減振鏜桿的有限元分析正文

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1、目錄 中文摘要 錯(cuò)誤！未定義書簽。 英文摘要 錯(cuò)誤！未定義書簽。 第1章 減振鏜桿的國(guó)內(nèi)外研究水平和發(fā)展趨勢(shì) 2 第2章 顫振的機(jī)理及穩(wěn)定性分析理論 4 2.1再生顫振的機(jī)理 4 2.2 再生顫振系統(tǒng) 5 2.3系統(tǒng)切削過(guò)程動(dòng)態(tài)模型 6 2.4鏜削過(guò)程穩(wěn)定性分析理論與穩(wěn)定性圖 錯(cuò)誤！未定義書簽。 第3章 減振鏜桿的動(dòng)力學(xué)模型 錯(cuò)誤！未定義書簽。 3.1減振鏜桿的設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤！未定義書簽。 3.2減振鏜桿模型的分析 錯(cuò)誤！未定義書簽。 3.3在ANSYS程序中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析 錯(cuò)誤！未定義書簽。 3.4模型在頻域內(nèi)的仿真結(jié)果 錯(cuò)誤！未定義書簽。 結(jié)論與展望 錯(cuò)誤！未定義

2、書簽。 致謝 錯(cuò)誤！未定義書簽。 參考文獻(xiàn)： 錯(cuò)誤！未定義書簽。 附件I英文文獻(xiàn)翻譯 錯(cuò)誤！未定義書簽。 附件II英文文獻(xiàn)原文 錯(cuò)誤！未定義書簽。 減振鏜桿的有限元分析 摘要：介紹了深孔鏜削加工過(guò)程中產(chǎn)生振顫的機(jī)理，建立了減振鏜桿的動(dòng)力學(xué)模型。論述動(dòng)力減振 鏜桿的工作原理，通過(guò)簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型建立微分方程。在理論基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析動(dòng)力減振鏜桿的 減振效果和動(dòng)態(tài)性能，并測(cè)定其最佳狀態(tài)下的性能參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果確定了動(dòng)力減振器的減振特點(diǎn)， 為實(shí)際生產(chǎn)加工給出參考。 關(guān)鍵詞：減振鏜桿深孔鏜削性能參數(shù) Finite element analysis of Damping Boring Ba

3、r Abstract : This paper introduced the mechanism of vibration in the process of deep hole boring , developed a dynamic modal of the damping boring bar. The working principle of a boring bar which has a dynamic vibration absorber is discussed The system’s differential equation is built according to

4、the simple dynamical model. Based on theory,the dynamic performance of a boring bar is researched by experiment and the performance parameters at the best state are gotten. The result of experiment shows the character of dynamic vibration absorber, and gives a reference for the actual manufacture.

5、Key words: Damping boring bar Deep hole boring Performance parameters 第1章 減振鏜桿的國(guó)內(nèi)外研究水平和發(fā)展趨勢(shì) 在機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，切削系統(tǒng)的加工精度及穩(wěn)定性很大程度上取決與結(jié)構(gòu)的剛度 和切削過(guò)程中顫振對(duì)其產(chǎn)生的影響，剛性不足和顫振的產(chǎn)生不僅制約了切削系統(tǒng)在加工 過(guò)程中的切削效率，而且還會(huì)在加工工件的表面留下振紋，影響加工精度。切削顫振是 金屬切削過(guò)程中刀具與工件之間產(chǎn)生的一種十分強(qiáng)烈的相對(duì)振動(dòng)，其產(chǎn)生的原因和發(fā) 生、發(fā)展的規(guī)律與切削加工過(guò)程本身及金屬切削系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性都有著內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系， 影響因素很多，是一個(gè)非常復(fù)雜

6、的機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象。 深孔鏜削過(guò)程中刀具通常會(huì)產(chǎn)生振顫。加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)按產(chǎn)生原因分為自由 振動(dòng)、受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。其中自由振動(dòng)是由于初始系統(tǒng)受外界的干擾所致，屬于阻 尼衰減振動(dòng);受迫振動(dòng)是由于轉(zhuǎn)動(dòng)部件的自身缺陷產(chǎn)生的，可以通過(guò)刀具的振動(dòng)頻率找 到可疑振動(dòng)源。自激振動(dòng)又分為:初始振動(dòng)和再生振動(dòng)，初始振動(dòng)是由于刀具本身的固有 頻率與加工系統(tǒng)中的某個(gè)工作頻率相同而產(chǎn)生的共振;再生振動(dòng)是在連續(xù)加工過(guò)程中切 削表面的不連續(xù)性產(chǎn)生的。 在機(jī)械加工中內(nèi)孔加工是所占比例較大的一種重要的加工方法，約占整個(gè)加工工作 量的1 / 4,而深孔加工又在內(nèi)孔加工中占有很大的比例，所以深孔加工問(wèn)題是否解決好， 將會(huì)

7、直接影響機(jī)器產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量。特別是在重型機(jī)器制造業(yè)中，能否掌握 它，運(yùn)用自如，將會(huì)對(duì)生產(chǎn)有著決定性的影響，也影響到機(jī)器產(chǎn)品的質(zhì)量。而深孔加工 中最常見的疑難問(wèn)題就是細(xì)長(zhǎng)車刀和鏜桿的長(zhǎng)徑比不夠或動(dòng)剛度不夠，從而不能滿足被 加工工件的要求。 一般情況下,影響金屬加工表面的質(zhì)量因素有機(jī)床本身、刀具、被加工工件以及其 他的外界干擾等。刀具方面的因素主要是刀具的動(dòng)剛度和幾何參數(shù)。對(duì)于一般的刀桿， 在長(zhǎng)徑比超過(guò)4倍時(shí)刀具本身將產(chǎn)生振顫，使得加工無(wú)法進(jìn)行。鏜孔加工與一般的軸類 加工有所區(qū)別。一般的車床車削軸類零件時(shí)，為了使刀具的剛度達(dá)到要求,并保證加工的 質(zhì)量，刀具的形狀可以選擇得比較粗、短。但

8、是鏜削加工通常在預(yù)先鉆好或者鑄好的孔 上進(jìn)行，刀具是在被加工零件內(nèi)，刀具的尺寸和形狀都要受到一定限制，造成了刀具的剛 度較低，在一定力的作用下，刀桿的彎曲程度主要取決于刀桿的靜剛度,而刀桿的振顫幅 度和頻率取決于刀桿的靜剛度和動(dòng)剛度。 減小刀桿懸伸長(zhǎng)度和增加刀桿的直徑對(duì)于減小刀桿的變形量是有利的。但是受加工 工件尺寸的限制，改變這兩個(gè)參數(shù)是不現(xiàn)實(shí)的。另外,通過(guò)減小切削量來(lái)降低切削力也可 以達(dá)到減小刀桿變形量的目的，但這樣勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率的下降,而且在某些情況下， 即使減小切削力也不能達(dá)到加工要求。為解決此類問(wèn)題，本文采用內(nèi)置式動(dòng)力減振結(jié)構(gòu) 的防振鏜桿，它可以在造價(jià)相對(duì)比較低的情況下，實(shí)現(xiàn)較

9、大長(zhǎng)徑比。在機(jī)械加工中，利 用減振鏜桿，可以提高表面加工質(zhì)量，大大提高工作效率，特別是在深孔加工中運(yùn)用此 減振鏜桿，對(duì)提高內(nèi)表面質(zhì)量以及加快切削速度都會(huì)有很大的幫助。 減振鏜桿在機(jī)械行業(yè)的研究中，已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史了，但減振鏜桿的研究和發(fā)展是 比較緩慢的。到目前為止，世界上只有為數(shù)不多的幾家廠商能生產(chǎn)出性價(jià)比較好的產(chǎn)品。 目前市場(chǎng)上流行的各種減振鏜桿主要以國(guó)外產(chǎn)品為主，比如瑞典的山特維克，美國(guó)的肯 納，在我國(guó)由于試驗(yàn)，調(diào)試過(guò)程的復(fù)雜，尚沒(méi)有相關(guān)的成熟產(chǎn)品上市。 在國(guó)外，日本三菱公司和東芝公司已經(jīng)有系列化的產(chǎn)品。三菱公司的設(shè)計(jì)思想是減 輕鏜桿的頭部重量，從而使鏜桿的動(dòng)剛度在很大程度上得到改良舊

10、。從材料力學(xué)的角度 進(jìn)行分析可以知道，這種刀具利用了細(xì)長(zhǎng)杠桿的端部應(yīng)力的邊緣效應(yīng)，即杠桿端部受垂 直于杠桿的作用力時(shí)，杠桿端部靠上的那部分的內(nèi)應(yīng)力比較小，因此可以忽略不計(jì)。當(dāng) 鏜桿頭部所受的作用力偏離中心時(shí)，頭部遠(yuǎn)離作用力的部分內(nèi)應(yīng)力比較小。所以當(dāng)鏜桿 受到偏心力時(shí)，刀頭的那兩部分可以切掉一些，這樣不僅鏜桿頭部的重量減少了很多， 而且靜剛度的減少量也較小，同時(shí)鏜桿的動(dòng)剛度在很大程度上的得到了改良。但是應(yīng)當(dāng) 指出這種處理辦法還存在很多的問(wèn)題，其主要問(wèn)題是采用頭部切除法有很大的局限性， 即其長(zhǎng)徑比不能達(dá)到太大。 東芝公司的減振鏜桿是在刀具的兩邊平行的切掉一部分，再用剛度和強(qiáng)度大的材料 嵌在兩邊，

11、從而提高鏜桿的靜剛度。這種鏜桿的原理簡(jiǎn)單，其鑲嵌在桿兩側(cè)的硬質(zhì)材料 和刀體粘結(jié)程度是影響鏜桿質(zhì)量的關(guān)鍵因素。同時(shí)由于受到兩條加固材料的剛度、厚度 和它與桿體粘結(jié)的緊密程度的影響，因此長(zhǎng)徑比的值也受一定的局限。 美國(guó)Kenameta l公司生產(chǎn)的減振鏜桿（最大長(zhǎng)徑比L/D=8）主要是采用特殊的材料制 成，也屬于提高鏜桿靜剛度的一種。 瑞典Sandvik公司的減振鏜桿（最大長(zhǎng)徑比L/D=16 ）是目前最先進(jìn)的鏜桿，它所采取 的方法是給鏜桿加內(nèi)置減振器。這雖然提高了鏜桿的動(dòng)剛度，但也有它的局限性，例如 減振塊的密度不可能太大，阻尼器的壽命嚴(yán)重地影響這種鏜桿的使用壽命. 國(guó)內(nèi)的一些減振鏜桿很多都

12、處于研究階段，采用的大多是增加鏜桿靜剛度的方法， 例如在桿體的芯部鑲?cè)胗操|(zhì)合金等。但是大部分的減振措施都是在工藝上進(jìn)行改良或是 在加工過(guò)程中采用一些技巧。 到目前為止，國(guó)內(nèi)的工具廠商還沒(méi)有在減振鏜桿的制造方面有大的進(jìn)展，特別是在 制造長(zhǎng)徑比比較大的鏜桿方面，而且對(duì)內(nèi)置式減振鏜桿的開發(fā)工作也還很少。 第2章 顫振的機(jī)理及穩(wěn)定性分析理論 2.1再生顫振的機(jī)理 現(xiàn)代的顫振理論指出，顫振是一種氣動(dòng)彈性動(dòng)力不穩(wěn)定的現(xiàn)象。鏜削顫振是氣流中 的運(yùn)動(dòng)的鏜削加工設(shè)備和工件在空氣動(dòng)力、慣性力和彈性力的相互作用下形成的一種自 激振動(dòng)。低于顫振速度時(shí)，振動(dòng)是衰減的；等于顫振速度時(shí)，振動(dòng)保持等幅值；超過(guò)顫 振速

13、度時(shí)，在多數(shù)情況下，振動(dòng)是發(fā)散的，在三種情況下都能影響到鏜削加工工件的表 面拋光度，影響加工質(zhì)量和效率。 顫振的類型主要分為再生型、耦合型、摩擦型。不同顫振類別有它各自不同的激振 機(jī)理，因而也就有不同的消振減振方法。從實(shí)際解決現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中發(fā)生的機(jī)械加工振動(dòng)問(wèn) 題考慮，正確識(shí)別機(jī)械加工振動(dòng)的類別是十分重要的。一旦明確了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中發(fā)生的振 動(dòng)主要是屬于哪個(gè)類型的顫振，便可有針對(duì)性地采取相應(yīng)的消振減振措施，使振動(dòng)減小 到許可的范圍內(nèi)。 從簡(jiǎn)化分析考慮，在研究切削加工顫振問(wèn)題時(shí)，多數(shù)學(xué)者選用的動(dòng)力學(xué)從簡(jiǎn)化分析 考慮，在研究切削加工顫振問(wèn)題時(shí)，多數(shù)學(xué)者選用的動(dòng)力學(xué)模型都是線性動(dòng)力學(xué)模型， 即假設(shè)慣性力

14、與振動(dòng)加速度呈線性關(guān)系變化，阻尼力與振動(dòng)速度呈線性關(guān)系變化，彈性 恢復(fù)力與振動(dòng)位移呈線性關(guān)系變化，且假設(shè)動(dòng)態(tài)切削力也與振動(dòng)響應(yīng)呈線性關(guān)系變化。 根據(jù)線性動(dòng)力學(xué)模型求得的振動(dòng)解與實(shí)際測(cè)量所得到的振動(dòng)響應(yīng)往往差別較大，這說(shuō)明 實(shí)際加工系統(tǒng)不都是線性系統(tǒng)。對(duì)于非線性顫振理論的研究工作只是剛剛開始，尚不夠 系統(tǒng)深入。在非線性顫振理論的研究工作達(dá)到完全可以被理解的程度之前，人們所提供 的振動(dòng)控制技術(shù)不能認(rèn)為是十分完善的。 再生顫振是一種典型的由于振動(dòng)位移延時(shí)反饋所導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象也是金屬切 削機(jī)床發(fā)生自激振動(dòng)的主要機(jī)制之一。在鏜削過(guò)程中其中再生型顫振最為常見。顫振時(shí)， 工件表面出現(xiàn)螺旋紋。依螺旋紋的

15、變化可將鏜削顫振過(guò)程分為無(wú)顫振階段、顫振開始階 段、顫振發(fā)展階段、顫振充分階段。在顫振開始階段，工件加工表面開始出現(xiàn)細(xì)小的螺 旋紋；顫振發(fā)展階段螺旋紋逐漸加深，全顫振充分階段螺旋紋深度穩(wěn)定下來(lái)。 實(shí)驗(yàn)研究表明加工過(guò)程中顫振的發(fā)展過(guò)程有以下特點(diǎn)： (1) 顫振波形類似于諧振波，幅值的增長(zhǎng)是一個(gè)漸變的過(guò)程； (2) 振動(dòng)頻率隨顫振的發(fā)展，逐漸穩(wěn)定到接近系統(tǒng)的固有頻率。此時(shí)振動(dòng)頻率由寬帶 隨機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)檎瓗щS機(jī)過(guò)； (3) 當(dāng)振動(dòng)頻率穩(wěn)定到系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，振動(dòng)幅值尚未達(dá)到充分顫振階段的幅值。 在顫振幅值達(dá)到充分顫振階段前約有400ms至600ms或更長(zhǎng)，這就給快速在線預(yù)報(bào) 和控制鏜削過(guò)程中

16、的顫振提供了識(shí)別和反饋控制的寶貴時(shí)間。 2.2再生顫振系統(tǒng) 機(jī)床機(jī)構(gòu) — ■l-rl f'irl f1 i 圖2-1機(jī)床切削系統(tǒng) 機(jī)床切削系統(tǒng)是由承受切削力的變動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)位移的機(jī)床結(jié)構(gòu)和由于刀具與工 件之間的振動(dòng)位移而產(chǎn)生交變切削力的切削過(guò)程組成的，如圖2-1所示。 在切削過(guò)程中，F(xiàn)(t)作用在機(jī)床結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生振動(dòng)位移X(t)；而另一方面X(t)又引 起瞬間切削厚度變化，而這一變化又會(huì)反過(guò)來(lái)引起切削力F(t)變化。因此，切削 過(guò)程即相當(dāng)于反饋機(jī)構(gòu)，它按照振動(dòng)位移來(lái)控制激振力，從而實(shí)現(xiàn)位移反饋。還 必須看到，瞬間切削厚度不僅與刀刃在當(dāng)時(shí)的振動(dòng)位移

17、有關(guān)，而且還與工件在上 一圈時(shí)的振動(dòng)有關(guān)，由此可見，這里存在振動(dòng)位移的延時(shí)反饋。 在平穩(wěn)切削條件下，工件表面的一層金屬被均勻地切下，此時(shí)切削力F0為 一恒量，此力作用在機(jī)床結(jié)構(gòu)上，引起恒定的變形x0；而恒定的x0又反過(guò)來(lái)保 證切削厚度不變。從理論上講，如果沒(méi)有外界干擾的話，此平穩(wěn)切削過(guò)程似乎可 以一直進(jìn)行下去?？墒窃趯?shí)際加工過(guò)程中存在很多這樣或那樣的擾動(dòng)，因此上述 平穩(wěn)切削過(guò)程注定要受到擾動(dòng)。如果受擾后，切削過(guò)程仍能回復(fù)到平衡狀態(tài)，則 切削過(guò)程是平穩(wěn)的；如果切削過(guò)程愈來(lái)愈遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)，則切削過(guò)程是不穩(wěn)定的。 現(xiàn)假設(shè)在切削過(guò)程中突然受到某一個(gè)干擾產(chǎn)生，例如，刀刃碰到工件材料中 的某一個(gè)硬質(zhì)點(diǎn)

18、，使切削力立即獲得了一個(gè)動(dòng)態(tài)的增量A F(t)，而A F(t)作用在 機(jī)床結(jié)構(gòu)上，引起振動(dòng)X(t)，后者又改變了瞬間切削厚度，從而引起切削力的二次變化， 在一定的條件下我們發(fā)現(xiàn)周轉(zhuǎn)一次以后，切削力的變化增加了；同理， 再轉(zhuǎn)一周之后，切削力有增加了，如此周而復(fù)始，AF(t)及X(t)不斷上升，終于 形成了強(qiáng)烈的自激振動(dòng)，我們把切削過(guò)程中的這類自激振動(dòng)稱為“再生顫振”。 2.3系統(tǒng)切削過(guò)程動(dòng)態(tài)模型 X(t) 圖2-2切削過(guò)程力學(xué)模型 在切削加工狀態(tài)下，由于再生效應(yīng)，考慮正交切削情況，刀具與工件之間的振動(dòng)為 x（t），刀具所受動(dòng)態(tài)切削力f （t），如圖2-2所示，其運(yùn)動(dòng)微分方程為： 梢

19、（n+國(guó)。+煩=-/（,） (2-1) (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) 如果動(dòng)態(tài)切削厚度的變化比較小，則動(dòng)態(tài)切削力f （t）可以表示為 川二#歡-了）］ 式中b—切削寬度（mm） kd—?jiǎng)討B(tài)切削力系數(shù)（N/mm2） T一相鄰兩次切削振動(dòng)波紋的滯后時(shí)間（s） 我們?nèi)钥紤]x（t）為等幅的諧波的情況，即穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間的臨界狀態(tài)。 于是，有 工“ —?。┒?a, cos（由f - G） 式中0 —相鄰兩圈刀刃波紋之間的相位差（rad） 9 =T s = s /n n —工作的轉(zhuǎn)速（r/s ） 將（2-4）、（2-3）代入（2-2），可將式（2

20、-2）整理為 -cos<9）r（01 即史拈）］ 此式明確表示激振力受到振動(dòng)位移與振動(dòng)速度的控制，我們?cè)僖淮巫C明了位移的延 時(shí)反饋相當(dāng)于速度和位移的延時(shí)反饋。 將式（2-5）帶入（2-1）得 "疣(/) + (c _ (r) + k +*M(] _ COS。)] JT(1)= D 我們得到一個(gè)單自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程，其剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)由兩部分 組成，一部分是機(jī)床結(jié)構(gòu)本身的剛度與阻尼，而另一部分則是由于位移延時(shí)反饋，即再 生效益造成的切削過(guò)程的等效剛度與等效阻尼。 由1-cos 9 > 0，且通常有kb(1-cos 6 ) <