磁流变力学建模及对变参数车削系统的耦合减振机理研究

Cutting chatter has seriously hampered the development of manufacturing to a high automation and precision, the researches on control the vibration in many engineering fields with magneto-rheological dampers have become more common. However, the current mechanical model of magneto-rheological fluid is still not perfect due to the nonlinear of MRF. Therefore, based on principles of rheology and combined with MRF performance test data under different magnetic induction intensity, a MRF nonlinear mechanical model will be established and its adaptability and validity will be verified under engineering applications; Introduced the model into turning system, the dynamics model and differential equations of turning system with MRF damping device will be established and derived, and the vibration response of turning system of nonlinear variational parameters caused by magnetorheological effect will be researched through theory,simulation and experiments; The relationship between the excitation current and the system parameters of MR damping device will be studied, the best current parameters for suppressing turning chatter will be ascertained, and the magnetorheological damping experiments of turning chatter will be performed. The project involves such disciplines as mechanical engineering, electromagnetics, and material, its success will provide theoretical basis and practical guidance for using magneto-rheological effect to control cutting chatter and improve machining accuracy.

切削颤振是严重制约制造业向高度自动化和精密化方向发展的一个重要因素，利用磁流变减振装置对众多工程振动现象进行控制的研究已较普遍。然而目前建立的磁流变液（MRF）力学模型由于对应用环境的依赖性较强，而阻碍了该技术的推广应用。本项目将根据流变学原理，结合磁流变液在不同磁感应强度下的性能测试数据，建立普适性较强的MRF非线性力学模型，并验证该力学模型在工程应用背景下的可靠性；将MRF的非线性力学模型引入车削系统中，建立并推导基于磁流变减振装置的车削系统动力学模型及微分方程，对磁流变效应引起的非线性变参数车削系统振动响应进行理论分析、模拟仿真和试验研究；为提炼抑制车削颤振的最佳电流参数，研究MR减振装置中励磁电流与系统参数之间的关系，据此进行车削颤振的磁流变减振试验。该项目研究涉及机械、电磁、材料等诸多学科，它的成功实现将为更有效地利用磁流变效应控制切削颤振以提高加工精度提供理论基础和实践指导。

基于磁流变液具有的快速、可控及高剪切应力特性，本项目将磁流变减振技术引入到切削加工中，以解决制约加工精度和生产率提高的颤振问题。为研究基于磁流变效应的变参数车削减振机理，本项目利用流变仪对磁流变液的力学性能进行了全面的测试。动态振荡试验测试了磁流变液在不同振幅、频率和励磁电流下储能模量G’和损耗模量G”的变化规律，试验结果表明：振幅与两者均成反比，当振幅高于某一临界值后磁流变材料屈服，弹性特征和粘性特征都不再发生变化而趋于恒定，此时材料表现出塑性行为；振动频率与两者的关系则不同，它与G’成正比，与G”成反比；随场强的增加G’和G”均有所增加，其中G”的增长速度要快于G’，说明该材料的磁流变减振作用在低场强下以系统刚性增大为主导，而随着磁感应强度的提高，减振作用则转为主要由粘性阻尼引起；任意条件下，G’的数值都大于G”，表明磁流变材料以弹性特征为主。项目根据流变学试验建模理论，通过稳态流动试验测试了材料剪切速率与剪切应力之间的相互关系，在理论推导和数据拟合的基础上，建立了磁流变液非线性力学模型，并对模型中各参数进行了识别，得到了各参数随励磁电流的变化规律。为验证模型的工程适用性，设计研制了后继车削加工用磁流变减振装置，利用非线性系统稳态激振试验方法测试了该装置的非线性力——位移迟滞曲线，在不同励磁电流下由力学模型仿真得到的迟滞曲线与试验曲线均吻合良好。.基于上述磁流变液非线性力学模型，建立了基于磁流变效应的变参数车削减振系统动力学模型，推导了切削系统的运动微分方程和切削稳定性公式，对不同励磁电流及力学模型中各参数对切削稳定性的影响进行分析，绘制了稳定性叶瓣曲线，结果表明：随着励磁电流的增加，切削系统稳定性逐渐增强，在2A处稳定性达到最大。当励磁电流高于2A时，系统稳定性反而降低，极限切削宽度减小。这与前述力学模型分析中各参数大多在2A时达到最大的结论相一致，由此说明磁流变效应引起的切削系统刚度、阻尼的变化有效改善了切削系统的稳定性，本项目减振系统的最佳抑振电流为2A。在此基础上，搭建了基于磁流变减振装置的车削减振试验系统软、硬件平台，在不同切削参数及励磁电流下进行了车削颤振减振试验，通过时域、频域及小波包分解3种不同方法，对采集到的切削加速度信号进行处理，均验证了前述切削稳定性理论仿真的结果，得到2A励磁电流下可取得最佳抑振效果的结论。.上述研究均表明：本项目建立的磁