[发明专利]弹性支承干摩擦调谐质量阻尼器的优化方法

说明书

技术领域

本发明属于机械技术领域，涉及一种抑制切削加工颤振的阻尼器结构参数优化方法。

背景技术

金属切削颤振(Machining chatter)属于自激振动，是金属切削机床在切削过程中产生的刀具和工件之间十分强烈的相对振动。切削颤振降低产品质量、生产效率、刀具和机床使用寿命，同时造成噪声污染，影响操作者身心健康。随着工厂自动化发展，操作者日益远离加工现场，通过颤振预防控制的方法往往不能从根本上杜绝颤振现象的出现，所以对切削颤振进行在线监视和控制的任务变得越来越迫切，越来越有意义。

调谐质量阻尼器是一种最常用的阻尼器结构，是目前比较成熟的切削颤振控制装置，它一般被模型化用阻尼器固有频率、等效质量和阻阻尼比表示的一个二阶动力学系统。为了使之达到最佳抑振效果，目前比较广泛采用的优化准则有H∞(主结构受简谐激励)或H2(主结构受随机激励)，即最小化主结构振动幅值的最大值或有效值，相关的解析或数值优化方法可见诸于众多文献。然而，颤振发生的特殊性使其不同于强迫振动，根据再生型切削颤振稳定性理论，无颤振的临界切深由切削刀尖与工件相对频响函数的负实部决定，因此，Neil D.Sims提出针对切削颤振的控制，阻尼器的优化目标应以附加了阻尼器的切削机械系统的频率响应函数最大负实部最小化为优化目标。

摩擦阻尼器也是目前广泛使用一种机械振动阻尼控制方法，摩擦阻尼耗能的最佳效果在于通过控制摩擦面间正压力大小使摩擦面间通过充分相对滑动摩擦达到最大摩擦耗能的效果。

为了进一步提高阻尼器的颤振抑制效果，设计一种含有弹性支承干摩擦部件的调谐质量阻尼器，与普通调谐质量阻尼器相比，其特征在于采用一个弹性支承串联干摩擦阻尼装置作为阻尼器的阻尼部件，以替代普通调谐质量阻尼器中的粘性阻尼部件。当阻尼器安装在切削振动系统中，能够同时发挥阻尼器振子阻尼振动和滑动摩擦两种方式的振动耗能能力，最大限度地提高切削稳定性，避免切削颤振的发生。

发明内容

针对上面介绍的含有弹性支承干摩擦部件的调谐质量阻尼器，本发明提出一种切削颤振优化方法，使阻尼器安装在切削振动系统中，能够同时发挥阻尼器振子阻尼振动和滑动摩擦两种方式的振动耗能能力，最大限度地提高切削稳定性，避免切削颤振的发生。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

弹性支承干摩擦调谐质量阻尼器的优化方法，针对用于切削工艺系统中的同时包含调谐质量阻尼和摩擦阻尼的弹性支承干摩擦调谐质量阻尼器，提出一种切削颤振优化方法。

步骤1：通过模态试验测定被控切削工艺系统主模态固有频率(f_s)、质量(m_s)、刚度(k_s)、阻尼比(ξ_s)；通过切削试验测定切削力动态部分幅值(F_c)；

步骤2：将弹性支承干摩擦调谐质量阻尼器模型化为振子质量(m_d)，固有频率(f_d)，阻尼比(ξ_d)，弹性支承刚度(k_f)和摩擦阻尼器摩擦力(F_f)；

步骤3：根据切削工艺系统条件，确定阻尼器振子最大质量；

步骤4：建立含有弹性支承干摩擦调谐质量阻尼器的切削系统动力学模型，采用谐波平衡法(HBM)获得切削系统频率响应特性实部的数值解；

步骤5：以切削系统频率响应特性实部的最小值(即最大负实部)最大(即最大负实部最小)为优化目标，以阻尼器固有频率(f_d)与被控切削系统固有频率(f_s)之比r_w，弹性支承刚度(k_f)与刚度k_s之比r_k、切削力动态部分幅值(F_c)与摩擦阻尼器摩擦力(F_f)之比r_f和阻尼器阻尼比(ξ_d)为阻尼器无量纲优化变量，采用最小化最大(Minimax)数值优化方法得到r_w、r_k、r_f和ξ_d最佳值；