机床-工艺动载荷交互的微细铣削耦合振动演变规律研究

One of the most important problems limiting performance of key components in spacecraft and aircraft is the micro-milling coupled vibration caused by the dynamic load interaction of manufacturing process and machine tool, which would result in the irreversible change of micro-machining precision and surface quality. Based on coupled dynamic load interaction of machine tool and process, the project would investigate its dynamic evolution law of coupled vibration and its multidimensional vector hybrid control method, to solve the problem of coupled vibration prediction, analysis and control in high performance microfabrication technology. The specific contents include: Through dynamic load characteristics analysis, the micro-milling machine tool vibration model and cutting dynamics model based on load effect are constructed; Then, the model of coupled vibration is built based on special relation conversion of vibration and dynamic force load, the evolution law of coupled vibration is revealed and its critical condition is evaluated by analyzing the physical transformation relations of vibration excitation, transmission and response; Finally, the multidimensional vector hybrid control method of coupled vibration is proposed based on active passive vibration control, and its synergistic reaction law and suppression mechanism are explored, and the vibration control method is verified through engineering methods such as machining parameter optimization, magnetorheological fluid flexible fixture and piezoelectric ceramic active control, and two-stage vector iterative algorithm.

微细铣削对动态性能要求高，但是微细铣削机床及工艺动载荷交互作用产生的耦合振动，会导致微细加工精度和表面质量产生不可逆变化，严重制约了航天器、大飞机等关键部件的性能。本项目以微细铣削中机床及工艺动载荷的交互作用为切入点，通过研究微细铣削过程中耦合振动的动态演变规律，从而实现多维向量式混合控制，解决高性能微细加工中耦合振动的预测、分析和控制难题。具体内容包括：通过动力学载荷特性研究，构建微细铣削机床振动模型和微细铣削动力学模型；基于振动和力的特殊转换关系建立机床-工艺动载荷交互的微细铣削耦合振动模型，并通过对振动的激励、传导、响应的关系解析，揭示耦合振动的演变规律并评定其临界作用条件；通过主被动控制方法实现微细铣削耦合振动的多维向量式混合控制，并探索控制方法的协同作用规律和抑制机制，最终结合参数优化、磁流变弱刚性夹持和压电陶瓷主动刚性抵消等工程方法，多维向量式两级迭代算法实现控制效果的验证。

精密铣削特别是微细铣削中，工艺与机床动载荷相互作用引起的耦合振动，导致刀具-工件产生相对位移，使零件的加工精度和表面质量不能得到精确控制，严重制约了航空航天、国防等领域关键件的性能。针对机床和工艺动载荷交互的耦合振动模型解析计算、作用演变转换和工艺优化控制问题，本项目完成了机床-工艺振动的耦合作用解析及建模，掌握了耦合振动的作用规律和临界条件，并提出了应用智能控制算法的主被动多维振动控制方法，从而实现了以加工质量与使用性能双重需求为导向的精密加工技术突破，具体内容包括：针对铣削加工中机床和工艺动载荷的交互动力学作用，综合考虑机床动态特性和工艺过程振动激励效应，构建了耦合振动动力学模型，明确了精密铣削特别是微细铣削过程中的振动耦合特性，从而分析得到振动对加工质量的影响规律；以工艺耦合振动对铣刀的作用模型为依据，构建了铣削耦合振动-刀具微观轨迹-加工表面形貌的映射关系，结合未变形切屑厚度计算，揭示了耦合振动对动态轨迹以及表面质量的临界作用条件；最终在精密微铣削工艺中实现了集成工艺参数优化、磁流变复合夹具抑制与压电陶瓷振动主动控制的多维混合式控制方法，应用多种智能控制算法有效降低了铣削过程中的振动并提升了零件的加工质量。通过研究发现：微细铣削耦合振动在机床动态特性的基础上，主要来源于机床本身振动和切削动态力激振的耦合叠加，并且受激振频率与幅值影响对材料去除过程产生不同作用；结合铣削动力学和材料未变形切削厚度模型，可以提取耦合振动对工艺过程的作用规律，从而准确把握振动对铣削轨迹及材料去除的利弊作用转换条件；工艺参数优化和磁流变复合装夹可以一定程度上实现振动衰减，但是对加工质量提升效果有限，而应用智能算法的振动主动控制方法可以进一步提高精密铣削特别是微铣削的加工质量。本项目研究成果可以为高性能加工技术提供理论基础和应用示范。