航空薄壁零件铣削颤振非线性建模与电涡流被动抑制方法研究

Thin-walled parts are commonly existed in the aeronautic and aerospace industry, but achieving high efficiency and accuracy machining is a great challenge due to its poor rigidity and evolvement of cutting stability. Modeling of nonlinear milling chatter considering multiple factors is investigated and applied to thin-walled part machining, as the linear chatter model is unable to predict stability limit at low cutting speed, feed rate dependent stability, conditional stability and other phenomenon. Methodology of eddy current tuned mass damper for chatter suppression under coupled modes is investigated, as thin-walled part exhibits multiple vibration modes varying rapidly during machining, and passive damping demonstrates narrow vibration suppression band and low adaptability. The mechanism, modeling and simulation of eddy current damping under alternating magnetic field is investigated, as its damping efficiency is highly relied on magnetic field, and low stiffness and equivalent mass of thin-walled parts restrict the geometry and mass of the damper. The project aims to resolve the contradiction between ‘rapid evolvement of thin-walled part machining’ and ‘low adaptability of passive damping’, and contributes new methodology to the solution of industrial bottleneck.

薄壁零件在航空航天结构中大量存在，由于刚性差、切削稳定性多变，实现其高效高精加工是行业当前所面临的挑战。针对线性颤振模型难以预测低主轴转速的切削稳定性、进给稳定性、振幅稳定性等现象，拟研究多因素综合的非线性铣削颤振建模理论并应用于薄壁零件加工；针对薄壁零件振动模态多、切削过程中动力学特性快速多变，以及现有被动阻尼抑振频带窄、适应性差的不足，拟研究多模态耦合下电涡流调谐质量阻尼器颤振抑制方法；针对电涡流阻尼效率极大依赖于磁场强度，而薄壁零件弱刚性、低等效质量导致附加阻尼器尺寸、质量受限，拟研究多极交变磁场环境下的电涡流阻尼机理、建模与仿真。项目旨在突破“薄壁零件加工过程多变”与“被动抑制适应性差”之间的内在矛盾，为行业瓶颈问题的解决提供新方法。

薄壁零件由于刚性差、振动模态多、切削稳定性多变导致切削加工困难。针对薄壁零件加工过程复杂多变与被动抑振适应性差之间的内在矛盾，通过研究多因素综合的非线性铣削颤振模型及预测方法，揭示多极交变磁场电涡流阻尼作用机理，继而实现电涡流调谐质量阻尼器抑制薄壁零件铣削颤振。研究内容包括：1）非线性铣削颤振理论。建立涵盖非线性切削力、非线性结构刚度与过程阻尼的铣削颤振模型，推导各非线性模型的系数辨识算法。提出基于摄动法展开位移的微分方程时域迭代求解方法，实现薄壁零件动态铣削加工过程中切削力、工件振动和稳定域图预测；该方法在保持时域法高精度优点的同时，避免了耗时的微分方程直接求解，计算效率大为提高。2）电涡流阻尼作用机理及特性测试。研究轴向、径向磁通模式下电涡流阻尼力作用机理，提出交变磁场电涡流阻尼特性测试方法。设计基于非接触式电涡流阻尼的两自由度抑振装置，应用于薄壁构件三轴及自由曲面类零件五轴铣削加工；在对薄壁零件质量及刚度无附加影响的同时，实现多阶振动模态的抑制，频响函数幅值下降达41%。3）电涡流调谐质量阻尼器设计。耦合动力吸振与耗能减振，研究电涡流调谐质量阻尼器刚度/阻尼单元设计及参数优化方法。单自由度变刚度电涡流阻尼器通过旋转约束方向可实现较大范围的频率调谐，满足薄壁零件动态铣削加工过程需求；两自由度电涡流阻尼器可抑制薄壁零件的两个振动模态，频响函数幅值分别降低21.6dB和12.1dB；电涡流粘滞复合阻尼器抑振效果较空气粘滞阻尼器提升8%。4）电涡流阻尼器抑制薄壁零件铣削颤振。对单自由度变刚度阻尼器，加工表面粗糙度在逆铣和顺铣时分别下降了89.6%和81.3%。对两自由度阻尼器，零件切削振动幅值下降多达93%，且加工表面质量明显提升。电涡流粘滞复合阻尼器通过真空吸附方式固定于圆柱状薄壁零件表面，切削振动幅值下降72%。项目研究为实现航空薄壁零件高质高效加工提供了新方法。计第1及通讯作者，项目负责人在MECH SYST SIGNAL PROC、ENERGY、J VIB ACOUST-ASME等期刊发表SCI论文9篇（均为Q1/Q2）、EI论文6篇；授权国家发明专利4项。项目成果应用于飞机整体框、高筋缘条等构件的加工，实现稳定高速铣削，获“中国机械工业科学技术奖特等奖”。