受莲藕结构启发的中空多腔颗粒阻尼铣刀的设计及其振动减振特性

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Design and vibration reduction characteristics of a hollow multi-chambered particle-damped milling cutter inspired by the lotus root structure

　　

摘要

铣削过程中的颤振会不利地影响加工稳定性、表面完整性和刀具寿命，尤其是在轻质或细长的刀具系统中。为了在保持结构轻量化的同时增强振动抑制能力，本研究提出了一种受莲藕根启发的多腔颗粒阻尼铣刀（LRMC），该铣刀将仿生中空多腔结构与分散的颗粒阻尼相结合。通过考虑结构阻尼、颗粒间碰撞耗散、颗粒与壁面碰撞耗散以及颗粒间摩擦耗散，建立了一个能量分析模型。引入了几何形态参数和受限尺度参数，以描述腔体形状、颗粒直径、填充比和颗粒移动性对能量耗散的影响。进行了静态冲击测试和动态铣削实验，以评估不同颗粒填充比的LRMC性能。结果表明，颗粒填充显著改善了中空多腔铣刀的动态性能，抑制了模态柔顺性和宽带振动响应。在所有测试配置中，36.8%填充比的LRMC表现出最佳的振动抑制效果：与空铣刀相比，其主要模态峰值柔顺性降低了80.5%；与实心刀柄相比，高频加速度均方根值降低了50.2%-64.5%。声发射分析进一步证实了切削稳定性的提升，其均方根值相比实心刀柄降低了27.6%-43.6%。这些发现表明，受莲藕根启发的颗粒阻尼结构为开发具有增强振动抑制和加工稳定性的轻质铣刀提供了一种有效策略。

引言

在加工难以切削的材料（如镍基超合金和航空航天级铝合金）时，经常会出现加工颤振[1]。这种现象会严重降低表面质量并影响尺寸精度。此外，刀具颤振还会产生过量噪音，加速刀具磨损，导致边缘剥落，在严重情况下甚至可能损坏机床[2]、[3]、[4]。增材制造可以将颗粒阻尼技术或结构阻尼原理集成到阻尼部件中，从而减少颤振[5]。在颗粒阻尼中，能量通过粉末颗粒之间的非弹性碰撞和摩擦耗散[6]、[7]。结构阻尼通过优化几何形状或材料性能来提高结构的阻尼效果[8]、[9]。

颗粒阻尼（PD）是一种辅助质量阻尼技术，其将大量小型颗粒（如金属颗粒、碳化钨颗粒、陶瓷颗粒等）放置在振动结构的内腔中或附着在其外壳上，以减轻主结构的动态响应[10]、[11]。当主结构振动时，颗粒间及颗粒与壁面的碰撞以及摩擦会吸收并耗散大量振动能量，从而为系统提供显著的阻尼效果[12]、[13]、[14]、[15]。由于概念简单、成本适中、耐用性高、对温度不敏感以及具有宽带阻尼效果，颗粒阻尼已在航空航天和机械工程领域得到广泛应用[11]、[16]、[17]、[18]、[19]。它还被应用于许多工业领域，包括切削工具[20]、航天器涡轮系统[11]、[21]、天线结构的振动抑制[19]以及输电塔[22]、[23]。Vogel等人研究了具有被动阻尼特性的结构化颗粒填充刀柄，用于车削和铣削操作，优化了其振动特性以提高生产率和加工质量[24]。该增材制造结构包含四个内腔，每个内腔部分填充了直径为0.4–0.6毫米的WC-ZrO₂粉末。使用直径为10毫米的双刃端铣刀加工Al7075铝合金时，临界切削深度比传统参照夹头增加了12.5%。用高合金工具钢制造的空心车削刀柄在加工Ti-6Al-4V合金时也获得了类似的结果[25]、[26]。该集成结构在腔体内包含椭球形空心元件，当这些腔体部分填充WC-ZrO₂粉末时，进给方向和切削方向的固有频率发生了变化，振幅降低了80%以上[27]。轻质切削工具可减少动态质量，从而降低加工过程中的能量消耗，特别适合旋转切削工具，因为它们能够提高切削速度，从而在不影响表面光洁度的情况下提高生产率[28]、[29]。增材制造使得此类设计成为可能[30]、[31]。Hanzl等人提出了一种用于轻质铣刀的有限元分析方法，该铣刀具有内部晶格结构[32]。直径为125毫米的六齿可换刀铣刀的固有频率比实心结构降低了33%，但刚度降低且变形较大[33]。Uhlmann等人采用拓扑优化方法设计了一种六刃可换刀铣刀，仅减少了29%的重量，而扭转强度仅略有下降[33]。Uhlmann和Fürstmann利用增材制造技术制造了一种带有封闭冷却回路的结构优化刀柄[34]、[35]。

仿生设计的基本原理是将生物体的选定功能和特征结合到新型材料、设备和结构中[36]。生物材料由于其独特的结构机制而具有优异的韧性[37]。通过理解这些微结构并在相关领域复制特定生物体的结构特征，研究人员旨在设计出具有卓越性能的新一代轻质材料和结构[38]、[39]、[40]。具有高能量吸收能力的轻质结构在包括航空航天、运输、核工程和土木工程在内的众多技术领域得到了日益广泛应用[41]。近年来，出现了各种不同设计的能量吸收器，包括圆柱形结构[42]、[43]、[44]、[45]、夹层结构[46]、[47]、[48]、蜂窝结构[49]、[50]、[51]、泡沫结构[52]、[53]、[54]、[55]、建筑结构[56]以及平滑单元格晶格结构[57]、[58]、[59]。莲藕根具有独特的多孔结构，其根茎具有独特的梯度折叠特性。其内部腔体和节点的分布使其能够高效吸收冲击能量并分散应力[60]。Tane等人研究了具有单向圆柱形孔排列的铜铁试样的动态和准静态压缩响应，这种排列旨在模仿莲藕根的微结构。实验结果表明，圆柱形孔引起的宏观变形区域显著降低了加工硬化率[61]。

因此，为了解决现有轻质切削工具的结构刚度不足、纯晶格或基于拓扑的切削工具阻尼能力有限以及传统颗粒阻尼腔体空间调节不足的问题，本研究提出了一种受莲藕根“多腔分布、节点支撑和能量分散”特性启发的中空多腔颗粒阻尼铣刀。与传统仅将颗粒作为阻尼介质放置在与结构简单或局部排列的内腔中的切削工具不同，所提出的受莲藕根启发的多腔颗粒阻尼铣刀（LRMC）利用仿生多腔拓扑在铣刀体内分布颗粒组件，并通过腔体几何形状和节点支撑来调节颗粒移动性。与传统主要通过减轻质量来调整刚度但通常缺乏主动颗粒能量耗散机制的晶格填充或拓扑优化轻质铣刀相比，LRMC将结构轻量化与颗粒诱导的碰撞和摩擦阻尼相结合。尽管仿生多孔结构在轻量化设计、抗冲击性和能量吸收方面已被广泛研究，但其在旋转切削工具中的应用仍然有限，尤其是在结合分散式颗粒阻尼时。通过在铣刀内部构建受莲藕根启发的多腔拓扑，该结构为颗粒组件提供了分布式的运动和能量耗散空间。此外，增材制造使得复杂内腔的集成制造成为可能，从而在结构轻量化和振动抑制之间建立了协同设计关系。本研究的主要内容包括：（1）开发了一种受莲藕根启发的多腔轻质铣刀的结构设计方法；（2）建立了一个能量分析模型，该模型考虑了腔体几何约束、颗粒碰撞和摩擦能量耗散，以揭示在旋转和切削激励下颗粒的耦合动态响应和能量耗散机制；（3）进行了静态冲击测试和动态铣削实验，以验证所提结构在抑制动态柔顺性、减少振动和提高加工稳定性方面的有效性。本研究的结果为仿生多腔结构和分散式颗粒阻尼技术在高速铣刀中的集成应用提供了理论基础和设计参考。

章节片段

莲藕根式多腔节点结构在铣刀中的应用

图1展示了莲藕根的根茎结构。根茎演化成了一种具有出色能量吸收和振动耗散能力的多腔节点结构。内部由多个相互连接的椭圆形腔体组成，这些腔体通过弹性隔板分隔，并形成周期性“腔体-节点-腔体”拓扑系统。受到冲击时，该结构通过腔体的弹性塌陷来分散应力

静态冲击实验

图11展示了静态冲击试验的示意图。使用灵敏度为2.426 mV/N的力锤（型号CT-LC-01）对铣刀施加了瞬态冲击力，产生了大约800 N的冲击力。所得加速度响应通过灵敏度为99.7 mV/g、测量范围为±60 g的加速度计（型号CT1010LC）进行测量。测试信号被传输到数据采集卡（型号CT9104）并进行处理

结论

受莲藕根多孔节点结构的启发，本研究提出了一种中空多腔颗粒阻尼铣刀，该铣刀结合了仿生多腔轻量化配置和分散式颗粒阻尼机制，以增强铣刀系统的振动抑制能力。通过考虑铣削输入能量、结构阻尼能量耗散和颗粒碰撞等因素，建立了适用于LRMC颗粒阻尼结构的能量分析模型

CRediT作者贡献声明

Tianxiang Han:撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿编写，验证，数据分析。Jinfu Zhao:撰写 – 审稿与编辑，资源收集，方法论制定，概念构思。Zhanqiang Liu:验证，资源收集，资金获取。Bing Wang:可视化，项目管理，数据分析，资金获取。Aisheng Jiang:方法论制定，数据分析，调查。Pengyang Wang:验证，数据分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家重点研发计划项目（项目编号：2025YFE0203200）的财政支持。本研究还得到了高性能精密制造国家重点实验室（项目编号：HPMKF202508）、硬质合金国家重点实验室（项目编号：ZY-KZ-KYW-2025-0067）、高性能工具国家重点实验室（项目编号：GXNGJSKL-2026-12）以及中国山东省青年人才科技创新计划的资助

Tianxiang Han|Jinfu Zhao|Zhanqiang Liu|Bing Wang|Aisheng Jiang|Pengyang Wang