深孔贫油振动切削刀具系统动态特征识别及其精准制振方法

深孔贫油振动切削加工，就是将低温高压空气与微量切削液滴混合雾化，对瞬时分离冲击振动刀具切削区域进行排屑、冷却和润滑，本项目研究深孔贫油振动切削刀具系统的动态特征识别及其精准制振方法。项目采用有限元分析与实验相结合的方法，主要研究微量雾化润滑冷却条件下振动切削深孔加工过程的数学描述、建模、动态特征识别和涡动抑制问题，核心是揭示高压汽液流场与钻削刀具动态稳定性的作用关系及制振方法。针对刀具动态实时监测性差的问题，提出利用刀具系统的非线性耦合涡动状态信息反演追踪钻削精度动态特征的延续算法，找出钻削刀具涡动行为下孔精度误差的演变规律；在对钻削刀具振动进行非线性动力学分析的基础上，采用新的磁流变液制振构型并引入环形磁场可调布局使其适应于刀具系统中各辅助支撑点的阻尼调控，探索能够进行涡动抑制和易于实现贫油振动切削工艺的可控阻尼制振器的建模和设计方法，为发展深孔贫油振动切削加工技术奠定理论和应用基础。

精密高效、成本低廉、环境友好的深孔贫油钻削技术是当今航空航天、新能源装备制造和高新技术产业对深孔零件加工提出的迫切需要。本项目以贫油BTA深孔加工为研究对象，分析了贫油切削原理及授油特点，设计开发出一种适于BTA深孔贫油钻削系统的高压切削气/液雾化装置，成功地将微量润滑技术引入到深孔钻削过程。依据高压切削气/液雾体应满足的物理特性，采用微分变换法，构建了雾化切削气/液非线性流体动态压力分布的有限元数值模型，揭示了钻杆运动参数及结构参数对高压切削气/液雾体流体压力分布特性的作用机制，分析了在贫油钻削条件下深孔加工刀具系统的失稳转速，获得了钻杆设计参数选取准则；提出了一种刀具系统自由度缩减的方法。该降阶方法在保证非线性分析精度的前提下，可有效地缩减钻杆系统大量的自由度数，节约计算资源，能够满足大型复杂深孔加工装备的动力学设计需求。将理论与实验相结合，在给定初始偏差量的情况下，讨论了孔直线度误差与加工深度和辅助支撑位置的关系，获得了孔直线度误差随加工深度变化的规律；研发了一种新型剪力模式的深孔钻杆振动抑制构型。该构型利用磁流变液体快速、连续及可逆转化的特点，并引入环形磁场可调布局，使其适应于刀具系统中各辅助支撑点的阻尼调控。将制振器与传统深孔加工方法结合起来，对新型制振器在深孔钻削加工中的作用效果进行理论分析和试验研究，并对加工中钻杆的振动特征和被加工孔的表面质量进行测量。试验结果发现，在外加电流的作用下，钻杆制振器能有效增大结构刚性，改变钻杆颤振响应谱峰值的频率和幅值，提高被加工孔的粗糙度。本项目所取得的研究成果为继续和深入研究贫油切削过程刀具动态振动行为的演变规律及其调控策略，形成基于控制切削工艺参数及励磁电流来精确控制加工品质的方法提供了理论和实践依据，因此具有重要的理论意义和应用前景。根据本项目的研究成果，课题组在国内外重要期刊共发表论文7篇，其中国际期刊4篇，国内核心期刊3篇，其中被SCI收录期刊4篇，EI收录期刊3篇；授权实用新型专利2项，申请国家发明专利1项；在深孔加工研究方面，培养硕士研究生6人，已毕业2人。在课题执行期间，课题组与台湾交通大学秦继华教授进行了学术交流与合作，有效提高了青年教师的科研能力。课题负责人2014年赴美国密歇根大学安娜堡分校机械工程系进行学术交流。