基于过程阻尼效应的铣削颤振抑制基础理论与方法研究

Cutting Chatter is one of the key technical problems which affect the machining quality and efficiency of machine tools. Research on the cutting chatter has been one of the hot research topics in the field of mechanical manufacturing, which includes investigating the generation mechanism of cutting chatter, effectively eliminating or suppressing the influence of cutting chatter on the machining process, and thus improving the machining quality, increasing the cutting efficiency and prolong the tool life, etc. This study oriented to the milling of the titanium alloy and its low-rigidity components. Basic theories and methods of the milling chatter suppression based on the process damping effect are studied by theoretical analysis, numerical calculation, processing experiment and testing analysis. Specific content includes: Analysis of the milling chatter mechanism and strategies of chatter suppression based on the Routh Criterion; research on the nonlinear dynamic model of the milling process based on process damping effect and prediction of its stability limits; study on a novel design theory and method of the cutting tools which can eliminate or suppress the milling chatter based on the process damping effect; investigation on the integrated control technology of milling chatters for low-rigidity components of difficult-to-cut materials and machining parameters optimization. This project aims to explore the generation mechanism, influencing factors and control strategies from the perspective of system damping control, and then put forward and set up the basic theories and methods of milling chatter suppression. It will provide theoretical basis and technology evidence for solving the milling chatter problems in the milling of aviation difficult-to-cut materials and their low-rigidity components.

切削颤振是影响机械产品加工质量和机床切削效率的关键问题之一。揭示切削颤振的产生本质、有效消除或抑制切削颤振，从而提升零件的加工质量、提高切削效率、延长刀具耐用度等一直是机加工领域的研究热点。本项目以钛合金材料及其弱刚性结构的铣削加工为研究对象，通过理论分析、数值计算、加工实验与测试分析等，开展基于过程阻尼效应的铣削颤振抑制基础理论与方法研究。具体内容包括：基于劳斯判据的铣削颤振机理分析与颤振抑制策略；基于过程阻尼效应的非线性铣削动力学模型与稳定性极限预测；基于过程阻尼效应的铣削颤振抑制刀具设计理论与方法；面向难加工材料弱刚性结构的铣削颤振综合控制与参数优化。本项目旨在从控制系统阻尼的角度探索铣削颤振的产生本质、影响因素及其控制策略等方面的科学问题，提出并建立铣削颤振抑制的基础理论与方法，为解决难加工材料及其弱刚性结构的铣削颤振问题提供理论方法与技术基础。

切削颤振是影响机械产品加工质量和机床切削效率的关键问题之一。本项目从控制系统阻尼的角度探索了铣削颤振的产生本质、影响因素及其控制策略等方面的科学问题，提出并建立了铣削颤振抑制的基础理论与方法。主要研究内容包括：从铣削颤振产生的动力学本质出发，引入劳斯判据，系统分析了时滞效应对铣削系统阻尼和刚度的影响，揭示了铣削颤振发生的物理本质，为颤振抑振提供统一的理论解释；研究了过程阻尼形成机理，建立了考虑过程阻尼效应的非线性动力学模型，并通过数值计算，预测了铣削稳定性极限，为铣削参数优化选择提供了理论与方法支持；基于劳斯判据并充分考虑加工工艺系统的过程阻尼效应和时滞效应，提出了改变齿间距、螺旋角以及消振棱等刀具结构参数的减振刀具设计方案，并进行了数值模拟分析和试验验证；针对难加工材料弱刚性结构的工艺特征，构建了典型薄壁件的非线性铣削动力学模型并进行了稳定性极限预测，在铣削颤振综合控制策略研究的基础上，通过工艺参数优选，实现了典型钛合金材料薄壁弱刚性结构的铣削颤振综合控制。项目研究按照既定计划进行，完成了项目申请书及计划书中拟定的研究内容。主要研究成果包括：建立了基于过程阻尼效应的非线性动力学模型，提出了基于劳斯判据的铣削加工减振刀具的设计方法，设计并试制了减振刀具3套，形成了TC4钛合金薄壁弱刚性结构铣削颤振综合控制工艺方案1项。项目研究共发表学术论文14篇，申请国家发明专利2项，培养博士生2名、硕士生6名；项目组成员参加国内外学术会议12次，宣读论文/作报告8次，与德国达姆施塔特工业大学研究团队联合申报国际合作项目3次。项目研究为解决难加工材料及其弱刚性结构的铣削颤振问题提供了理论方法与技术基础。研究成果对促进航空航天等国家重点发展行业核心产品关键零件的“控形”与“控性”加工技术的进步，丰富制造技术基础理论，推动制造技术发展等具有重要的理论意义和工程应用价值。