CN114310489B - 薄壁工件加工声波振动抑制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄壁工件加工声波振动抑制装置及方法，将薄壁工件通过螺钉固定在测力仪上，并在工件的背面一定距离处安装声波发射装置。通过测量仪测量铝合金材料切削加工过程中的切削力，采用傅里叶级数展开将切削力分解为多个正弦波，根据切削力分解得到的各个分量设计声波发射装置的波形。根据模态分析结果，选择刚性较弱的区域作为声波抑制振动的目标区域。切削力分解得到的正弦波和声波发射器所产生的正弦波分别作用在工件的正面和反面，工件所产生的位移响应相互抵消，工件振动会得到一定程度的抑制。采用位移传感器分别测量施加声波前和施加声波信号后的工件加工位移响应，分析声波抑制振动效果。
Description
技术领域
本发明涉及工件加工的技术领域，尤其涉及薄壁工件加工声波振动抑制装置及方法。
背景技术
薄壁零件加工过程中经常产生加工振动现象，加工振动的产生会降低工件的表面质量并影响加工效率，严重制约零件的加工质量和加工效率的提升。
现有的加工振动抑制方法主要有以下几种：主动阻尼器抑制加工振动、被动阻尼器抑制加工振动、调整加工工艺参数抑制加工振动。主动和被动阻尼器的施加都需要将阻尼器连接到工件表面，使夹具的结构变得更加复杂，对于薄壁工件而言，工件的刚性较差，加工工艺参数的调整不能完全解决加工振动问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中提及的问题，本发明提出了一种通过声音发射器产生声波信号并传导到工件表面，使声波信号激励和刀具加工激励相互叠加，所合成的激励若降低或者抵消，则产生的响应位移将降低或者抵消，从而降低加工工件的响应位移并抑制加工振动的方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
薄壁工件加工声波振动抑制装置，其中：包括声波发射器、薄壁工件、铣刀以及测力仪，薄壁工件固定在测力仪上，铣刀的侧刃对薄壁工件的一侧进行加工，并产生切削力，测力仪用于测量薄壁工件切削加工过程中的切削力，并对切削力求解得到薄壁工件在切削过程中产生的声波振动频率和相位，声波发射器固定在薄壁工件的另一侧，声波发射器用于对薄壁工件发射特定频率和幅值的声波，且在薄壁工件上，声波发射器发射的声波与铣刀加工薄壁工件产生的声波振动频率相同，相位相反。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的声波发射器的数量为若干个。
上述的声波发射器的数量为两个，分别为声波发射器A和声波发射器B，声波发射器A和声波发射器B均分布在薄壁工件的同一侧。
上述的薄壁工件通过锁紧螺钉固定在测力仪上。
抑制薄壁工件加工声波振动的方法，包括以下步骤：
步骤一、将薄壁工件固定在测力仪上，采用铣刀侧刃对薄壁工件的一侧进行加工；
步骤二、通过正交实验设计薄壁工件加工工艺参数，通过测力仪测量薄壁工件切削加工过程中的切削力，通过切削力预测模型求解，得到切削力预测模型；
步骤三、根据切削力预测模型得到的声波发射器的波形；
步骤四、通过锤击试验测试薄壁工件各区域的刚性，开展模态分析，得到各区域模态参数，为声波发射器的位置确定提供依据，
步骤五、在薄壁工件的另一侧安装声波发射器；声波发射器靠近但不接触薄壁工件；
步骤六、采用位移传感器分别测量施加声波前和施加声波信号后的薄壁工件加工位移响应，对两者进行比较，分析声波抑制振动效果。
步骤二中，通过切削力预测模型求解，切削力预测模型的方法为：采用傅里叶级数展开将切削力分解为多个正弦波
得到分解后的各个正弦波的频率ωi、幅值Ai和相位差
步骤三中，声波发射器的波形为
步骤五中，声波发射器安装在薄壁工件刚性较弱区域。
采用位移传感器分别测量施加声波前和施加声波信号后的工件加工位移响应，对两者进行比较，分析声波抑制振动效果。
本发明具有以下优点：
本发明具有以下特点：
1、声波抑制方法根据加工中所产生的切削力进行分解为多个正弦波形的切削力，从而生成能够抵消振动激励的声波。
2、该声波抑制振动方法是一种非接触式的振动抑制方法。
3、由于声音发射器的安装位置和与工件间的距离不同会影响声波信号的传递效果，所以安装位置和距离应根据工件的位移相应强弱来进行确定。
4、本发明可以根据切削力的频率和幅值，选择多个声波发射器进行配合，叠加出单个声波发射器无法得到的复杂波形，更好的抑制振动。
附图说明
图1是本发明的声波抑制振动方法流程图；
图2为本发明的声波抑制振动布置图；
图3为本发明的声波传导示意图；
图4为切削力分量对工件的激励所造成的位移响应和声波信号激励所造成的位移响应叠加原理图。
图中标记名称：声波发射器1、声波发射器A101、声波发射器B102、薄壁工件2、铣刀3、锁紧螺钉4、测力仪5、铣刀对工件施加的激励6、声波信号对工件施加的激励7。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
结合图1和图2，本发明涉及一种基于波形叠加原理的声波抑制振动方法，下面的详细描述中，通过示例阐述了本公开的许多具体细节，以便提供对相关披露的透彻理解。
结合图2，根据切削加工试验设置，将薄壁铝合金工件通过锁紧螺钉4固定在测力仪上，采用铣刀3侧刃对工件的一侧进行加工，并在工件的背面一定距离处安装声波发射器A101和声波发射器B102。
通过正交实验设计铝合金薄壁零件加工工艺参数，通过测量仪5测量铝合金材料切削加工过程中的切削力，通过切削力系数求解，得到切削力预测模型。
采用傅里叶级数展开将切削力分解为多个正弦波
得到分解后的各个正弦波的频率ωi、幅值Ai和相位差
根据切削力分解得到的各个分量设计声波发射装置的波形
通过锤击试验测试铝合金薄壁零件各区域的刚性，并开展模态分析，得到各区域模态参数，为声波发射装置的位置确定提供依据。
结合图2，声波发射器的位置确定如下：根据理论模型分析可知，声波在空气中传导与距离有着直接关系，所以根据模态分析结果，选择刚性较弱的区域作为声波抑制振动的目标区域。声波发射器安装在刚性较弱区域对应位置处，并且考虑能量损失问题，声波发射器与工件间间距应尽可能短。
由于切削力可以分解为多个正弦或者余弦波形，则抑制加工振动的声音波形也应该是多个反相正弦或者余弦波形的合成，为了达到合成波形的效果，可能需要多个声波发射器的作用叠加。当多个声波发射器所发射的声波信号频率不同时，所产生的声波信号不发生干涉。
结合图3和图4，切削力和声波的造成的工件位移响应叠加原理说明如下：切削力分解得到的正弦波和声波发射器所产生的正弦波分别作用在工件的两侧。铣刀对工件施加的激励6和声波信号对工件施加的激励7分别作用在工件的两侧，工件所产生的位移响应相互抵消，工件振动会得到一定程度的抑制。当切削力分解得到的分量
和声波信号施加的激励
在同一时间施加到工件表面时，声波信号的施加频率ωj和相位角
与切削力分量的施加频率ωi和相位角
相同时，则波形叠加为
若频率和相位角不同时，则波形叠加为
采用位移传感器分别测量施加声波前和施加声波信号后的工件加工位移响应，对两者进行比较，分析声波抑制振动效果。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.薄壁工件加工声波振动抑制装置，其特征是：包括声波发射器(1)、薄壁工件(2)、铣刀(3)以及测力仪(5)，所述的薄壁工件(2)固定在测力仪(5)上，所述的铣刀(3)的侧刃对薄壁工件(2)的一侧进行加工，并产生切削力，所述的测力仪(5)用于测量薄壁工件(2)切削加工过程中的切削力，并对切削力求解得到薄壁工件(2)在切削过程中产生的声波振动频率和相位，所述的声波发射器(1)固定在薄壁工件(2)的另一侧，声波发射器(1)用于对薄壁工件(2)发射特定频率和幅值的声波，且在薄壁工件(2)上，声波发射器(1)发射的声波与铣刀(3)加工薄壁工件(2)产生的声波振动频率相同，相位相反。
2.根据权利要求1所述的薄壁工件加工声波振动抑制装置，其特征是：所述的声波发射器(1)的数量为若干个。
3.根据权利要求1所述的薄壁工件加工声波振动抑制装置，其特征是：所述的声波发射器(1)的数量为两个，分别为声波发射器A(101)和声波发射器B(102)，声波发射器A(101)和声波发射器B(102)均分布在薄壁工件(2)的同一侧。
4.根据权利要求1所述的薄壁工件加工声波振动抑制装置，其特征是：所述的薄壁工件(2)通过锁紧螺钉(4)固定在测力仪(5)上。
5.薄壁工件加工声波振动抑制方法，其特征是：采用权利要求1所述的装置抑制薄壁工件加工声波振动，包括以下步骤：
步骤一、将薄壁工件(2)固定在测力仪(5)上，采用铣刀(3)侧刃对薄壁工件(2)的一侧进行加工；
步骤二、通过正交实验设计薄壁工件(2)加工工艺参数，通过测力仪(5)测量薄壁工件(2)切削加工过程中的切削力，通过切削力预测模型求解，得到切削力预测模型；
步骤三、根据切削力预测模型得到声波发射器(1)的波形；
步骤四、通过锤击试验测试薄壁工件(2)各区域的刚性，开展模态分析，得到各区域模态参数，为声波发射器(1)的位置确定提供依据，
步骤五、在薄壁工件(2)的另一侧安装声波发射器(1)；声波发射器靠近但不接触薄壁工件；
步骤六、采用位移传感器分别测量施加声波信号前和施加声波信号后的薄壁工件(2)加工位移响应，对两者进行比较，分析声波抑制振动效果。
6.根据权利要求5所述的薄壁工件加工声波振动抑制方法，其特征是：步骤二中，通过切削力预测模型求解，切削力预测模型的方法为：采用傅里叶级数展开将切削力分解为多个正弦波
得到分解后的各个正弦波的频率ωi、幅值Ai和相位角
7.根据权利要求6所述的薄壁工件加工声波振动抑制方法，其特征是：步骤三中，声波发射器(1)的波形为
其中，Bj为发射器发射声波的幅值，ωj表示发射声波信号的频率，t为发射声波信号的时间，
为发射声波信号的相位角。
8.根据权利要求7所述的薄壁工件加工声波振动抑制方法，其特征是：步骤五中，声波发射器(1)安装在薄壁工件(2)刚性较弱区域。
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