外圆磨削的时滞动力学建模、颤振机理及其控制

This project is a fundamental research in both theory and application, which aims at regenerative chatter in cylindrical grinding processes. The following three scientific problems are mainly studied: (1) modelling and verification of delayed dynamical grinding processes; (2) analysis on mechanism of grinding chatter based on delayed dynamics; (3) control for suppression of grinding chatter. The main objectives of this project are to deepen the understanding of the grinding chatter; to model the grinding dynamics in accordance with the features of the regenerative chatter; to compare the regenerative chatter incurred by delay effect with the frictional chatter induced by Stribeck effect; to study relationship between the grinding dynamics and system parameters; to investigate grinding dynamical features influenced by the smooth and non-smooth nonlinearities, especially the mechanism of complicated dynamical behaviors as Relaxation oscillation and Whirling vibration; and to synthesize the control methods in various machining chatters for constructing of a strategy to suppress grinding chatter. In this project, based on the studies of dynamics, a comprehensive acquaintance of complicated dynamical behaviors and their mechanisms can benefit design of control for chatter mitigation, which theoretically guides the suppression of grinding chatter.

本项目定位于应用基础性研究，针对外圆磨削加工中的再生颤振现象，通过对（1）磨削加工过程的时滞动力学建模与验证；（2）以时滞耦合为中心的复杂磨削颤振动力学机制；（3）磨削颤振的减振控制这三个科学问题的研究，深入了解磨削加工中再生颤振的产生机理并建立符合再生颤振特征的磨削动力学模型；比较时滞效应诱发的再生颤振与Stribeck效应导致的摩擦颤振；探讨系统参数与磨削动力学之间的关系；研究磨削力中的光滑和非光滑非线性对于颤振动力学特性的影响；重点探索包括张弛振荡（Relaxation oscillation）和涡动振动（Whirling vibration）在内的复杂颤振行为；综合现有的各类机械加工中再生颤振的控制方法，初步形成针对磨削颤振的减振控制策略。本项目中，对动力学的研究是基础，深刻认识时滞系统的复杂动力学行为及其力学机理则有助于针对磨削减振设计恰当的控制，从而为磨削颤振抑制提供理论依据。

本项目针对外圆磨削加工中的再生颤振现象，通过对（1）磨削过程的时滞动力学建模与验证；（2）以时滞耦合为中心的复杂磨削颤振动力学；（3）磨削颤振的减振控制这三个科学问题的研究，深入详尽的讨论了磨削加工中再生时滞和摩擦Stribeck效应对于磨削稳定性的影响。在此基础上还分析了由大振幅颤振导致的工件和砂轮间非光滑接触特性、工件平面运动导致的状态依赖时滞以及工件偏心导致的强迫振动对于非线性磨削动力学的影响。此外，切削加工中广泛存在的多稳态也是一项重要的研究内容，对全局的切削稳定性的判断和引导有利于提升切削安全性。在深入理解切削过程的线性和非线性特性的基础上，还尝试了多种控制方法来削弱再生颤振，例如采用脉冲激励来提升不安全区域的切削安全性。研究表明：再生效应和摩擦效应会分别主导高速和低速切削区域的磨削稳定性，其中再生失稳会导致多稳态而摩擦失稳则不会；对于大振幅颤振引起的工件和砂轮失去接触导致的多重时滞问题，PDE相比DDE可以获得更加可靠的分析结果；工件的偏心对于磨削过程中的非线性特性有重要的影响，偏心量的增加会引起概周期和多周期等复杂的磨削振动；不安全切削区域中的全局稳定性并不是线性变化的，而是只在靠近线性稳定边界附近有严重的切削不安全性，且对于工件表面纹理具有颤振频率的整数倍空间频率时其安全性还会进一步恶化；采用脉冲激励可以有效破坏大振幅颤振并引导其走向稳定切削状态，其中最有效的脉冲是当刀具从零速度开始加速时施加一个反向的脉冲；当砂轮的参数和重叠区间选取合适时，多主轴的并行磨削则对于减弱工件的静态变形、增强切削稳定性和缩小不安全磨削区域都有所帮助。