機械畢業(yè)設(shè)計論文深孔加工動力減振鏜桿的有限元分析【全套圖紙】

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1、湘潭大學興湘學院 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 減振鏜桿的有限元分析＿ 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學 號： 2010962913＿＿＿＿ 姓 名：＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 指導教師：＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 全套圖紙，加153893706 完成日期： 2014年5月20日＿＿＿＿ 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 論文（設(shè)計）題目： 減振鏜桿的有限元分析 學號： 2010962913 姓名： 專業(yè)：

2、 機械設(shè)計制造及其自動化 指導教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 主要內(nèi)容： 1.鏜刀桿具體在機床中的安裝情況，與刀具的連接情況以及鏜刀桿具體的工作環(huán)境狀況。 2.鏜削加工所能達到的精度以及具體孔加工所要求達到的精度并找出影響這些精度的因素，并對這些因素進行分析，選出主要影響因素。 3.鏜刀桿在加工和使用過程中各個因素（比如：切削用量，外界激勵）對刀桿的強度，剛度，以及震動特性的影響。并求出刀桿應(yīng)力應(yīng)變分

3、布云圖找出應(yīng)力集中的位置和其各階共振頻率和振型圖。 基本要求： 1.大量搜集資料了解鏜桿具體在機床中的安裝、與刀具連接以及工作環(huán)境的情況。讀閱相關(guān)書籍了解鏜削加工的具體方式，各種方式適用的條件，鏜削加工所能達到的精度情況。在孔加工中，找出影響加工質(zhì)量的因素并找出主要因素。 2.建立鏜床刀桿的實體模型。具體采用三維軟件進行模型的建立，選用合適的材料。 2.用有限元軟件進行靜力分析。 3.用有限元軟件進行進行模態(tài)分析。 二、重點研究的問題 通過有限元分析軟件分析出鏜床刀桿在各種邊界約束條件下的應(yīng)力、應(yīng)變，分析出模態(tài)特性，為鏜刀

4、桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工制造提供依據(jù)。 三、進度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間（2013 年） 1 查閱資料并完成開題報告的編寫 3月 1日～3 月 15日 2 進行外文文獻翻譯 3 月16 日～3 月 20日 3 分析，整理資料，看ANSYS教學 3 月25日～3 月 30 日 4 開始進行鏜桿的建模與分析過程 4月1日～4 月 15 日 5 整理分析結(jié)果 撰寫論文，整理全部資料 4 月 16 日～5 月 10日 6 準備畢業(yè)設(shè)計答辯 5 月 10日～5 月28日 7 交論文、畢業(yè)答辯 5 月28日～5 月 30 日 四、應(yīng)

5、收集的資料及主要參考文獻 [1] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社,2002 [2] 劉松主編.有限元分析在鏜桿設(shè)計中的應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2006 [3] 傅志方.振動模態(tài)與參數(shù)識別[M].北京：機械工業(yè)出版社,1990.9 [4] 王守信，董紹華等.銑床振動模態(tài)分析研究[N].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古民族師范學院學報，1995.5 [5] 廖念釗主編.互換性與技術(shù)測量[M].北京：中國計量出版社，1998 [6] 王先上.車床振動的自動控制[N].北京：機械工程學報,1986 [7] 張杰斌，張涌.減振原理在鏜桿上的應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社,20

6、04.11 [8] 郭長城.應(yīng)用減振器控制振動的兩個實例[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005.10 [9] 王民等.切削系統(tǒng)可變剛度結(jié)構(gòu)及其顫振控制方法的研究[N].北京：機械工程學報,2002 [10] 王世龍，王麗娜.提高鏜桿剛度的一種措施[N].吉林：吉林工學院學報，1999 [11] 陳曉霞.ANSYS7.0 高級分析[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004 [12] 李啟堂，胡榮生.動力吸振器在鏜桿中的應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社,1997 目錄 中文摘要..................................................

7、.................................................1 英文摘要...................................................................................................2 第一章 緒論 1.1課題研究的學術(shù)背景.....................................................................4 1.2減振鏜桿的國內(nèi)外研究水平和發(fā)展趨勢.........................

8、............5 1.3課題來源.................................................................................... ...6 1.4主要研究內(nèi)容、設(shè)計方法........................................................ ...7 1.4.1主要研究內(nèi)容..............................................................................7 1.4.2建立減振系統(tǒng)的數(shù)學模型..

9、........................................................7 第二章 有限元分析軟件ANSYS. 2.1有限元分析軟件ANSYS簡介......................................................8 2.2 ANSYS軟件的組成......................................................................8 2.3ANSYS軟件主要特點............................................

10、........................9 第三章 減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)學模型的建立 3.1鏜桿桿體材料的選擇................................ ...................................9 3.2鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計.............................................................................10 3.3阻尼器的設(shè)計..................................................................

11、...... .......10 3.3.1幾種可選材料 ............................................................................10 3.4 阻尼液的選取 ............................................................................. 10 3.5彈簧的選擇............................................................................... ....11

12、 3.6可選材料的特性.............................................................................11 3.7彈簧材料的選取.............................................................................12 3.8減振塊的設(shè)計........................................................................ .......13 3.9刀頭的選擇...............

13、............................................................... .....13 3.9.1減振系統(tǒng)數(shù)學模型的建立 ........................................................13 3.9.2對切削力的分析 ........................................................................14 3.9.3系統(tǒng)運動方程的建立與求解 ...............................

14、.....................14 第四章 模型建立 4.1多剛體動力學模型的建立.................................................. .........15 4.1.1模型的坐標系統(tǒng)........................................................................16 4.1.2模型的建立..............................................................................16

15、 4.2多柔體動力學模型的建立...........................................................16 4.2.1模態(tài)中性文件的建立.......................................................... 16 4.2.2單元類型和材料參數(shù)............................................................17 4.2.3定義單元實常數(shù).............................................

16、.......................18 4.2.4有限元模型的建立................................................................19 4.2.5模態(tài)中性文件(mnf)的輸出...................................................20 4.3 ADAMS與ANSYS的接口........................................................21 第五章 樣機的仿真與參數(shù)化分析 5.1減振系統(tǒng)固有頻率

17、的求取.................................................. .......22 5.2減振系統(tǒng)當量質(zhì)量的確定 ..........................................................23 5.3系統(tǒng)參數(shù)的確定 ................................................................... .....23 5.4模型在頻域內(nèi)的仿真結(jié)果.......................................................

18、....27 5.5結(jié)論.................................................................. ................... ......27 5.6參數(shù)分析................................................................. ....................32 5.7設(shè)計參數(shù)變量化.................................................................. .......32 5.8定義

19、目標函數(shù)................................................................... ....... .32 5.9分析彈簧剛度系數(shù)對刀刃跳動量的影響...................................33 5.9.1分析阻尼系數(shù)對刀刃跳動量的影響......................................33 結(jié)論.............................................................................. ..........

20、..........34 參考文獻.............................................................................. ............34 附件、 外文資料..............................................................................37 深孔加工動力減振鏜桿的有限元分析 摘要 隨著金屬加工行業(yè)的發(fā)展，市場競爭日益激烈，對加工質(zhì)量和加工效率提出了越來越高的要求。深孔加工由于其特殊的加工環(huán)境，使鏜桿桿體的尺寸和形

21、狀都要受到一定的限制，造成了鏜桿的剛度較低，特別是在鏜桿的長徑比比較大的情況下，鏜桿的剛度會更小，這將嚴重影響加工質(zhì)量，甚至使加工無法正常進行。如何減小鏜削過程中的振動已成為迫待解決的問題。 要研究鏜桿的切削過程，就必須建立鏜桿系統(tǒng)的動力學方程。而用傳統(tǒng)的方法是不可能建立一個精確的動力學方程的。虛擬樣機技術(shù)的出現(xiàn)提供了一個解決問題的方法。虛擬樣機技術(shù)的核心是機械系統(tǒng)動力學、有限元理論和控制理論等建模理論及其技術(shù)的實現(xiàn)。有限元分析與機械系統(tǒng)仿真擁有相同的系統(tǒng)動力學求解基礎(chǔ)，它們之間結(jié)合起來，可更好地實現(xiàn)機械系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿恿Ψ抡娣治鲅芯?。利用虛擬樣機技術(shù)可實現(xiàn)機械系統(tǒng)動力學方程的自動生成并精確求

22、解，可在研究階段預(yù)測鏜桿的動力學性能，對這些性能進行優(yōu)化，以達到提高產(chǎn)品性能、縮短開發(fā)時間、減少開發(fā)費用的目的。 本文借鑒了國外先進的鏜桿制造技術(shù)，采用內(nèi)置式動力減振的結(jié)構(gòu)來增加鏜桿的動剛度，并對動力減振鏜桿進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立了減振系統(tǒng)的數(shù)學模型。在運動特性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化中采用虛擬樣機技術(shù)，利用ANSYS軟件聯(lián)合建立了減振系統(tǒng)的多柔體動力學模型。以減小鏜削過程中刀刃的徑向跳動量為目標對動力減振鏜桿虛擬樣機進行仿真優(yōu)化分析，得出了減振系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。 關(guān)鍵詞:減振器；鏜孔；虛擬樣機；動力學仿真；參數(shù)化分析 Dynamic Simulation and Parametric Analy

23、sis of Dynamical Vibration Absorption Boring Bar for Deep-Hole Processing Abstract With the developmem of metal machining industry and the increasingly fierce market competition，the higher demand for machining quality and efficiency is put forward．The size and shape of the boring bar are restric

24、tedbecause of the special machining condition in the deep—hole processing．This produces the low stiffness of the bodng bar which will become lower especially with the big length—diameter ratio ofthe b ar．Thc machining quality will be badly affected and the machining call not be on the rails due to t

25、he lower stiffness．How to reduce the vibration in the boring processing has become an urgent problem． The dynamical equation of boring bar system must be build up for studying the cutting processing of the boring bar．But all accurate dynamical equation can not be built with the traditional method．

26、The appearance of virtual prototype technology offers a way tO solve the problem，The core of the virtual prototype technology is on the realization of modeling theories and technology,mechanical system dynamics，finite element theory and control theory,etc．The finite element analysis and mechanical s

27、ystem simulation，which have the same solution foundation of systematic dynamics，combine to achieve accurate simulating analysis of coupling motive between the rigid and flexible．By using virtual prototype technology,we carl realize the automatically building and accurately solving of the mechanism s

28、ystem dynamical equation，predict and optimize the system dynamics performance in the course of studying．11le improvement of product properties，construction period and expense reduction are achieved． Reference of the foreign advanced manufacture technology of boring bar is used in this article．We ad

29、opt a boring bar with dynamical vibration absorption system in it tO increase the stiffness of the boring bar,design its structure，set upthe mathematicaI model of the vibration absorption system．In the movement characteristic analysis and structure optimization virtual prototype technology is adopte

30、d，and multi flexible body dynamical model of the vibration absorption system are build up by using the So,ware of ADAMS and ANSYS．Aiming at reducing the radial vibrational value of the edge of knife in the boring processing，the virtual prototype of vibration absorption boring bar have been simulated

31、， optimized and analyzed，and optimized parameter are obtained finally． The analysis skill and the conclusion，especially the building and simulation result of the vibration absorption model，providing reliable evidence for the boring bar with dynamical vibration absorption system in it，are importan

32、t reference for the method of dynamical vibration absorption and the development and research of severaI of vibration absorption boring bar． Keywords vibration absorber；boring operation；virtual prototype； dynamic simulation；parametric analysis 第1章緒論 1．1課題研究的學術(shù)背景 任何一個強大的國家都必須具有包括金屬切削加工在內(nèi)的

33、強大制造業(yè)基礎(chǔ)。在整個2l世紀中，金屬切削加工仍是機械制造業(yè)的主導方法。切削加工技術(shù)廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并且要求越來越高，特別是對加工精度的要求也越來越嚴格。在很多情況下，為了滿足對加工的要求，對刀具的性能提出了更高的要求，這種情況在轎車工業(yè)中體現(xiàn)得最為明顯。從80年代起，我國相繼從德國、美國、法國、日本等國引進了較先進的轎車車型和數(shù)控自動生產(chǎn)線，這使我國轎車的制造工業(yè)得到了空前地發(fā)展。在轎車制造工業(yè)中，決定轎車性能和技術(shù)水平的大多數(shù)關(guān)鍵零、部件是通過刀具切削加工最終完成的。并且，切削刀具的性能已成了提高轎車零、部件自動生產(chǎn)線加工工藝技術(shù)水平、生產(chǎn)效率、制造精度和降低成本的重要保證。同樣在加

34、工航空航天等軍品工件時。為了提高工件的綜合性能來達到某些特殊的要求，需要一次成型，所利用的刀具必須實現(xiàn)特殊功能。 在機械加工中內(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，所以深孔加工問題是否解決好，將會直接影響機器產(chǎn)品的生產(chǎn)進度和產(chǎn)品質(zhì)量。特別是在重型機器制造業(yè)中，能否掌握它，運用自如，將會對生產(chǎn)有著決定性的影響，也影響到機器產(chǎn)品的質(zhì)量。而深孔加工中最常見的疑難問題就是細長車刀和鏜桿的長徑比不夠或動剛度不夠，從而不能滿足被加工工件的要求． 通常，長徑比小于4的鏜桿在加工工件時不會產(chǎn)生振動。但是在許多應(yīng)用中，例如在車

35、內(nèi)螺紋和內(nèi)表面開槽時，振動有可能在長徑比為2．3之間時就開始了“。當鏜桿受到一個持續(xù)的切削力時，稈長從桿直徑的4倍增加到10倍時偏差將增加16倍。在同樣的切削力作用下，桿長迸一步增加到桿直徑的12倍時，將增加另外的70％的偏差。對于同樣的切削力，保持鏜桿的直徑不變的情況下桿直徑由25mm增加雪]32mm會減少62％的偏差。也就是說，在鏜桿的長徑比大于4倍時，鏜桿本身的剛度已經(jīng)明顯達不到加工的要求。減少鏜桿懸伸長度和增加鏜桿桿體的直徑對于減少鏜桿的變形量是有利的。但是，由于受加工工件尺寸的限制，改變這兩個參數(shù)是不現(xiàn)實的．另外，通過減少切削用量來降低切削力也可以達到減少鏜桿變形量的目的，但這樣勢必

36、會導致生產(chǎn)效率下降，而且在某些情況下，即使減小切削力也不能達到加工要求，所以這也不是最好的解決方法 為解決此類問題，本文采用內(nèi)置式動力減振結(jié)構(gòu)的防振鏜桿，它可以在造價相對比較低的情況下，實現(xiàn)較大長徑比。在機械加工中，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用此減振鏜桿，對提高內(nèi)表面質(zhì)量以及加快切削速度都會有很大的幫助。 1．2減振鏜桿的國內(nèi)外研究水平和發(fā)展趨勢 鏜桿對孔進行加工的方式在傳統(tǒng)上稱為鏜孔加工。鏜孔加工可以在鏜床上進行，也可以在普通車床或者在數(shù)控車削加工中心進行加工。 鏜孔加工與一般的軸類加工有所區(qū)別。一般車床

37、車削軸類零件時，為了使刀具的剛度達到要求，并保證加工的質(zhì)量，刀具形狀可以選擇得比較租、比較短。但在進行鏜孔加工的時候，鏜桿是在被加工的工件內(nèi)，鏜桿的尺寸和形狀都要受到一定的限制，造成了刀具的剛度較低，特別是在孔徑較小、孔深值比較大的情況下，鏜桿的剛度將會更?。捎?，在切削時，剛度較低的情況下很容易引起切削振動，因此為了減少振動應(yīng)盡量增大鏜桿的動剮度。 減振鏜桿在機械行業(yè)的研究中，已經(jīng)有很長的歷史了，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)出性價比較好的產(chǎn)品。 在國外，日本三菱公司和東芝公司已經(jīng)有系列化的產(chǎn)品。如圖1．1所示，三菱公司的設(shè)計思想是減輕

38、鏜桿的頭部重量，從而使鏜桿的動剛度在很大程度上得到改良。從材料力學的角度進行分析可以知道，這種刀具利用了細長杠桿的端部應(yīng)力的邊緣效應(yīng)，即杠桿端部受垂直于杠桿的作用力時，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。當鏜桿頭部所受的作用力偏離中心時，頭部遠離作用力的部分內(nèi)應(yīng)力比較小。所以當鏜桿受到偏心力時，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，同時鏜桿的動剛度在很大程度上的得到了改良。但是應(yīng)當指出這種處理辦法還存在很多的問題，其主要問題是采用頭部切除法有很大的局限性，即其長徑比不能達到太大。 東芝公司的減振鏜桿是在刀具的兩邊平行的切掉一

39、部分，再用剛度和強度大的材料嵌在兩邊，從而提高鏜桿的靜剛度。如圖1．2所示，這種鏜桿的原理簡單，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，因此長徑比的值也受一定的局限。 美國Kenametal公司生產(chǎn)的減振鏜桿(最大長徑比LfD=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(最大長徑比UD=16)是目前最先進的鏜桿，它所采取的方法是給鏜桿加內(nèi)置減振器，如圖1．3所示。這雖然提高了鏜桿的動剛度，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

40、壽命嚴重地影響這種鏜桿的使用壽命。 國內(nèi)的一些減振鏜桿很多都處于研究階段，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)合金的鏜桿嗍嘲。但是大部分的減振措施都是在工藝上進行改良或是在加工過程中采用一些技巧。 到目前為止，國內(nèi)的工具廠商還沒有在減振鏜桿的制造方面有大的進展，特別是在制造長徑比比較大的鏜桿方面，而且對內(nèi)置式減振鏜桿的開發(fā)工作也還很少。 1.3課題來源 本課題來源于齊齊哈爾第一機床廠實際應(yīng)用項目，解決的問題是如何減小 切削過程中鏜桿的徑向彎曲振劫．增加鏜桿的動剛度，減小刀刃在切削時的徑 向跳動量是提高深孔加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵。 1．4主

41、要研究內(nèi)容、設(shè)計方法 1．4．1主要研究內(nèi)容 由于在深孔加工中鏜稈的彎曲振動對孔的加工質(zhì)量及對孔的二次加工的影響尤為重要，因此本課題的主要目的是降低鏜桿在鏜削過程中的彎曲振動，即減小刀刃的徑向跳動量，從而提高深孔的加工質(zhì)量。 利用軟件ANSYS求出鏜桿系統(tǒng)數(shù)學模型所需的參數(shù)。 1．4．2建立減振系統(tǒng)的數(shù)學模型 1)簡化模型； 2)建立動力學方程； 3)解方程，得到各參數(shù)之間的關(guān)系． 第2章 有限元分析軟件ANSYS 2．1有限元分析軟件ANSYS簡介 ANSYS軟件誕生于上世紀70年代，在有限元的發(fā)展史上，一直作為一個重要成員存在，在激

42、烈的市場競爭中，生存下來并不斷發(fā)展壯大，目前是世界上最有影響的有限元軟件之一。 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接I：1，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro／Engineer, NASTRAN，PATRAN，SolidEdge，I--DEAS，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD工具之一。 本課題充分利用ANSYS強大的建模功能，生成了虛擬樣機的彈性部件，并通過與ADAMS的接口命令輸出了模態(tài)中性文件，為振動系統(tǒng)模型的建立奠定了基礎(chǔ)。 2．2 ANSYS軟

43、件的組成 ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。 1．前處理模塊它為用戶提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型，軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料 2．分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的禍合分析，可模擬多物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。 3．后處理模塊可將計算結(jié)果以色彩等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來，

44、也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 2．3 ANSYS軟件主要特點 ANSYS軟件有如下技術(shù)特點： 1．唯一能實現(xiàn)多場及多場耦合分析的軟件。 2．唯一實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型FEA軟件。 3．唯一具有多物理場優(yōu)化功能的FEA軟件。 4．強大的非線性分析功能。 、 5．多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置。 6．支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)格浮動，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件兼容。 7．強大的并行計算功能，支持分步式并行及共享內(nèi)存式并行。 8．豐富的網(wǎng)絡(luò)劃分工具，支持自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格、智能網(wǎng)格、自適應(yīng)網(wǎng)格等，

45、以確保單元形態(tài)及求解精度。 9．完全交互式的前后處理和圖形軟件，大大減輕了用戶創(chuàng)建工程模型、生成有限元模型以及分析和評價計算結(jié)果的工作量。 10．ANSYS系列的各種產(chǎn)品和適應(yīng)于各種計算機系統(tǒng)平臺的版本為用戶提供了各種可能的選擇。 第3章減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)學模型的建立 3．1鏜桿桿體材料的選擇 這里我們所研究的主要是鏜桿的振動特性，而在模型中我們所關(guān)心的是決定鏜桿桿體所用材料的特性參數(shù)——密度和彈性模量的值。為了使模型適合對不同材料的鏜桿的研究，我們將在模態(tài)中性文件的建立中對桿體的材料采用參數(shù)化的描述。在系統(tǒng)中選用45鋼來做桿體的材料，如選用其他的材料可通過直接修改相應(yīng)

46、的變量值來實現(xiàn)。 3．2鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計 這里我們將選用長度為500mm、直徑為50mm的桿體進行設(shè)計。對于給定減振塊的減振系統(tǒng)的減振效果由減振塊所在點的振動幅值來確定。因此，減振塊通常被安裝在桿的最遠端。另一個決定減振效果的因素是減振系統(tǒng)內(nèi)部減振塊的質(zhì)量值。在減振系統(tǒng)中減振塊必須放在桿的內(nèi)部。這就限制了減振器沿桿軸向的位置和內(nèi)部減振塊的尺寸。減振塊必須放在直徑比桿直徑小許多的內(nèi)孔中。為了達到理想的減振效果，減振塊必須選用密度值非常大的材料。動力減振鏜桿的基本結(jié)構(gòu)如圖3．1所示。 在圖3-l所示的動力減振鏜桿中，減振塊由兩個O型橡膠圈支撐，并且，減振塊被特殊的油狀液體所環(huán)繞。橡膠

47、在徑向的變形與負載之間具有非線性特性。在加工過程中諧振蕩(振動)一旦產(chǎn)生，減振系統(tǒng)將立即發(fā)揮作用，鏜桿的動能將被減振系統(tǒng)吸收。這樣就使振動最小化，切削工況最優(yōu)化。這種結(jié)構(gòu)的鏜桿抗顫振能力更強，加工范圍廣。 鏜桿桿體的尺寸選擇如圖3-2所示，但這些尺寸需要經(jīng)過仿真試驗才能知道正確與否。 3．3阻尼器的設(shè)計 阻尼器放置在減振鏜桿的內(nèi)部，并且只有在桿體和減振塊之fBJ時才能起到減振作用，因此，阻尼器需要選擇粘度系數(shù)比較大的液體或者是固液混合物。在鏜桿進行切削加工時，鏜桿的內(nèi)部溫度會升高，但由于冷卻液和切屑帶走了大部分熱量使得鏜桿桿體內(nèi)壁溫度不致于過高，這樣給我們選擇阻尼材料帶來很大

48、方便“”。硅油是一種比較好的液體阻尼材料，很多國外的刀具選用硅油作為減振鏜桿的阻尼材料，下面是一些硅油阻尼材料，我們將對他們的特性進行分析比較。 3．3.1幾種可選的材料 1．甲基硅油甲基硅油是一種無色透明的油狀液體。品種較多，運動粘度可調(diào)整范圍為10．1000(MPa·s)，同時它的保存時問較長。而且它的顆粒大，不易泄漏?？梢娂谆栌褪且环N很好的阻尼材料，完全可以用在此減振鏜桿中。 2．高粘度乙基硅油外觀無色或淡黃色液體，20℃粘度(MPa·s)：10000- 100000。乙基硅油對金屬無腐蝕，且具有粘度隨溫度變化小、凝固點低、耐高溫、抗氧化、防水性、介電性和潤滑性能好。同時他還有較

49、低的蒸汽壓、較小的揮發(fā)性、較大的可壓縮性和低的表面力。所以它也是很好的阻尼材料。 3．4阻尼液的選取 為了選用合理的材料作為阻尼液，先把阻尼液的參數(shù)假定，經(jīng)過仿真后再確定阻尼液的最佳參數(shù)值。在后面章節(jié)的動力學仿真中，模型可以實現(xiàn)的仿真和優(yōu)化是振動過程中阻尼液對減振塊的線性阻尼系數(shù)。而要把阻尼液對減振塊的阻尼系數(shù)轉(zhuǎn)換成阻尼液的粘度系數(shù)，從而精確地選材，還需要通過不同工況下的具體實驗來解決。 3．5彈簧的選擇 減振彈簧也是減振系統(tǒng)的一部分，彈簧的形狀和大小以及彈簧材料的彈性模量直接影響彈簧彈性系數(shù)和物理性能。 3．6可選用材料的特性 彈簧可以選擇的材料有金屬橡膠、橡膠、尼龍、以及

50、其他有機物，下面對這些材料進行比較。 金屬橡膠彈簧具有一系列優(yōu)點： 1．可以根據(jù)需要選擇金屬和橡膠的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)整橡膠配方和成形工藝來控制彈性系數(shù)，以滿足各項剛度和強度的要求； 2．有適當?shù)淖枘幔欣谠竭^共振區(qū)，衰減和吸收高頻振動與噪音； 3．沖擊剛度大于動剛度和靜剛度，有利于緩和沖擊； 4．體積小，重量輕，免維修。 橡膠材料具有顯著的高彈性，在外力作用下，很容易發(fā)生極大的變形，但除去外力以后又恢復原來的狀態(tài)，這是橡膠區(qū)別于其他材料的最主要的特性。此外，橡膠還具有極高的可撓性、耐磨性、耐腐蝕性但橡膠在200Hz附近振動的傳遞能力隨頻率起伏不定。 3．7彈簧材料的選取 雖然橡膠

51、圈在徑向的變形與負載之間具有非線性特性，但由于變形量很小，在做仿真和優(yōu)化時可認為是線性變形，并用作用在減振塊質(zhì)心上的線性彈簧代替減振塊兩端的O形支撐橡膠圈。彈簧材料的選取應(yīng)根據(jù)模型仿真優(yōu)化后所求得的彈簧的剛度系數(shù)來選取。 3．8減振塊的設(shè)計 減振塊的材料選擇是減振系統(tǒng)的一個關(guān)鍵，國外的減振鏜桿一般選擇密度比較高的“重合金”作減振塊?！爸睾辖稹边@類材料通常為密度很高，超過1 7∥cm3的鎢基合金。粉末混合物所產(chǎn)生的傳統(tǒng)的W-Ni。Fe和W-N扣Cu重合金具有滿足常規(guī)要求的力學性能：極限抗拉強度650,．-700MPa、沖擊強度10,．．30J／cm2，延伸率6．50／o-7．5％。由于新技術(shù)

52、的發(fā)展對重合金的要求越來越苛刻，要求合金有更高的力學性能。 本文選擇密度為11．35∥cm3的鉛作為減振塊的材料，這是因為鉛的價格較低并容易獲得，若需更好的減振效果則可以選擇密度更大的“重合金”。而在動力學仿真當中可以采用參數(shù)化的設(shè)計使減振塊的質(zhì)量為一變量，從而使減振模型適合不同密度的減振塊的分析。減振塊體積的選取受到內(nèi)孔的限制，在設(shè)計中選用長為120ram、半徑為10mm的圓柱體?？傻脺p振塊的質(zhì)量m，=0．426kg。本文選擇密度為11．35∥cm3的鉛作為減振塊的材料，這是因為鉛的價格較低并容易獲得，若需更好的減振效果則可以選擇密度更大的“重合金”。而在動力學仿真當中可以采用參數(shù)化的設(shè)計

53、使減振塊的質(zhì)量為一變量，從而使減振模型適合不同密度的減振塊的分析。減振塊體積的選取受到內(nèi)孔的限制，在設(shè)計中選用長為120ram、半徑為10mm的圓柱體?？傻脺p振塊的質(zhì)量m，=0．426kg。 3．9刀頭的設(shè)計 目前大多數(shù)產(chǎn)品的刀頭都用輕質(zhì)鋁合金制成，還有許多廠家采用了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的刀頭，目的就是想減輕刀頭的質(zhì)量，提高鏜桿整體的減振效果。本課題采用鋁合金刀頭，在樣機中刀頭的材料屬性用鋁來代替。由于在樣機中刀頭被看成是剛體，因此刀頭的質(zhì)心決定了刀頭的位置，而和刀頭的外部形狀無關(guān)，因此可任選刀頭的形狀。在實際的應(yīng)用中可通過修改刀頭質(zhì)心的位置來確定刀頭的位置。 3．9. 1減振系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

54、對減振系統(tǒng)進行簡化，并建立簡化系統(tǒng)的動力學方程也是很必要的。通過對簡化后的減振系統(tǒng)運動方程的求解，可以對系統(tǒng)的運動特性作定性的理論分析，并可以求出ADAMS下模型的初始輸入?yún)?shù)，從而保證參數(shù)優(yōu)化時優(yōu)化過程的快速收斂。 3．9. 2對切削力的分析 通常把在沒有振動的條件下進行的切削過程稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)切削過程，而把產(chǎn)生振動的切削過程稱為動態(tài)切削過程。前者在切削過程中產(chǎn)生的切削力是穩(wěn)定不變的，而后者的切削力則是周期性變化的。如果把鏜桿整體看成一個系統(tǒng)，那么鏜桿所受的切削力就是系統(tǒng)的外部輸入，而系統(tǒng)的輸出為鏜桿切削刃的位移量。為了研究鏜桿系統(tǒng)在各種工況下的振動幅值，就必須研究振動模型在整個頻域內(nèi)的

55、幅頻響應(yīng)特性。這里我們假設(shè)鏜桿系統(tǒng)所受的動態(tài)切削力為300N的正弦力。 3．9. 3系統(tǒng)的簡化 減振系統(tǒng)的桿體是由一個連續(xù)體和一個振動單元組成的，如圖3．1所示。根據(jù)振動力學的理論分析可以知道，這樣的系統(tǒng)建立方程很不方便，必須進行簡化。 減振鏜桿的模型可以簡化為如圖3-3所示。 在圖3．3中為簡化模型的方便，選取了鏜桿桿體內(nèi)孔的中心點(即圖3．2中的A點)作為研究振動的點，鏜桿的質(zhì)量將被集中在這一點，可以認為有一個質(zhì)量塊等效地加在這一點，等效質(zhì)量塊的質(zhì)量就是鏜桿的當量質(zhì)量，鏜桿在此研究點的剛度被看作是彈簧的彈性系數(shù)kl?？諝饽Σ梁屠鋮s液的阻尼影響，根據(jù)不同的情況，可以取不同的值

56、。當鏜桿的振動頻率較低時，可以忽略不計；而當振動頻率較高時，空氣阻尼有時可以忽略，但冷卻液的阻尼卻不可以忽略。 這樣就把減振鏜桿系統(tǒng)簡化成了具有兩個自由度的有阻尼振動系統(tǒng).我們把由m1,k1組成的系統(tǒng)稱之為主系統(tǒng)，把由m2,k2和c組成的減振裝置稱之為減振器。 3．9. 4系統(tǒng)運動方程的建立與求解 下面首先建立簡化系統(tǒng)的運動方程： 根據(jù)運動方程，可求得主質(zhì)量和輔助質(zhì)量的相對振幅為： 式中A1,A2---主質(zhì)量、輔助質(zhì)量的振幅： 由上圖可知，不同阻尼比的所有曲線都經(jīng)過P、Q兩點。因此這兩點的位置與阻尼無關(guān)。在設(shè)計有阻尼動力減振器時，應(yīng)保證減振器在整個頻率范圍內(nèi)

57、，都有較好效果，為此，應(yīng)使P、0兩點的縱坐標相等，而且成為幅頻響應(yīng)曲線的最高點。如圖3-5所示。 根據(jù)以上公式，即可確定有阻尼動力減振器各個參數(shù)的值。由式(3-7) 可以看出，增加質(zhì)量比U1，主系統(tǒng)的振幅4將減小，減振效果提高。 振鏜桿的結(jié)構(gòu)特點限制了減振塊體積的上限。因此我們在設(shè)計減振塊時，應(yīng)選擇密度大的材料，并在盡量使減振塊體積比較大的情況下合理選擇減振腔的結(jié)構(gòu)。根據(jù)減振腔的結(jié)構(gòu)確定減振塊的形狀，從而確定減振塊的質(zhì)量肌，。通過在ADAMS中對虛擬樣機進行仿真并進行頻域內(nèi)的分析，可求出減振鏜桿在研究點處的剛度k1與當量質(zhì)量m1。由式(3-6)求出最佳固有頻率比，根據(jù)aop和

58、m2得減振器的彈簧剛度K2，再用式(3．5)算出最佳阻尼比Sop及相應(yīng)的阻尼系數(shù)c．還應(yīng)注意到一點，減振器安裝在鏜桿桿體內(nèi)，因此減振塊的運動方程受到客觀條件的限制，即減振塊和桿體的位移差不能大于減振鏜桿內(nèi)腔直徑與減振塊直徑差的一半。 第四章 多剛體動力學模型的建立 鏜桿刀刃的徑向跳動量是影響加工質(zhì)量的主要因素，因此必須研究鏜桿在外界激勵下的彈性變形。而徑向跳動量的減小是通過鏜桿內(nèi)的減振單元與桿體的相互作用來實現(xiàn)的，所以對該減振系統(tǒng)的研究屬于多柔體系統(tǒng)動力學范疇。針對該減振系統(tǒng)的特點，可選用有限元分析軟件ANSYS和多體動力學仿真軟件ADAMS聯(lián)合建立減振系統(tǒng)的動力學仿真模型。

59、 4．1多剛體動力學模型的建立 4．1．1模型的坐標系統(tǒng) ADAMS采用了兩種直角坐標系：全局坐標系和局部坐標系，他們之間 通過關(guān)聯(lián)矩陣相互轉(zhuǎn)換。全局坐標系是固定坐標系，他不隨人和機構(gòu)的運動而運動。它是用來確定構(gòu)件的位移、速度、加速度等的參考系。局部坐標系固定在構(gòu)件上，隨構(gòu)件一起運動。ADAMS自動為每一個部件選擇一個基點。并自動以此基點為原點建立一個局部坐標系，構(gòu)件在空間運動時，其運動的線物理量(如線位移、線速度)可由局部坐標系相對于總體坐標系移動、轉(zhuǎn)動時的相應(yīng)物理量確定。本模型的全局坐標系以鏜桿桿體軸心線為z軸，其正方向為鏜桿的刀頭端，鏜桿桿體與機床的圓切面中心作為原點，Y軸方向

60、垂直向上。x，y，z三軸 構(gòu)成右手笛卡幾坐標系。局部坐標系則由ADAMS在每個部件上自動建立。 4．1．2模型的建立 在建立模型前需做如下假設(shè)： 1．裝配間隙為零，制造誤差忽略不計； 2．橡膠圈和阻尼液由線性彈簧和線性阻尼代替； 3．除了彈性元件——鏜桿桿體外，各部件均視為剛體。 4．在切削過程中影響表面加工質(zhì)量的主要因素是刀刃的徑向跳動量，所以在計算和仿真的時候，只考慮引起鏜桿徑向彎曲的正弦力。 經(jīng)過合理簡化后，可以直接用動力學仿真軟件ADAMS進行多剛體動力學模型的建立。所建模型如圖4．1所示。 這時，對模型進行檢驗，會彈出如圖4-2所示的警告對話框。這是因為所建立的

61、多剛體動力學模型的自由度為0，而在ADAMS中的剛性形體又是不可變形的，因此，整個系統(tǒng)是一個不可動的機械系統(tǒng)。這就需要引進彈性體使鏜桿的桿體變“軟”． 4．2多柔體動力學模型的建立 用動力學仿真軟件ADAMS建立起來的模型為多剛體系統(tǒng)，要加入柔性的鏜桿桿體，使系統(tǒng)能夠在外部激勵下產(chǎn)生振動，還必須輸入桿體的模態(tài)中性文件(．Mnf文件)。具體步驟如下： 1．進入ANSYS程序，建立柔性體模型。并選擇適當?shù)膯卧愋蛠韯澐謫卧? 2．在柔性體與剛性體的聯(lián)接處建立節(jié)點，此節(jié)點在ADAMS中將作為外部節(jié)點使用，如果在聯(lián)接處為空洞，則需在此處創(chuàng)建一個節(jié)點，并使用剛性區(qū)域處理此節(jié)點(外部節(jié)點

62、)與其周圍的節(jié)點； 3．選擇外部節(jié)點，運行ANSYS的宏命令A(yù)DAMS生成ADAMS程序所需的模態(tài)中性文件； ． 4．進入ADAMS程序，通過ADAMS／Flex模塊讀入模態(tài)中性文件(．mnf文件)以建立多柔性體模型； 5．指定柔性體與剛性體的連結(jié)方式，如有必要，需使用無質(zhì)量聯(lián)接物體，按照實際情況定義載荷和邊界條件． 4．2. 1模態(tài)中性文件的建立 在ADAMS／View中使用的模態(tài)中性文件(．mn政件)可以由各種有限元分析軟件來生成。目前可以生成．mn伎件的大型有限元分析軟件主要有ABAQUS、ANSYS、I-DEAS和MSC／NASTRAN等㈨．本文選用目前應(yīng)用最廣

63、泛的有限元分析軟件ANSYS來進行J皿紋件的制作。 4．2．1．1有限元模型的建立方法及步驟 為了生成能夠恰當?shù)孛枋瞿Ｐ蛶缀涡再|(zhì)的有限元模型，通常情況下需要首先建立幾何模型。建立幾何模型時，原則上應(yīng)盡量準確地按照實際物體的幾何結(jié)構(gòu)來建立，但對于結(jié)構(gòu)形式非常復雜，而對于要分析的問題來講又不是很關(guān)鍵的局部位置，在建立幾何模型時可以根 據(jù)情況對其進行簡化，以便降低建模的難度，節(jié)約工作時間。ANSYS程序提供了以下3種生成模型的方法： 1．用ANsYS創(chuàng)建一個幾何模型； 2．利用直接生成方法： 3．輸入在計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)創(chuàng)建的模型。 ANSYS提供了與其他CAD軟件和有限元分

64、析軟件的接口程序，這樣，用戶就可以在自己熟悉的CAD軟件中建立幾何模型，然后輸入到ANSYS中，作適當?shù)男薷暮筠D(zhuǎn)化成ANSYS的幾何模型。這種建模方法適合過于復雜的幾何模型。本文利用ANSYS自身的建模功能進行鏜桿桿體的幾何建模。 對建立的幾何模型劃分網(wǎng)格，生成包含節(jié)點和單元的有限元模型。有限元網(wǎng)格的劃分過程包括3個步驟： 1．定義單元屬性。包括指定單元類型、分配實常數(shù)或者截面屬性、分配材料屬性等。 2．設(shè)置網(wǎng)格控制。 3．生成網(wǎng)格。 4．2．1．1單元類型和材料參數(shù) 在有限元分析模型的建立過程中，首先要選擇單元類型和材料參數(shù)。我們首先選擇具有中間節(jié)點的耦合單元SOLID92，該單

65、元為10節(jié)點四面體單元，由于具有中間節(jié)點，特別適合于對不規(guī)則的實體(如通過各種CAD／CAM軟件建立的實體模型)進行建模。而桿的兩端與剛性體的聯(lián)接處應(yīng)優(yōu)先考慮使用梁單元建立的蜘蛛網(wǎng)狀的剛性區(qū)域。這是由于這種方法使力分布在整個受力面上，梁單元可以提供六個方向的自由度，并且可以傳遞瞬間載荷。這里我們選用適合于剮性區(qū)域建模的兩節(jié)點3D彈性梁單元BEAM4。 4．2．1．2定義單元實常數(shù) 單元實常數(shù)是依賴單元類型的單元特性，并不是所有的單元類型都需要實常數(shù)，在本文中需要為單元BEAM4定義實常數(shù)。對于梁和殼單元類型，ANSYS可以通過給定的截面直接計算出所需的實常數(shù)，而不需手工一一計算

66、和指定嘲。這里我們利用ANSYS軟件直接計算得出單元BEAM4的實常數(shù)。計算所得結(jié)果如圖4-4所示。 4．2．1．3有限元模型的建立 在ANSYS中進行幾何建模并對模型進行自由網(wǎng)格劃分。在桿的兩端和研究點A處創(chuàng)建節(jié)點，并分別使用剛性區(qū)域連接這三個節(jié)點與其周圍的節(jié)點?？傻玫饺鐖D4—6的有限元模型。 圖4-6有限元模型 Fig4-6 Finite element model 4．2．1．4模態(tài)中性文件(mnf)的輸出 運行ANSYS的宏命令A(yù)DAMS，選擇三個外部節(jié)點，并設(shè)制單位，生成ADAMS程序所需的模態(tài)中性文件。 由于本文在ADAMS中的所有單位都采用國際單位，因此在．mnf文件的輸 出過程中必須指定ANSYS中所使用的單位系統(tǒng)。具體設(shè)置如圖4-7所示。 4．2．2 ADAMS與ANSYS的接口 通過ANSYS軟件與ADAMS軟件之間的雙向接口可以得到基于動力學仿真結(jié)果的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果，提高計算精度。 在一般的整合程序中，CAD軟件的功能將被用來進行實驗?zāi)Ｐ偷慕?，并將零部件的實體模型組裝成系統(tǒng)的實體模型。此時，ADAMS將