基于压电效应的切削振动能量收集及减振刀具应用*

杨毅青，申 睿，高浩洋，何万林，赵洪杰

（1.北京航空航天大学，北京100191；2.首都航天机械有限公司，北京100076）

大长径比车刀在加工具有深腔、深孔特征的飞机结构件中，有着广泛的应用。然而，由于长悬伸导致刀具等效刚度降低，容易产生颤振，导致切削效率、零件表面精度和刀具寿命降低。

被动减振的实现主要通过两种途径：一是改变刀具结构增加系统阻尼实现减振。如Denkena 等[1]通过黏弹性材料的内摩擦增加刀具的阻尼，实现加工的稳定性；Liu 等[2]研制了一种具有约束层阻尼的刀架，其动刚度比传统的钢合金刀架高6 倍；Ziegert 等[3]根据库仑摩擦原理研制的阻尼铣刀，临界稳定切深提高了53%。二是通过附加吸振器实现减振。吸振器是一个附加在主系统上的子振动系统，它依靠附加质量块吸收振动从而实现减振。经典单自由度吸振器结构简单，性能稳定，被广泛应用于刀具减振。Hahn 等[4]使用Lanchester 吸振器来减小镗杆加工时的振动。杨毅青等[5]设计了一种内嵌吸振器的铣刀，使刀具在各个方向的频率响应降低75%。上述吸振器大多以耗能形式产生阻尼，也可通过采用压电片将振动能量转换为电能产生等效阻尼。

压电材料能够从振动中吸收能量并转化为电能，该过程以阻尼形式反作用于结构。它以刚度高、响应快、性能稳定等优点得到了广泛的应用。陈子光等[6]研究了压电陶瓷圆柱壳的扭转振动问题,并且建立了输出电压、电流、能量、效率及输出功率密度的解析表达式。刘祥建等[7]设计的一种彩虹形多方向压电能量收集器实现了对不同方向振动能量的收集。……