蜂窝状铝合金高速铣削噪声形成机理及抑制策略研究

There is very strong noise, excessive vibration and fast cutting tool wear rate in honeycomb aluminum machining process. All these make significant impact on the machining efficiency and the workers' health. Therefore, it is a great significance to study the strong noise generation mechanism and propagation characteristics and to explore a strategy to inhibit the noise intensity. In this project, much attention will be paid on the noise composition and spectral characteristic by Wavelet Packet Transform (WPT) based on the honeycomb aluminum structural features, tribology, acoustics, and metal cutting theory; the strong noise field generation mechanism under the coupled non-uniform effect of the friction and the vibration between the cutter and honeycomb aluminum alloy. The excitation induction mechanisms in aerodynamic noise generation mechanism and its transmission characteristics under large high strain rate and the vibration will be analyze and the strong noise generating nature in scientific will be revealed when high-speed milling honeycomb aluminum alloy. Milling vibration mechanics model will be built. Based on the above studies, an analysis will be carried out to investigate the effect of the tool structure, tool wear, machining parameters and the clamping on the noise intensity. Meanwhile, an active-control method will be carried out based on high-speed and weak noise milling. In this project, a machining strategy and tool design method is tried to be explored to machine the honeycomb aluminum alloy in high speed and weak noise atmosphere, and this will enrich the tool design method and extend the requirements of the function to solve the strong noise and difficult to noise reduction problems from the theory research and technology development. All the above research will promote the development of honeycomb aluminum machining to the direction of high-speed green machining.

蜂窝状铝合金在高速铣削中存在噪声大、振动严重和刀具磨损快等突出问题，严重影响加工效率和工人健康，研究高强噪声产生机理与传播特征并探索抑制加工噪声强度的工艺策略具有重要意义。本项目结合蜂窝状铝合金结构特点，综合振动力学、摩擦学、声学和金属切削理论，采用小波包变换技术分析铣削噪声组成及频谱特征；研究高速铣刀-工件间摩擦、振动耦合非均匀动力作用对强噪声场形成的作用机理，分析该类结构材料在高应变率及振动激励下气动噪声发声诱导机制，建立铣削振动力学模型，揭示高速铣削强噪声场形成的科学本质；在上述研究基础上，分析刀具结构、磨损状态、加工参数及工件装夹对噪声强度的影响，开发适于高速、低噪声加工的主动控制方法；进行基于高性能、低噪声功能需求的刀具参数化设计，丰富刀具设计理论和功能，将刀具结构与加工工艺相匹配，探索降噪策略，从理论研究和技术开发两方面解决加工噪声大的问题，推动铝合金加工向高速绿色化方向发展。

中空型材/蜂窝状铝合金具有结构轻和力学性好等优势，被广泛应用于高铁车厢中。然而，由于其壁薄中空的腔体结构，使得该材料在高速加工中振动严重加工噪声大等问题，阻碍加工效率的提高，对工人身心产生较大危害，研究高强噪声产生机理并探索抑制策略具有重要意义。.本项目采用小波包变换技术分析了铣削噪声组成及频谱特征，研究了高速铣刀-工件间摩擦、振动作用对强噪声场形成的作用机理，揭示高速铣削强噪声场形成的科学本质；分析刀具结构、加工参数及工件装夹对噪声强度的影响，开发出了适于高速、低噪声加工的主动控制技术，获得以下研究结果：.1)中空结构铝合金加工中高强噪声以低频噪声为主，振动动力源为立铣刀在高转速加工中与铝合金之间的切削碰撞和高速摩擦，诱使空腔结构发生振动，尤其是接近其固有频率时，噪声峰值最大。此外，由于其截面结构为非均匀结构，固有频率在不同截面处有差异，导致在相同转速时，不同位置加工噪声的峰值差异较大。.2)结合中车四方机车车辆股份有限公司生产中调整参数的实际情况-主要以主轴转速、径向切宽和进给量，通过理论推导和系列实验，得出加工中对加工噪声强度贡献量大小顺序为：主轴转速>径向切宽>进给量；从降低加工噪声角度出发，在不降低加工效率前提下，优先提高进给量和径向切宽，降低转速。.3)研究发现刀具螺旋角和刀具直径对加工噪声有一定影响，通过高速铣削实验研究发现：相比螺旋角为43°和45°的硬质合金铣刀，刃部直径为25mm，螺旋角为47°的硬质合金立铣刀，高速铣削时的振动波形变化最为平缓，噪声声压级值较小；而对于刀具直径为20mm的立铣刀，直径20mm的硬质合金立铣刀，螺旋角为45°时，噪声较小。.4)基于噪声产生与抑制噪声影响分析，首选为振动控制，重点为刀具空间结构的非均匀设计，刀齿间夹角的非均匀设计175+185度，刀具螺旋角非均匀排布设计43、45和47度。在应用上通过主轴转速的改变，进而改变外部激励。从被动降噪技术方面，主要对工件装夹约束和中空结构件加工过程的表面覆盖，抑制加工振动振幅，达到主动控制和被动控制的结合。.本研究将理论研究和技术开发结合，将主动控制与被动约束开发，从噪声产生机制、影响因素与关键点、传播方式与传播途径到最终的技术实现方法相统一，在理论分析的基础上，实现技术的开发与应用，具有重要的理论和和实践意义。