(rèn)為，在殼體件、套筒件、盤形件、環(huán)形件、軸類件、平板件中，當(dāng)零件壁厚與內(nèi)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(fā)多個模態(tài)頻率的切削振動，若只考慮被控對象的單階模態(tài)頻率振動，其余階數(shù)的頻響函數(shù)幅值可能會受到阻尼器影響反而可能變大導(dǎo)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(fā)生變化而導(dǎo)致其振動頻率發(fā)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(dá)到時變頻率下的減振效果。因此，對該類薄壁件進(jìn)行時變振動及多個模態(tài)振動進(jìn)行抑制是十分必要的。為此，本發(fā)明基于動力吸振原理，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(xiàn)多模態(tài)時變頻率下的振動控制。

一種針對薄壁零件多模態(tài)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(jié)構(gòu)零件上模態(tài)陣型敏感點處分別布置多組(多個)動力吸振器，以達(dá)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(fā)的零件多模態(tài)切削振動；第二級通過在每個模態(tài)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(xiàn)切削過程中由于工件材料去除導(dǎo)致的零件固有頻率遷移引起的時變切削振動的最優(yōu)控制。

此外，各動力吸振器的設(shè)計參數(shù)采用全局優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)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(xué)模型，以壁厚連續(xù)變化過程中各敏感點頻率響應(yīng)函數(shù)幅值最小化為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過數(shù)值優(yōu)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(zhì)量塊(13)和第二質(zhì)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(zhì)量塊(13)和第二質(zhì)量塊(14)，懸臂梁(12)兩端上安裝的第一質(zhì)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(zhì)量塊(14)同樣也相對基座(11)對稱分布，第二質(zhì)量塊(14)相對于第一質(zhì)量塊(13)距離基座(11)較近，質(zhì)量也較小，用于微小調(diào)節(jié)。該吸振器可以通過調(diào)節(jié)兩個質(zhì)量塊在懸臂梁上軸向位置連續(xù)調(diào)節(jié)阻尼器固有頻率以達(dá)到最佳值。

將多個阻尼器按照優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分級分組安裝在薄壁零件上，并通過反復(fù)調(diào)節(jié)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(yīng)函數(shù)幅值最小，以此保證整個切削過程中切削振動的最優(yōu)控制，實現(xiàn)提高加工質(zhì)量的目的。

本發(fā)明具有如下有益作用：

針對薄壁件在整個切削加工過程中由于壁厚發(fā)生變化而導(dǎo)致其振動頻率發(fā)生遷移，具有明顯時變振動的特點。本發(fā)明基于動力吸振原理，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(xiàn)多模態(tài)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(yōu)點，可以一次性安裝調(diào)整即可實現(xiàn)整個切削過程中振動的有效控制。本發(fā)明尤其適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄壁結(jié)構(gòu)件，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(tǒng)的動力學(xué)模型。

圖5為安裝阻尼器位置及編號。

圖6為動力吸振器結(jié)構(gòu)示意圖；

11基座、12懸臂梁、13第一質(zhì)量塊、14第二質(zhì)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(jié)合實例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步說明，但本發(fā)明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(jié)構(gòu)件。在圖2中，底面兩邊進(jìn)行固定對外表面進(jìn)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(tài)參數(shù)會發(fā)生改變，導(dǎo)致加工振動頻率發(fā)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(shù)量及參數(shù)不變，吸振器的減振效果會越來越弱，偏離最優(yōu)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(xiàn)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(tài)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(tǒng)的動力學(xué)模型。在圖5中，由于工件在銑削過程中出現(xiàn)的壁厚逐漸減小而導(dǎo)致零件模態(tài)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(jié)構(gòu)如圖6所示。考慮到優(yōu)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(shù)幅值最大值平方和最小化為優(yōu)化目標(biāo)，對各動力吸振器的固有頻率進(jìn)行優(yōu)化。最終優(yōu)化結(jié)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(shù)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(yīng)函數(shù)最大幅值減小量均在85％以上，最大可達(dá)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(tài)時變減振效果，抗振頻帶較寬，增強了減振系統(tǒng)的綜合減振能力，提高了減振系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。