高速面銑刀氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理的研究.pdf

1、面銑刀作為典型的高速斷續(xù)銑削刀具，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域鈦合金、鋼鐵、鋁合金等多種材料的加工。面銑刀在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度噪聲，可達(dá)100dB～110dB以上，對(duì)操作人員健康和設(shè)備安全運(yùn)行非常不利。因此，研究高速面銑刀氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)而降低面銑刀氣動(dòng)噪聲具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。流場(chǎng)研究是進(jìn)行氣動(dòng)噪聲研究的基礎(chǔ)，本文結(jié)合數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)面銑刀氣動(dòng)流場(chǎng)及氣動(dòng)聲場(chǎng)展開(kāi)研究，分析氣動(dòng)噪聲源的形成機(jī)理及氣動(dòng)聲學(xué)特性，并探索降低面銑

2、刀氣動(dòng)噪聲的方法。研究成果可為低噪聲面銑刀的研制及應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　 首先，通過(guò)搭建高速面銑刀空轉(zhuǎn)噪聲測(cè)試平臺(tái)，對(duì)兩種面銑刀在不同主軸轉(zhuǎn)速下的空轉(zhuǎn)噪聲進(jìn)行測(cè)試，研究不同主軸轉(zhuǎn)速下的空轉(zhuǎn)噪聲頻譜特性及聲壓隨時(shí)間的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)比主軸噪聲與機(jī)床總噪聲，分離出僅由面銑刀高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，研究結(jié)果表明，偶極子聲源是面銑刀氣動(dòng)噪聲主要聲源，面銑刀氣動(dòng)噪聲包括寬帶噪聲和離散噪聲，寬帶噪聲隨頻率變化波動(dòng)不大且分布在較廣的頻率段內(nèi)

3、，是面銑刀氣動(dòng)噪聲的重要成份。
　　 其次，建立面銑刀三維實(shí)體模型，采用CFD（Computational Fluid Dynamic）技術(shù)對(duì)面銑刀流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。在定常及非定常條件下分別采用RNG(Renormalization Group) k-ε及LES（Large Eddy Simulation）湍流模型對(duì)面銑刀運(yùn)行于不同主軸轉(zhuǎn)速時(shí)的流體運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行詳細(xì)分析及總結(jié)，同時(shí)對(duì)面銑刀表面不同觀察點(diǎn)處的脈動(dòng)壓力進(jìn)行研究。為高速

4、面銑刀噪聲預(yù)測(cè)模型的提出及氣動(dòng)噪聲傳播機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 然后，結(jié)合CFD模擬結(jié)果，基于FW-H（Ffowcs Williams Hawkings）方程建立高速面銑刀氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)模型，將理論預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)模型的正確性。數(shù)值計(jì)算面銑刀不同區(qū)域聲源產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，分析各聲源產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的機(jī)理，評(píng)估各聲源對(duì)氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)量。研究面銑刀氣動(dòng)噪聲指向性，研究結(jié)果表明:面銑刀氣動(dòng)噪聲是觀察點(diǎn)與面銑

5、刀中心徑向距離的函數(shù)，在水平面內(nèi)沒(méi)有明顯變化，而在面銑刀軸向具有明顯的噪聲指向性。
　　 最后，基于高速面銑刀氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)模型，研究面銑刀直徑和高度、齒數(shù)、齒距布置及容屑槽結(jié)構(gòu)等幾何要素對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:面銑刀氣動(dòng)噪聲隨著刀具直徑的增大而增加但增加量逐漸減小。不等齒距布置能夠改變銑刀氣動(dòng)噪聲聲能分布，降低旋轉(zhuǎn)頻率處聲壓級(jí)，有效擬制‘嘯聲’。齒數(shù)是影響氣動(dòng)噪聲的重要因素，氣動(dòng)噪聲隨著面銑刀齒數(shù)變化呈現(xiàn)非單調(diào)的變化