高速面铣刀气动噪声产生机理及其拓扑结构优化研究

研究和控制噪声，既是环境保护的迫切要求，也是提高产品质量，增强产品竞争力所必须解决的问题。.以高速面铣刀作为研究对象，建立基于FW-H积分变换方程的高速面铣刀气动声学数学模型，揭示高速面铣刀空转气动噪声产生机理，探明其影响因素和变化规律；以降低高速面铣刀空转噪声声压为优化目标，提出高速面铣刀拓扑结构两阶段优化设计方法，基于SIMP模型的拓扑优化与形状和几何参数优化相结合，建立高速面铣刀拓扑与结构优化及流流体力学仿真模型，获取高速面铣刀齿数及其分布、容屑槽等三维几何结构参数，奠定高速、超高速铣刀气动声学设计基础。.研究成果可实现高速面铣刀切削速度的突破，从而获得更高的制造效率，并降低切削噪声，保障操作人员的身心健康。

建立基于FW-H积分变换方程的面铣刀气动声学数学模型，揭示面铣刀高速空转噪声产生机理，确定面铣刀气动噪声声源类型，发现面铣刀气动噪声变化规律，建立面铣刀流体力学三维仿真模型，揭示面铣刀附近气流运动特性，拓扑优化面铣刀三维结构参数，降低高速面铣刀气动噪声，保障操作人员身体健康。.首先，通过搭建面铣刀空转噪声测试平台，测试不同结构面铣刀的空转噪声，研究空转噪声频谱特性及声压随时间变化规律。对比主轴噪声与机床总噪声，分离出仅由面铣刀高速旋转产生的气动噪声。结果表明偶极子声源是面铣刀气动噪声主要声源类型，气动噪声主要包括宽带噪声和离散噪声，宽带噪声随频率变化波动不大且分布在较广的频率段内，是其重要组成成分。.其次，通过软件UG建立面铣刀三维模型，采用CFD技术对铣刀流场进行模拟计算。分别在定常及非定常条件下采用RNG k- 及LES湍流模型对面铣刀气流流动情况进行分析及总结，实时监测不同观察点处的脉动压力。为高速面铣刀噪声预测模型的提出及气动噪声传播机理的研究奠定了基础。.然后，结合CFD模拟结果，基于FW-H方程建立高速面铣刀气动噪声预测模型，利用实验验证校准噪声预测模型。数值计算面铣刀不同区域作为声源时产生的气动噪声，分析各声源气动噪声产生机理，评估各声源对气动噪声的贡献量。研究面铣刀气动噪声指向性，结果表明面铣刀气动噪声是观察点与面铣刀中心径向距离的函数，在水平面内没有明显变化，而在面铣刀轴向具有明显的噪声指向性。.最后，基于高速面铣刀气动噪声预测模型，研究面铣刀直径和高度、齿数、齿距布置及容屑槽结构等对气动噪声的影响规律。研究结果表明，面铣刀气动噪声随着直径的增大而增加，但随着直径增大气动噪声增加的幅度减小。不等齿距布置可改变气动噪声声能分布，降低旋转频率处声压级，有效的拟制‘啸声’。气动噪声随着面铣刀齿数变化呈现不同变化规律。通过分析不同结构面铣刀容屑槽区域产生的气动噪声及容屑槽区域的总压分布，发现容屑槽结构及体积是影响高速面铣刀气动噪声的重要因素。