内置动力吸振器的宽频减振车刀设计及试验

航空结构件中存在大量深孔特征,在加工时需要使用大长径比车刀。随着悬长增加,刀具刚性急剧下降,易引发强烈切削振动,严重制约了加工效率和加工精度的提高。在采用连续梁理论对刀杆进行动力学建模的基础上,研究了刀杆与吸振器耦合系统频响函数预测方法,进而实现考虑主结构背景模态的动力吸振器参数精确优化;结合工程实际,设计内置动力吸振器的宽频减振车刀,通过齿轮齿条机构实现车刀频率大范围调节,满足不同长径比加工需求。模态试验表明,内置吸振器频率调节范围为365~442 Hz;减振车刀动刚度提高了104.1%和120.3%,阻尼比提高了143.5%和175.6%。切削试验显示加工噪声幅值、加速度幅值平均下降42%,38%。

面向车削颤振抑制的多重阻尼器优化设计

在相同质量比下,多重阻尼器相对单阻尼器具有抑振频带更宽及效果更佳等一系列优点。以往针对阻尼器的参数优化大多采取H∞或H2方法,即最小化主结构振动幅值的最大值或有效值。然而机床加工中发生的颤振是一种特殊的自激振动;对车削而言,无颤振的临界切深仅由刀具-工件相对频响函数的负实部决定。通过应用多重阻尼器于机械加工中再生颤振的抑制,研究以获取最大稳定无颤振切深为目的阻尼器设计优化路线。在建立多重阻尼器抑制主结构目标函数,即最大化刀尖频响函数负实部最小值的基础上,构造minimax方法对多重阻尼器的刚度及阻尼进行优化。以抑制车床夹具某一主模态为例,结合实验模态分析,采用该方法调制阻尼器,并和以往的优化方法进行对比。切削实验表明,该优化方法能进一步提升多重阻尼器的颤振抑制性能;相对H∞优化方法,该方法可提高无颤振临界切深52%。

铣削建模中多种切削力模型的分析比较

以圆柱螺旋立铣刀为例,分别研究了基于线性切削力模型、指数瞬时切削力模型、指数平均切削力模型以及一般多项式切削力模型的铣削建模及动力学仿真技术。首先,推导出各切削力模型下的切削力系数辨识算法,预测三向切削力并与实验进行对比;然后,根据再生颤振理论及频域法预测技术,推导出各切削力模型下的方向系数矩阵并预测颤振稳定域图。结果表明,线性与指数瞬时切削力模型在铣削力及颤振稳定域预测的精度上高于另外两种模型;指数平均模型在铣削力预测上的相对误差最大,较实验值的最大误差为16%,而一般多项式模型在颤振稳定域预测上的相对误差最大,较线性模型的最大偏差超过50%。

基于动力学及切削特性耦合的数控机床结构设计

切削性能是评价数控机床好坏的重要指标之一,在结构设计阶段必须加以考虑。以提高实验室自主研发的立卧转换四轴联动数控机床的切削性能为目的,研究基于动力学特性与切削特性耦合的机床结构设计优化方法。首先结合切削加工中的颤振稳定域理论,通过实验获取机床刀尖频响函数和切削力系数,预测切削加工时的三维颤振稳定域图(主轴转速-切宽-切深)及颤振频率图(主轴转速-切宽-频率)。其次采用实验模态技术对整机进行结构动力学测试及分析,在获取可视化振型的基础上,分析引起机床发生颤振,并导致切削性能降低的结构设计上的缺陷。在此基础上,改进主轴头结构并比较刀尖频响函数,结果表明系统动刚度约增加28.2%,机床抵抗切削颤振的能力得到明显加强。

基于两自由度被动阻尼器的减振铣刀设计

鉴于航空结构件中大长径比铣刀的刚性较差,严重制约了机床切削效率和加工精度的提高,建立了两自由度被动阻尼器的动力学模型,基于H∞优化准则对阻尼器的阻尼比和频率比进行优化,并分析其对减振性能的影响。提出一种内置两自由度阻尼器长悬伸铣刀结构,在模态和谐响应分析的基础上,设计加工出减振铣刀。模态测试和激振实验结果表明,相比无阻尼空心铣刀,减振铣刀的等效刚度提高了2.5倍,阻尼比提高了46.5%,刀尖频响函数的幅值降低了74%。切削实验表明减振铣刀能显著提高零件加工表面质量。

漂洗方式对鲢鱼品质及氯霉素残留的影响

分别研究水漂、盐漂和碱漂3种漂洗工艺对鲢鱼肉中品质指标及氯霉素残留的影响。结果表明:经漂洗,鲢鱼肉的蛋白质、脂肪和灰分含量均降低,水分含量升高,其中盐漂1∶5的蛋白质和灰分损失最少;盐漂L*值显著高于水漂与碱漂,a*值和b*值变化不显著(P>0.05);碱漂对pH值影响最大,水漂最小;漂洗后TBARS值显著降低;盐漂1∶5可达到最佳保水性;水漂和盐漂可显著降低鲢鱼肉中氯霉素残留,但碱漂欠佳。因此,盐漂1∶5是最佳漂洗工艺,它不仅可以保持良好的品质,而且有效降低鱼肉中的氯霉素残留。

基于实验模态分析的集中参数法建模

利用集中参数模型的建立,不仅拓展了实验模态分析(EMA)的使用范围,还能大量缩减原有模型的自由度并保持结构的动态特性。在对一立铣床进行模态测试以及振型可视化的基础上,采用集中质量、弹簧阻尼单元建立了该铣床的7自由度集中参数模型,并在该模型基础上合成刀尖频响函数及预测颤振稳定域,揭示出机床颤振与振型的联系。与原有测试频响函数的比较表明,该模型准确度较高。

数控机床切削稳定性分析及实验研究

针对因机床结构的复杂性及零件加工轨迹不确定性,刀尖频响函数切削中难以保持恒定易造成稳定域图变化,导致机床切削参数选择不确定性问题,结合模态实验分别研究数控机床沿不同进给方向及机床主轴处于不同位置的颤振稳定域图预测;对同型号两台数控机床的切削稳定性进行对比分析。由实验采集切削中声音信号验证机床沿不同进给方向的切削稳定性存在差别。研究结果对实际加工中避免切削颤振及工艺参数选择具有指导意义。

基于电涡流阻尼器的数控加工振动抑制

弱刚性零件在数控加工中极易发生变形、让刀等现象,对加工质量及效率构成严重影响。基于电涡流阻尼器利用导体在恒定磁场中运动或者利用时变电磁场在导体上产生电涡流阻尼力,提出并设计适用于弱刚性结构件数控加工振动抑制的电涡流阻尼器结构;结合理论建模,提出四种设计方案并对其减振性能进行测试和比较。模态实验表明,四种阻尼器方案均能较好的对工件振动进行抑制,频响函数幅值最低下降55%;模态参数辨识表明,电涡流阻尼器可使系统阻尼增加70.73%,而对其余动力学参数的影响较小。切削实验表明,该电涡流阻尼器可增加工件临界稳定切深171%,减少切削加工振动信号58%以及降低表面粗糙度89.7%。

基于正交多项式和稳定图的密集模态参数辨识

由于正交多项式算法在频响函数模态参数拟合时,模态数目和多项式分子阶次较难确定,无法对拟合过程进行干涉。在原有算法的基础上,通过结合稳定图和模态指示函数,确定了频响函数的模态数目和极点(阻尼及固有频率);在已知极点的基础上,由线性最小二乘方法对留数进行估计。此外,该方法被扩展到频响函数的整体拟合。通过将该方法应用于模态耦合严重的频响函数模态参数估计,并与原有正交多项式算法及商业化软件M E’scopeVES进行对比,表明该算法在避免虚假模态或发生模态遗漏现象的同时,拟合结果准确、稳定,抗干扰能力强。

基于电磁感应原理的薄壁件铣削振动抑制

航空结构中的薄壁件由于刚性差,在加工中容易发生变形、让刀等现象,对加工精度及表面质量构成严重影响。针对上述问题,基于电磁感应原理,笔者研究设计了适用于薄壁件的铣削加工减振装置,将工件的振动应用于磁感线切割,通过作用反力的产生来实现工件减振的目的,并推导了磁铁在铜管内运动时的电磁感应阻尼力,结果表明阻尼力与相对运动速度成线形关系,但方向相反。冲击实验表明,该减振装置能显著缩短薄壁件的振荡时间;颤振稳定域仿真表明,该装置可将薄壁零件的临界稳定切深从0.4mm提高到5.1mm。最后,结合切削实验对该装置的抑振效果进行验证。

旋转变刚度阻尼器抑制薄壁零件铣削颤振

薄壁零件刚性差,在铣削加工过程经常出现颤振,难以保证加工质量和效率。设计结构新颖的旋转变刚度阻尼器,通过旋转阻尼器的角度可改变其固有频率,并依据减振理论及有限元仿真确定设计尺寸。开展薄壁零件模态测试,确定阻尼器抑制薄壁零件切削颤振的最佳安装角度,最后通过切削实验验证抑振效果。结果表明,旋转变刚度阻尼器角度为80°时,频响函数幅值下降为无阻尼器时的9.8%;调整其角度为20°时达到最优抑振效果,频响函数幅值进一步下降为80°时的13.6%,薄壁零件无颤振临界稳定切深可提高1.8倍。

铣削力建模技术研究及实验对比

结合力学仿真与切削实验,对铣削力建模中的刀具类型、切削力模型、切削力系数辨识及铣削方式等关键技术进行了对比研究。结果表明:线性和指数切削力模型均能精确预测铣削力,以X、Y向切削力为例,圆柱螺旋立铣刀仿真与实验的最大误差为5.60%;采用线性模型与全局切削力系数辨识球头刀铣削力时,精度较圆柱立铣刀低,最大误差为9.17%;采用切削力系数分层辨识,可显著提高球头刀铣削力仿真精度,与全局切削力系数辨识方法相比,分层辨识方法可将球头铣刀的铣削力的预测误差下降至1.97%。此外,铣削颤振预测是铣削建模的重要内容,该对比研究可进一步拓展到颤振稳定域图预测。

两自由度被动阻尼器设计及数控加工应用

为了对被动阻尼器的设计参数进行优化,抑制切削振动,提高切削效率与质量,通过研究对比各优化准则下单自由度、两自由度、两重及三重阻尼器的抑振性能,表明两自由度阻尼器综合性能更为优越。在此基础上提出一种两自由度阻尼器结构方案,并推导该阻尼器的动力学特性,并结合有限元方法进行验证。设计了弱刚性工装系统并开展切削实验,通过对比阻尼器安装前后工件振动的信号,表明两自由度阻尼器可将切削振动幅值最大降低56.4%。

内置被动阻尼器减振铣刀的实验测试

提出一种长径比接近8的内置被动阻尼器减振铣刀结构。开展阻尼器模态测试,确定最优结构设计方案。对内置被动阻尼器减振铣刀进行周向模态测试,研究减振铣刀在不同方位的动力学特性。选取铝合金和钛合金工件材料,开展多组切削参数组合下的切削实验测试。在铝合金切削时,减振铣刀的加工噪声、切削力和表面粗糙度比无阻尼铣刀平均下降了52.1%,49.5%和73.4%;在钛合金全槽铣削时,能够在无阻尼铣刀出现明显颤振的切削条件下实现平稳切削。

被动阻尼减振技术及数控加工应用

切削颤振导致工件加工表面质量恶化、切削效率降低以及刀具磨损加剧等系列危害。抑制颤振对航空制造业实现高质、高效加工有重要意义,尤其是在薄壁件加工时。作为工程领域振动抑制的一种重要方法,被动阻尼减振技术实施简单、效果明显、可靠性较高,在切削领域的应用正逐渐得到重视。

基于压电效应的切削振动能量收集及减振刀具应用

大长径比刀具普遍应用于具有深腔、深孔特征工件的加工。随着悬长的增加,刀具等效刚度降低,易引发强烈切削振动。设计内置压电陶瓷吸振器的大长径比车刀,可将主结构振动转化为吸振器质量块振动和压电陶瓷输出的电能,提升减振效果。模态试验表明,减振车刀共振峰值相比于原刀具减少了80.1%。最后,开展多组切削试验,相比于无吸振器刀具,加吸振器后刀具频响函数峰值下降了72%,工件表面粗糙度下降了67.2%。同时,收集到的输出电压达1.1~10.1V,该信号与切削振动密切相关。

飞机桨叶胶接强度试验与分析

针对飞机桨叶与防除冰装置的胶接强度开展研究。设计1套能用于测量拉伸剪切力和180°剥离力的测量装置,参照国家标准采用牌号为EA9309和J-200-1A的胶黏剂制备,刚性胶接材料为2A12铝合金,挠性材料为双向碳纤维布的试验试件,最后利用该装置对试验试件胶接强度进行测量试验。结果表明:上述胶黏剂的拉伸剪切强度分别为14.5 MPa和7.7 MPa,180°剥离强度分别为4.58kN/m和4.61kN/m。

基于粘弹性材料的五轴铣削加工被动抑振技术

针对薄壁件在铣削过程中极易出现颤振,且动力学特性快速变化导致切削稳定性多变的特点,研究基于粘弹性材料的被动阻尼技术,以增加薄壁零件阻尼、提升切削稳定性。提出阻尼层、约束层以及质量层的设计方案,模态试验表明该技术能大幅提升薄壁件阻尼,且对多阶振动模态有抑制作用。最后,将其应用于薄壁S样件的五轴铣削加工试验,多组切削参数下的试验结果表明,工件切削振动幅值最大可下降约97%。

基于课程中心网络平台的机械设计基础(B)课程教学改革

以北京航空航天大学发布的"长城行动计划"为指导思想,针对近机类学生基础薄弱以及学习资源缺乏的现状,结合学校科研特色,建立包含教学课件、习题库、Flash动画等模块的课程中心网络平台,开展机械设计基础(B)课程教学改革研究。