減振鏜桿的有限元分析正文

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

2、書簽。 致謝 錯誤！未定義書簽。 參考文獻： 錯誤！未定義書簽。 附件I英文文獻翻譯 錯誤！未定義書簽。 附件II英文文獻原文 錯誤！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程中產(chǎn)生振顫的機理，建立了減振鏜桿的動力學(xué)模型。論述動力減振 鏜桿的工作原理，通過簡化動力學(xué)模型建立微分方程。在理論基礎(chǔ)上通過實驗分析動力減振鏜桿的 減振效果和動態(tài)性能，并測定其最佳狀態(tài)下的性能參數(shù)。試驗結(jié)果確定了動力減振器的減振特點， 為實際生產(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 減振鏜桿的國內(nèi)外研究水平和發(fā)展趨勢 在機械生產(chǎn)過程當(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 和切削過程中顫振對其產(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 過程中的切削效率，而且還會在加工工件的表面留下振紋，影響加工精度。切削顫振是 金屬切削過程中刀具與工件之間產(chǎn)生的一種十分強烈的相對振動，其產(chǎn)生的原因和發(fā) 生、發(fā)展的規(guī)律與切削加工過程本身及金屬切削系統(tǒng)動態(tài)特性都有著內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系， 影響因素很多，是一個非常復(fù)雜

6、的機械振動現(xiàn)象。 深孔鏜削過程中刀具通常會產(chǎn)生振顫。加工過程中產(chǎn)生的振動按產(chǎn)生原因分為自由 振動、受迫振動和自激振動。其中自由振動是由于初始系統(tǒng)受外界的干擾所致，屬于阻 尼衰減振動;受迫振動是由于轉(zhuǎn)動部件的自身缺陷產(chǎn)生的，可以通過刀具的振動頻率找 到可疑振動源。自激振動又分為:初始振動和再生振動，初始振動是由于刀具本身的固有 頻率與加工系統(tǒng)中的某個工作頻率相同而產(chǎn)生的共振;再生振動是在連續(xù)加工過程中切 削表面的不連續(xù)性產(chǎn)生的。 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

7、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。 一般情況下,影響金屬加工表面的質(zhì)量因素有機床本身、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剛度和幾何參數(shù)。對于一般的刀桿， 在長徑比超過4倍時刀具本身將產(chǎn)生振顫，使得加工無法進行。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，為了使刀具的剛度達到要求,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剛度。 減小刀桿懸伸長度和增加刀桿的直徑對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，改變這兩個參數(shù)是不現(xiàn)實的。另外,通過減小切削量來降低切削力也可 以達到減小刀桿變形量的目的，但這樣勢必會導(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到加工要求。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

9、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。 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。 目前市場上流行的各種減振鏜桿主要以國外產(chǎn)品為主，比如瑞典的山特維克，美國的肯 納，在我國由于試驗，調(diào)試過程的復(fù)雜，尚沒有相關(guān)的成熟產(chǎn)品上市。 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。三菱公司的設(shè)計思想是減 輕鏜桿的頭部重量，從而使鏜桿的動剛度在很大程度上得到改良舊

10、。從材料力學(xué)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(dāng) 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(dāng)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(dāng) 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部分，再用剛度和強度大的材料 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Kenameta l公司生產(chǎn)的減振鏜桿（最大長徑比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（最大長徑比L/D=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。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

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。 第2章 顫振的機理及穩(wěn)定性分析理論 2.1再生顫振的機理 現(xiàn)代的顫振理論指出，顫振是一種氣動彈性動力不穩(wěn)定的現(xiàn)象。鏜削顫振是氣流中 的運動的鏜削加工設(shè)備和工件在空氣動力、慣性力和彈性力的相互作用下形成的一種自 激振動。低于顫振速度時，振動是衰減的；等于顫振速度時，振動保持等幅值；超過顫 振速

13、度時，在多數(shù)情況下，振動是發(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 機理，因而也就有不同的消振減振方法。從實際解決現(xiàn)場生產(chǎn)中發(fā)生的機械加工振動問 題考慮，正確識別機械加工振動的類別是十分重要的。一旦明確了現(xiàn)場生產(chǎn)中發(fā)生的振 動主要是屬于哪個類型的顫振，便可有針對性地采取相應(yīng)的消振減振措施，使振動減小 到許可的范圍內(nèi)。 從簡化分析考慮，在研究切削加工顫振問題時，多數(shù)學(xué)者選用的動力學(xué)從簡化分析 考慮，在研究切削加工顫振問題時，多數(shù)學(xué)者選用的動力學(xué)模型都是線性動力學(xué)模型， 即假設(shè)慣性力

14、與振動加速度呈線性關(guān)系變化，阻尼力與振動速度呈線性關(guān)系變化，彈性 恢復(fù)力與振動位移呈線性關(guān)系變化，且假設(shè)動態(tài)切削力也與振動響應(yīng)呈線性關(guān)系變化。 根據(jù)線性動力學(xué)模型求得的振動解與實際測量所得到的振動響應(yīng)往往差別較大，這說明 實際加工系統(tǒng)不都是線性系統(tǒng)。對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到完全可以被理解的程度之前，人們所提供 的振動控制技術(shù)不能認為是十分完善的。 再生顫振是一種典型的由于振動位移延時反饋所導(dǎo)致的動態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象也是金屬切 削機床發(fā)生自激振動的主要機制之一。在鏜削過程中其中再生型顫振最為常見。顫振時， 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程分為無顫振階段、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。 實驗研究表明加工過程中顫振的發(fā)展過程有以下特點： (1) 顫振波形類似于諧振波，幅值的增長是一個漸變的過程； (2) 振動頻率隨顫振的發(fā)展，逐漸穩(wěn)定到接近系統(tǒng)的固有頻率。此時振動頻率由寬帶 隨機過程轉(zhuǎn)變?yōu)檎瓗щS機過； (3) 當(dāng)振動頻率穩(wěn)定到系統(tǒng)的固有頻率時，振動幅值尚未達到充分顫振階段的幅值。 在顫振幅值達到充分顫振階段前約有400ms至600ms或更長，這就給快速在線預(yù)報 和控制鏜削過程中

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

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

18、，使切削力立即獲得了一個動態(tài)的增量A F(t)，而A F(t)作用在 機床結(jié)構(gòu)上，引起振動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 形成了強烈的自激振動，我們把切削過程中的這類自激振動稱為“再生顫振”。 2.3系統(tǒng)切削過程動態(tài)模型 X(t) 圖2-2切削過程力學(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為 x（t），刀具所受動態(tài)切削力f （t），如圖2-2所示，其運動微分方程為： 梢

19、（n+國。+煩=-/（,） (2-1) (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) 如果動態(tài)切削厚度的變化比較小，則動態(tài)切削力f （t）可以表示為 川二#歡-了）］ 式中b—切削寬度（mm） kd—動態(tài)切削力系數(shù)（N/mm2） T一相鄰兩次切削振動波紋的滯后時間（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位移與振動速度的控制，我們再一次證明了位移的延 時反饋相當(dāng)于速度和位移的延時反饋。 將式（2-5）帶入（2-1）得 "疣(/) + (c _ (r) + k +*M(] _ COS。)] JT(1)= D 我們得到一個單自由度系統(tǒng)自由振動的運動方程，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反饋，即再 生效益造成的切削過程的等效剛度與等效阻尼。 由1-cos 9 > 0，且通常有kb(1-cos 6 ) <