基于相位补偿原理的可调谐阻尼切削刀具用于抑制颤振的机理与实验研究

《Chinese Journal of Mechanical Engineering》：A tunable damping tool for suppressing chatter using phase compensation

在航空航天和汽车制造中，薄壁件、大型件加工时常因切削力波动引发颤振，严重影响加工精度、表面完整性和刀具寿命。本研究提出一种融合了振动吸振结构(VAS)的新型阻尼切削刀具(CT-VAS)，建立了用于定量确定VAS关键设计参数的相位补偿分析与预测模型，并通过静态冲击和动态车削实验验证了模型准确性。结果表明，所提出的CT-VAS在不同切削参数下展现出优异的振动阻尼性能，特别是CT-VAS3在特定条件下可将加速度均方根值平均降低36%。研究还引入了基于增长步长(S)和增长高度(P)定义的“增长率”作为定量评估颤振行为的指标。该工作为高精度加工领域的先进切削刀具设计提供了有价值的指导。

　　

在航空航天和汽车制造领域，对大型、薄壁、复杂工件的精密加工需求日益增长。然而，在加工这些“难啃的骨头”时，一个恼人的“幽灵”常常不请自来——切削颤振。它就像加工过程中的一场不和谐“交响乐”，由切削力波动、切屑形成和刀具-工件摩擦共同“演奏”出来，尤其是在加工镍基合金、航空铝合金等难加工材料时更为显著。这种颤振不仅会破坏加工表面的光洁度，产生刺耳的噪音，还会加速刀具磨损，严重制约加工效率和零件质量。为了驱散这个“幽灵”，工程师们想出了多种办法，主要包括调整切削参数、主动振动阻尼和被动振动阻尼。其中，被动阻尼方法因其结构简单、可靠性高而在工业中广泛应用。被动阻尼又主要分为耗散式振动阻尼和动态振动吸收。动态振动吸收的基本原理，是通过引入一个额外的动态吸振器，将主结构的振动能量“转移”过去，从而达到减振目的。前人已开发了基于压电陶瓷、三元动力吸振器、磁流变等多种原理的吸振刀具，并取得了一定效果。然而，如何更精准、更有效地设计这种吸振结构，特别是如何定量确定其关键参数以实现最优的振动抑制效果，仍然是该领域的一个挑战。

为了回答上述问题，山东大学机械工程学院的研究团队在《Chinese Journal of Mechanical Engineering》上发表了一项研究，提出了一种新型的、融合了振动吸振结构(VAS)的阻尼切削刀具(CT-VAS)，并对其抑振机理和性能进行了深入探究。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几个关键技术方法：首先，建立了基于相位补偿原理的CT-VAS两自由度振动系统理论模型，通过牛顿第二定律推导了其动力学方程，并利用MATLAB Simulink模块进行动态响应仿真分析，以探究VAS质量、阻尼系数及刀具悬伸长度等参数对减振性能的影响规律。其次，设计并加工了五种不同VAS质量的CT-VAS原型刀具(CT-VAS1至CT-VAS5)以及一把传统刀具(CT-X)作为对比。然后，在振动隔离台上对这批刀具进行了静态冲击实验，使用力锤施加瞬态冲击力，并通过加速度传感器采集刀具的加速度响应，以评估其固有动态特性。最后，在数控车床(CK6065-A)上对6061航空铝合金工件进行了系统的动态车削实验，在不同切削速度、进给量和切削深度参数下，测量并对比了CT-VAS与CT-X的振动加速度信号，以验证其在实际加工条件下的抑振性能。研究还引入了“增长率”这一新概念，通过拟合振动信号包络线，用增长步长(S)和增长高度(P)来定量评价颤振行为。

结构分析与相位补偿预测模型

研究人员首先从机理上阐明了CT-VAS的工作原理。如文中图1所示，CT-VAS主要由切削刀片、振动吸振结构和刀杆三部分组成。其核心思想是通过相位补偿来抵消振动。研究将可调阻尼刀具建模为一个两自由度振动系统，其中B₁代表刀杆，B₂代表VAS。通过建立系统的动力学微分方程并进行求解，理论分析表明，为了使刀杆的振动幅度最小化，需要满足k₂- m₂ω²≈ 0 和 k₁- (m₁+ m₂)ω²≈ 0 的条件。这意味着VAS的固有频率应被调谐到与刀杆的固有频率接近。研究进一步将刀杆和VAS分别简化为悬臂梁模型，利用材料力学和瑞利(Rayleigh)阻尼理论，推导了其刚度系数、固有频率和阻尼系数的计算公式，从而为VAS的关键设计参数（如质量、刚度、几何尺寸）提供了定量确定的依据。

VAS对CT-VAS计算阻尼性能的影响分析

通过Simulink仿真，研究人员系统分析了VAS参数对减振效果的影响。结果表明，VAS的等效瑞利阻尼系数c₂与其质量m₂近似呈线性增长关系。更重要的是，刀杆的振动抑制性能与VAS的阻尼系数之间存在非线性关系。当VAS质量为16克时，刀杆的峰峰值振幅和稳态响应时间均达到最小值，此时刀杆的阻尼比从0.0223提高到了0.0697，提升了212.5%。这证实了相位补偿的敏感性与VAS的阻尼系数之间存在非线性关联，阻尼系数过低或过高都会导致相位补偿性能下降，从而削弱减振效果。

刀具悬伸长度对CT-VAS计算阻尼性能的影响

刀具悬伸长度是影响加工系统刚度的关键因素。研究发现，随着刀具悬伸长度增加，刀杆的固有阻尼系数呈指数衰减趋势，抗振性变差。对于给定的VAS结构，其振动抑制效果仅在特定的长径比(L/D)范围内显著。仿真结果显示，当L/D比为1.6和8时，CT-VAS与传统刀具CT-X的振动波形差异不大。在L/D比为3.2和6.4时，CT-VAS的振动幅度分别降低了4.87%和6.79%。而最大的减振效果出现在L/D比为4.8时，振动幅度降低了惊人的72.6%。这说明相位补偿的敏感性与刀杆的刚度也呈非线性关系，刀杆刚度过低则补偿无效，刚度过高则刀具自身不易发生颤振。

静态冲击实验验证

为了验证理论模型，研究团队加工了五种不同VAS质量的CT-VAS刀具进行静态冲击实验。加速度响应结果显示，CT-VAS3（VAS质量15克）表现出最佳的振动衰减性能，其峰值加速度为48g，相较于传统CT-X的63g降低了23.8%。实验测量的加速度-阻尼系数变化整体趋势与基于所建动力学模型的计算预测曲线吻合良好，误差在6%以内，这有力验证了理论模型的准确性，也再次证实了VAS阻尼系数与相位补偿敏感性之间的非线性关联是设计中必须充分考虑的因素。

动态车削实验验证

在实际车削6061铝合金的实验中，CT-VAS展现了优越的振动抑制性能。在切削速度40-100 m/min范围内，CT-VAS的减振性能均显著优于CT-X。特别是在进给量f=0.18 mm/r、切深a_p=0.3 mm、切削速度v_c=85 m/min的条件下，CT-VAS3加速度信号的均方根值平均降低了36%。为了更系统地评估颤振抑制效果，研究引入了“增长率”的概念。以v_c=70 m/min为例，经计算，CT-X的增长率高达4.26，而CT-VAS的增长率仅为1.5136。这表明“增长率”能有效量化颤振行为，而CT-VAS极大地抑制了振动的增长，验证了相位补偿耗散能量、抑制颤振的有效性。

研究结论与意义

本研究成功提出并验证了一种基于相位补偿原理的新型可调谐阻尼切削刀具(CT-VAS)。主要结论如下：首先，研究揭示并验证了相位补偿敏感性与VAS阻尼系数之间的非线性关系，通过优化设计可将刀杆阻尼比提升212.5%。其次，阐明了相位补偿敏感性与刀杆刚度之间的非线性关联，指出CT-VAS的抑振性能在特定长径比下最优，最大可实现72.6%的振动降幅。第三，静态和动态实验均证实了所建立的理论预测模型的准确性，并凸显了在被动减振刀具整体设计中充分考虑VAS阻尼系数的重要性。第四，动态车削实验证明，优化后的CT-VAS3在特定工艺参数下可将振动加速度均方根值平均降低36%，抑振效果显著。最后，研究所引入的“增长率”概念，为车削过程中颤振的定量评估提供了一个有效的指标。

这项研究的意义在于，它不仅从原理上深化了对相位补偿抑振机制的理解，而且提供了一套从理论建模、参数优化到实验验证的完整设计方法。所开发的CT-VAS结构简单、性能优异，具有良好的工程应用前景，可通过适配不同尺寸和悬伸长度的车刀，为解决航空航天、汽车制造等领域高精度加工中的颤振难题提供有效的技术方案，对推动先进切削刀具的发展具有重要指导价值。