大长径比智能减振刀具减振机理与智能调控方法

As key parts, ultra-deep hole（the ratio of hole depth to diameter is greater than 8） parts are widely used in aerospace, military industry and energy equipment. The processing quality of the parts directly affects the performance and service life of the equipment. The vibration of large length- diameter ratio cutting tools in ultra-deep hole machining is the key factor that restricts the quality and efficiency of machining, and the control of tool vibration is the key to achieve the breakthrough of ultra-deep hole machining technology. In this project an intelligent vibration reduction cutting tool with multi-state (cutting force, deformation, vibration) sensing and Intelligent control function of vibration reduction performance is proposed. The vibration mechanism of a weak rigid (large suspension) cutting tool with the characteristics of two degrees of freedom (intelligent vibration absorbers in the tool interior) is studied in depth，which provides a theoretical basis for vibration control. Multi-state perception and decoupling model are established to realize the multi-state perception of cutting process under single signal source (piezoelectric signal). The mechanism of variable stiffness / damping of intelligent vibration absorber is deeply analyzed, and the control of vibration reduction performance of cutting tool is realized. On this basis, the intelligent optimization control strategy is put forward, so that the cutting tool can achieve the optimal vibration reduction effect under different machining conditions. The purpose of this project is to study the basic theory and key technology of intelligent vibration reduction cutting tool for ultra-deep hole machining. Finally, it provides the technical guarantee for realizing the breakthrough of the ultra-deep hole vibration reduction processing technology.

超深孔类零件（孔深与直径比大于8）作为关键零部件在航空航天、军工、能源装备领域中的应用日益广泛，零件的加工质量直接影响设备的使用性能与服役寿命。超深孔加工中使用的大长径比刀具的振动问题是制约加工质量与效率的关键因素，刀具振动的有效控制是实现超深孔加工技术突破的关键。本项目提出集加工过程多状态（切削力、变形、振动）感知与减振性能自调控功能于一体的智能减振刀具。揭示弱刚性（大长径比）刀具在双自由度特征（刀具内部设置智能吸振器）下切削过程的减振机理，为振动控制提供理论基础；建立切削过程多状态感知与解耦模型，实现单一信号源（压电信号）下的多状态感知；剖析智能吸振器变刚度/阻尼的作用机制，实现刀具减振性能的在机调控，在此基础上，提出智能寻优控制策略，使刀具在不同加工条件下都能实现最优的减振效果。本项目旨在对智能减振刀具基础理论与关键技术进行研究，最终为实现超深孔减振加工技术突破提供技术保障。

一、主要研究内容.（1）大长径比（弱刚性）双自由度结构刀具切削过程减振机理研究.建立了考虑刀具振动的镗削力模型，获得刀尖点的振动姿态、轨迹及镗削表面形貌。基于吸振器的动力学模型，分析了载荷、系统质量、阻尼和刚度对动力吸振器减振性能的影响规律。发现振幅幅倍率曲面存在减振区域与非减振区域，获得最优曲线与最优控制点，为智能减振镗杆控制系统提供理论最优解。.（2）智能感知单元多状态感知原理与状态解耦.建立镗杆受力模型，将智能感知单元与减振镗杆融合于一体，对传感器进行合理布局，通过建模得到了监测系统输出电压和切削力的耦合关系，通过解耦得到三向切削力，进而得到刀尖点位移，切削力和振动加速度等参数。.（3）智能吸振器可变刚度/阻尼的作用机制研究.基于动力吸振理论，建立了变刚度吸振器动力学模型，揭示变刚度吸振器的工作原理，通过控制变刚度吸振器刚度实现对减振镗杆减振性能调节。.基于电磁阻尼原理提出了变阻尼减振镗杆的结构及其动力学模型；分析了变阻尼吸振器的电压与阻尼之间的关系，获得不同供电电压和距离下吸振器的振动规律及阻尼变化规律。.（4）最优减振驱动下的智能寻优控制策略研究.提出在理论最优解小区间进行遍历的智能减振镗杆控制策略，最终实现实际最优减振。基于遗传算法优化的神经网络实现智能减振镗杆的智能学习，使智能减振镗杆能够快速查找与预测实际最优解，提高智能减振镗杆减振性能调节效率。.二、重要结果.（1）提出一种集状态感知、智能控制、智能学习功能于一体的智能减振镗杆。.（2）通过控制吸振器的刚度和阻尼，实现对智能减振镗杆减振性能的调节。.（3）通过减振性能验证实验，验证所提出镗杆的减振效果，证明了所建立理论模型的准确性和控制系统的可行性。.三、科学意义.提出了一种集状态感知、智能控制、智能学习功能于一体的智能减振镗杆。对智能减振镗杆的设计和使用具有一定的指导意义和参考价值，为深孔减振加工技术进步提供技术支持。