基于内阻尼的高转速铣削失稳机制研究

With the increase in spindle rotating speed, the effect of external damping on the control of instability of milling system inculding the spindle-toolholder-tool is reduced. Internal damping has become critical. However, the influence of internal damping on the instability of high rotating speed milling system is not reported. Firstly, the state space control model of high rotating speed milling system is established based on hysteresis type internal damping of material. Internal damping forces, which are divided into linear group and nonlinear group according to stability or instability, are both presented in the model. Secondly, the complex modal synthesis and receptance coupling substructure analysis are exployed to established the relation model between factors of internal dapmping and dynamic characteristics of system. The stability of normal modes of vibration is investigated. Mechanism of instability of high rotating speed milling system is predicted. The influences of hysteresis type intermal damping of material on the local bifurcations of self-excited vibration are investigated in two different (rigid and flexible) spports. Asynchronous whirlings are discussed under the case of instability. Finally, based on the optimization theory of equal troughs in real part and equal peaks in magnitude, the real and magnitude parts of transform function are both optimizated and the results can be utilized for the suppression of instability and design of high rotating speed spindle system.

随着主轴转速的提高，外阻尼对主轴-刀柄-刀具组成的铣削加工系统失稳的抑制作用随之降低，内阻尼成为导致系统失稳的重要因素。有关内阻尼对高转速铣削加工系统失稳机制方面的研究至今未见报道。本项目首先基于迟滞型材料内阻尼建立高转速铣削加工系统的复状态空间控制模型，将失稳前后的内阻尼力分为线性和非线性两个阶段，在此模型中统一描述；其次，基于复模态综合法和柔度耦合子结构技术，建立材料内阻尼影响因素与系统动态特性的关系模型；通过研究各阶模态主共振时的稳定性，预测高转速铣削加工系统的失稳机制，揭示迟滞型材料内阻尼在两种（刚性和柔性）不同支承下对系统自激振动局部分岔的影响规律，探讨系统失稳后的异步涡动规律；最后，基于等波谷/波峰理论，优化系统传递函数的实部和虚部，阐明材料内阻尼对高转速铣削加工系统失稳的控制机理，为开发高转速铣削加工系统的失稳抑制技术和设计制造高转速铣削加工系统提供理论支持和技术指导。

高速铣削加工是一种高效率、高精度的铣削加工方法。随着工业生产、国防、科技发展速度的日益加快，高速加工工况不断趋于极限，在高转速、离心力、陀螺效应和内阻尼等多种激励强耦合作用下高速铣削刀具-主轴系统的动力学建模和稳定性预测变得十分复杂。目前人们对内阻尼的数学模型及如何对考虑内阻尼的高速铣削刀具-主轴系统进行动力学建模和分析由内阻尼引起的不稳定性还没有充分的研究。针对上述科学问题，本项目主要完成以下研究工作：（1）刀具-刀柄-主轴系统的内阻尼失稳机制研究，包括内阻尼模型、影响因素分析、动态特性研究、内阻尼失稳预测等；（2）高转速铣削系统内阻尼失稳机制研究，包括考虑内阻尼的铣削系统动力学模型研究、铣削实验研究、铣削稳定预测等；（3）高转速铣削系统内阻尼失稳控制研究，包括切削参数优化、结构参数优化及内阻尼失稳控制等。得到如下主要结果和关键数据：（1）在亚临界转速区系统是稳定的，在超临界转速区系统的稳定性依赖于外阻尼和内阻尼的比值；内阻尼可以在亚临界转速区增强铣削系统的稳定性，在超临界转速区降低系统的稳定性，此影响规律与陀螺效应的影响正好相反；（2）内阻尼较小时，正进动模态在任何转速都是稳定的，而反进动模态可能会发生失稳；内阻尼较大时，规律与之正好相反；区别正、反进动失稳的临界内阻尼是ci,c=ceg/(2m-g)；（3）内阻尼失稳转速表示为Ωin=(1+rc)Ωf，其与外阻尼和内阻尼的比值有关，且随内阻尼的增大而减小。如果没有外阻尼存在，系统在整个超临界转速区都处于失稳状态；“Jump”转速表示为ΩJ=Ωo/(1+rc)，当“Jump”转速大于Ωf时，系统失稳；（4）内阻尼失稳转速随内阻尼的增大而降低；如果没有外阻尼，系统将在整个超临界转速区失稳；当内阻尼失稳发生时，稳定性极限切深将变为0。本项目的研究对高阻尼旋转刀具-刀柄-主轴系统的设计、制造等具有重要的理论和实际指导意义，同时对约束阻尼在刀具中应用提供了重要的技术支持。