基于粘彈性材料的五軸銑削加工被動(dòng)抑振技術(shù)*

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191）

薄壁件在航空航天結(jié)構(gòu)中普遍存在，且加工精度及表面質(zhì)量要求極高。由于其具備的弱剛性特征，在切削時(shí)極易發(fā)生變形與顫振，難以達(dá)到加工要求。針對(duì)切削振動(dòng)抑制，目前常采用的方法包括切削工藝優(yōu)化、剛度提升（如采用輔助支撐）或阻尼提升（如主、被動(dòng)控制）措施等[1]。其中，被動(dòng)控制是現(xiàn)有切削加工中較普遍采用的抑振技術(shù)，實(shí)施方便、效果明顯，主要可分為動(dòng)力吸振和耗能減振。

以調(diào)諧質(zhì)量阻尼器為代表的動(dòng)力吸振方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、針對(duì)性強(qiáng)。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器形式多樣，單自由度阻尼器是其最常用的一種，缺點(diǎn)是只能抑制單一特定模態(tài)，帶寬較窄[2]。Sims[3]提出了單自由度阻尼器抑制顫振的解析優(yōu)化準(zhǔn)則。Moradi[4]以刀具振動(dòng)最小化為目的，研究了多組銑削條件下阻尼器位置與剛度的優(yōu)化。相比單自由度阻尼器，多重自由度及多自由度阻尼器抑振性能優(yōu)越，但相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)均較復(fù)雜，在面對(duì)具有多階振動(dòng)模態(tài)和動(dòng)力學(xué)特性快速多變的薄壁零件切削時(shí)適應(yīng)性不足[5-6]。

耗能減振通過(guò)增加結(jié)構(gòu)阻尼，利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)直接消耗動(dòng)能量，具體包括粘彈性、粘滯性、摩擦和沖擊阻尼器等。Ziegert等[7]基于庫(kù)侖摩擦理論提出了一種指狀摩擦減振銑刀，并從理論和試驗(yàn)方面論證了該銑刀對(duì)高頻振動(dòng)的抑制效果。Biju等[8]基于顆粒減振原理開(kāi)發(fā)了一種減振鏜桿，通過(guò)改變填充顆粒的直徑和填充比提高了被加工零件的表面質(zhì)量。Kolluru等[9]提出了在工件表層粘貼薄柔性層與質(zhì)量塊的阻尼減振方案，以應(yīng)用于各種復(fù)雜幾何形狀的大型薄壁件及其裝配體。楊毅青[10-11]等提出適用于弱剛性結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工振動(dòng)抑制的電渦流阻尼器結(jié)構(gòu)。相比于動(dòng)力吸振方式，耗能減振有助于提升系統(tǒng)阻尼，且抑振效果受目標(biāo)模態(tài)動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化的影響較小，因此適合具備多階弱剛性模態(tài)的薄壁件切削振動(dòng)抑制。

針對(duì)薄壁件切削過(guò)程中動(dòng)力學(xué)特性多變與動(dòng)力吸振阻尼器適應(yīng)性不足等問(wèn)題，通過(guò)借鑒耗能減振已開(kāi)展的研究工作，本文擬研究基于粘彈性材料的被動(dòng)阻尼減振技術(shù)，設(shè)計(jì)包含阻尼層、約束層與質(zhì)量層的被動(dòng)阻尼減振方案，結(jié)合模態(tài)試驗(yàn)對(duì)其阻尼特性進(jìn)行測(cè)試。最后，將該阻尼方案應(yīng)用于薄壁S樣件五軸銑削加工試驗(yàn)。

1 方案設(shè)計(jì)

工程上利用粘彈性阻尼材料抑制振動(dòng)，常采用多層阻尼材料復(fù)合在一起，各層材料可以相同也可以不同。不同阻尼材料之間的復(fù)合，可實(shí)現(xiàn)各阻尼材料之間的特性互補(bǔ)，達(dá)到更好的減振效果。

設(shè)計(jì)如圖1所示的粘彈性被動(dòng)阻尼方案，由3個(gè)步驟組成：（1）直接在工件上涂抹粘彈性材料聚醚氨酯，形成阻尼層，厚度一般為1mm；（2）在阻尼層上，添加一層橡膠片作為約束層，厚度約為3mm；（3）在約束層上添加質(zhì)量層，本文中采用鐵質(zhì)長(zhǎng)方塊。阻尼層旨在提升結(jié)構(gòu)阻尼；約束層和質(zhì)量層旨在進(jìn)一步提升阻尼的同時(shí)，提升結(jié)構(gòu)剛度。

圖1 粘彈性被動(dòng)阻尼方法Fig.1 Method of viscoelastic passive damping

上述多層復(fù)合阻尼減振方案屬于約束阻尼結(jié)構(gòu)。通過(guò)將粘彈性阻尼材料粘合在本體金屬板和高彈性模量的材料（常用鋼板或鋁板）之間，當(dāng)結(jié)構(gòu)彎曲變形時(shí)，本體金屬板與約束層產(chǎn)生相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)，使得粘彈性阻尼材料產(chǎn)生剪切應(yīng)變而耗散部分機(jī)械能。

2 阻尼減振特性測(cè)試

2.1 測(cè)試對(duì)象

以方型鋁合金薄壁框（長(zhǎng)、寬、高分別為120mm、120mm、110mm，壁厚為5mm）為抑振對(duì)象，采用模態(tài)試驗(yàn)依次測(cè)試上述3種布局的阻尼特性。測(cè)試軟硬件包括沖擊力錘PCB086C03、加速度計(jì)Kistler8778A500、信號(hào)采集裝置NI 9233、信號(hào)處理與分析軟件CUTPRO V9.3。測(cè)試對(duì)象、位置及粘彈性阻尼粘貼區(qū)域如圖2所示。阻尼層粘貼面積約為120mm×80mm。

圖2 薄壁框阻尼特性測(cè)試Fig.2 Damping characteristics test of thin-walled part

2.2 模態(tài)測(cè)試與分析

模態(tài)測(cè)試獲得阻尼減振前后薄壁件的頻響函數(shù)如圖3所示，縱坐標(biāo)為采用對(duì)數(shù)表示的頻響函數(shù)幅值。添加阻尼層后，對(duì)薄壁框第一、二、三階振動(dòng)模態(tài)的幅值抑制分別為31%、50%、58%；繼續(xù)添加約束層后，對(duì)應(yīng)的幅值抑制增加為89%、75%、93%；繼續(xù)添加質(zhì)量層后，對(duì)應(yīng)的幅值抑制增加為95%、89%、98%。

圖3 薄壁件頻響函數(shù)Fig.3 FRF of the thin-walled part

對(duì)上述頻響函數(shù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)辨識(shí)，以第1階模態(tài)為例，無(wú)阻尼狀態(tài)下薄壁零件的阻尼比為0.081%，添加阻尼層后阻尼比上升至0.134%，添加約束層后阻尼比上升至1.364%，添加質(zhì)量層之后阻尼比上漲至6.03%，與初始狀態(tài)相比阻尼比增加了73倍（圖4）。綜合上述，綜合阻尼層、約束層與質(zhì)量層的減振方案效果最佳。

圖4 第1階模態(tài)阻尼比變化曲線Fig.4 Curves of the first order modal damping ratio

3 切削試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)對(duì)象

以五軸銑削薄壁S樣件為例，在XKR50A機(jī)床上開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。S樣件高度為40mm，厚度從粗加工后的7mm逐漸降至為精加工時(shí)的1.4mm，工件材料為鋁合金7050。根據(jù)有限元模態(tài)仿真，S樣件末端的振動(dòng)位移較大，據(jù)此確定阻尼粘貼位置。切削刀具為肯納整體立銑刀（型號(hào)ABDF1600A2AS），兩齒，直徑為16mm，刃長(zhǎng)為55mm。切削參數(shù)選取主軸轉(zhuǎn)速n=10000r/min、進(jìn)給速度F=2000mm/min。

鐵質(zhì)質(zhì)量塊尺寸為30mm×30mm×2.5mm，重18g；約束層使用的橡膠片尺寸為40mm×80mm×1mm，重19g（圖5）。

3.2 結(jié)果與分析

（1）試驗(yàn)一：切深ap=8.5mm、切寬ae= 0.5mm。

在無(wú)阻尼情況下，S樣件的壁厚從7mm經(jīng)多次走刀切削至3.5mm時(shí)，由于零件剛性尚好，無(wú)切削顫振現(xiàn)象。樣件的頻響函數(shù)表明，隨著工件厚度的減小，工件頻率逐漸降低、剛性變差，導(dǎo)致頻響函數(shù)幅值升高。當(dāng)厚度從7.4mm降低至3.5mm時(shí)，頻響函數(shù)峰值上漲了約10倍（圖6）。

從S樣件壁厚3.5mm開(kāi)始，添加被動(dòng)阻尼器測(cè)試減振效果。從頻響函數(shù)可以看到，第一階幅值下降了約97%，第二階幅值下降了約99%，第三階幅值下降了約81%，阻尼器對(duì)工件前三階的振動(dòng)模態(tài)都能起抑制作用（圖7）。經(jīng)模態(tài)參數(shù)辨識(shí)（表1），S樣件的剛度及阻尼比均得到大幅度的提高，其剛度上升了約15倍，阻尼比上升了約36倍。

圖8（a）為無(wú)阻尼器時(shí)S樣件從壁厚4mm切削至3.5mm時(shí)的工件振動(dòng)時(shí)域信號(hào)，最大值為430g，最小值為-408g；圖8（b）為有阻尼器時(shí)S樣件從壁厚3.5mm切削至3.0mm時(shí)的工件振動(dòng)時(shí)域信號(hào)，最大值為247g，最小值為-84g，振幅下降43%。S樣件剛性隨著壁厚的減小逐漸變差，但由于阻尼器的抑振作用，在切削用量保持不變時(shí)切削振動(dòng)幅值反而降低。

（2）試驗(yàn)二：切深ap=8.5mm、切寬ae= 0.2mm。

以下分別對(duì)比薄壁厚度為1.8mm無(wú)阻尼器時(shí)精加工（圖9（a））、薄壁厚度為1.6mm添加阻尼器后精加工（圖9（b））的加工效果。無(wú)阻尼器時(shí)，工件振動(dòng)加速度的最大值為187g，最小值為-155g；添加阻尼器后，工件振動(dòng)的最大值為6g，最小值為-6g，振動(dòng)加速度降低了約97%。

從工件表面質(zhì)量可以看到，在無(wú)添加阻尼器進(jìn)行加工時(shí)，厚度從1.8mm加工至1.6mm的情況下，其表面出現(xiàn)了大量的顫紋，并且由于顫振導(dǎo)致了嚴(yán)重的過(guò)切；而添加了阻尼器后，厚度從1.6mm加工至1.4mm的情況下，加工過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)顫振，并且加工時(shí)產(chǎn)生的噪音大幅度下降。

圖5 薄壁S樣件切削抑振Fig.5 Cutting vibration suppression of thin-walled S part

圖6 S樣件頻響函數(shù)隨薄壁厚度變化Fig.6 FRF changing with thickness of thin-walled S sample

圖7 有阻尼器與無(wú)阻尼器時(shí)的頻響函數(shù)對(duì)比Fig.7 FRF contrast between the damped and the undamped

表1 抑振前后的第1階模態(tài)參數(shù)對(duì)比

圖8 阻尼器安裝前后的切削振動(dòng)信號(hào)Fig.8 Cutting vibration signals before and after damper installation

圖9 阻尼器安裝前后切削振動(dòng)及加工表面對(duì)比Fig.9 Cutting vibration and machining surface contrast before and after damper installation

4 結(jié)論

薄壁件在銑削過(guò)程中極易出現(xiàn)顫振，且隨著工件材料的去除，其動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生變化，造成切削穩(wěn)定性多變；而傳統(tǒng)動(dòng)力吸振阻尼器的抑振頻帶窄，難以適應(yīng)薄壁件加工。粘彈性阻尼可增加系統(tǒng)阻尼，其阻尼效果不依賴(lài)于抑振結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。論文提出基于粘彈性材料的阻尼層、約束層以及質(zhì)量層阻尼減振方案，并應(yīng)用于S型薄壁件五軸銑削加工。該方法實(shí)施方便、效果明顯，針對(duì)薄壁件復(fù)雜加工過(guò)程具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。結(jié)論如下：

（1）針對(duì)方型鋁合金薄壁框的模態(tài)測(cè)試結(jié)果表明，綜合阻尼層、約束層與質(zhì)量層的減振方案效果最佳，目標(biāo)模態(tài)的阻尼比可增加73倍；

（2）該被動(dòng)阻尼器可同時(shí)抑制多階弱剛性模態(tài)。以薄壁S樣件為例，前3階振動(dòng)模態(tài)的幅值分別降低了97%、99%與81%；

（3）將該阻尼器應(yīng)用于薄壁S樣件五軸銑削加工時(shí)，可明顯降低切削振動(dòng)幅值，工件振動(dòng)加速度分別降低了43%與97%，且工件表面質(zhì)量有顯著提高。

后續(xù)擬對(duì)粘彈性阻尼方案中的材料、質(zhì)量等因素開(kāi)展理論研究與試驗(yàn)測(cè)試，不斷提升切削抑振效果。同時(shí)，圍繞阻尼層的貼裝與清除工藝、阻尼器與刀具的碰撞干涉等問(wèn)題仍須開(kāi)展進(jìn)一步研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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