多自由度动力吸振器建模/设计通用理论与机匣加工抑振方法研究

During machining thin-walled part, deep hole and deep cavity of aero-engine casing, low rigidity and multiple vibration modes are apt to occur on workpiece / cutter, which lead to severe machining vibration, poor accuracy and surface quality. The vibration absorber is an important vibration suppression approach for reducing fixture interference and clamping deformation. However, its application is restricted to two-DOF due to the complicated and coupled mechanism and structure. The mechanism and a general modeling theory of multi-DOF vibration absorber for damping multiple modes are investigated, by establishing mechanics modeling and mathematical solution. Conceptual and geometrical design theory of multi-DOF vibration absorber based on expected mode shape and natural frequency is investigated, as the vibration modes of the machining system and structural types of the vibration absorber are various. An accurate damping strategy via casing surface and tool body is investigated by balancing the performance and space of vibration absorber, as the added mass is restricted by the tool interference and working space. By merging the subject of mechanism and manufacturing process, the proposal aims to set up a general model of mechanism and general approach of structural design for the multi-DOF vibration absorber, which helps to develop the theory of vibration absorption and contributes new methodology to collaborative control of machining accuracy and quality of aero-engine parts.

航空发动机机匣薄壁、深孔与深腔加工过程中，工件/刀具弱刚性、多模态现象频发，导致剧烈切削振动，严重制约加工精度与表面质量。动力吸振器是减少辅助工装干涉、克服装夹应力变形的重要抑振方法；但由于作用机理与物理结构耦合复杂，已有工作局限于两自由度。突破力学建模与数学求解深度交叉难题，研究多自由度动力吸振器作用机理及抑制多模态结构通用建模理论；针对加工工艺系统振动模态各异、吸振器结构形式多样，研究基于预期运动、精确固有频率的多自由度动力吸振器通用构型与几何设计理论；针对吸振器附加质量受限于加工干涉以及工作空间，破解“性能”与“空间”矛盾，研究机匣表面、刀具内腔的多自由度动力吸振器精确抑振方法。通过机构学与制造工艺学的交叉融合，项目旨在研究多自由度动力吸振器“作用机理通用模型”与“结构设计通用方法”，发展动力吸振理论，探索航空发动机关键构件制造形性协同控制新方法。

航空发动机机匣薄壁、深孔与深腔特征加工过程中，工件/刀具弱刚性、多模态现象频发，导致剧烈切削振动。多自由度动力吸振器抑振效率高、效果明显，但作用机理与物理结构耦合复杂，相关基础理论与工程实现方法匮乏。已开展研究内容包括：1）动力吸振器作用机理与设计理论。基于动力反馈原理建立动力吸振模型，耦合主振结构实验特性与吸振器理论参数，实现考虑背景模态的吸振器精确参数设计。提出基于精确约束的吸振器设计方法，结合动力学参数数值寻优、图谱法与柔度矩阵法，实现吸振器从动力学参数、构型到尺寸的确定性设计。2）多自由度动力吸振器抑制弱刚性结构振动。围绕多自由度动力吸振器抑制单/多振动模态，设计具有一移两转与两移一转自由度的吸振器。一移两转自由度吸振器使工字梁最大振幅降低86.5%；两移一转自由度吸振器实现了对悬臂梁单模态86.3%的振幅抑制，以及对三个目标模态79.9%，65.9%和63.4%的振幅抑制。3）多自由度动力吸振器应用于减振刀具/工装。提出动力吸振器优化切削加工稳定性方法，在保证切削参数鲁棒性的前提下，通过稳定域叶瓣设计与重定位以提高特定主轴转速下的临界稳定切深。研制长径比7~10的系列减振车刀/铣刀，明显改善深孔深腔特征结构的加工质量。设计阻尼减振工装，实现薄壁零件多阶振动模态抑制，振幅下降76%。4）薄壁/深孔/深腔结构加工应用。应用减振立铣刀于GH4169异形下壳体实际生产，刀片寿命提升50%。应用减振车刀于合金钢深孔加工，工件表面粗糙度达到Ra1.6。应用4×4阵列式真空吸附阻尼减振工装于弱刚性壳段铣削加工，振幅下降60%。应用减振工装于薄壁机匣类零件，临界铣削稳定切深大幅提升。研究成果为发动机薄壁复杂零件形性协同制造提供了新方法。计第1及通讯作者，项目负责人在MECH SYST SIGNAL PROC、IEEE-ASME T MECH、ASME J VIB ACOUST等期刊发表SCI论文10篇（含1篇录用）、EI论文2篇，申请国家发明专利5项，出版著作1部。成果大幅提升了复杂弱刚性构件切削加工效率与质量，获2021年国防科学技术进步奖一等奖。