減振鏜桿的有限元分析設(shè)計(jì)
減振鏜桿的有限元分析設(shè)計(jì),減振鏜桿,有限元分析,設(shè)計(jì)
目錄
中文摘要 1
英文摘要 1
第1章 減振鏜桿的國(guó)內(nèi)外研究水平和發(fā)展趨勢(shì) 1
第2章 顫振的機(jī)理及穩(wěn)定性分析理論 3
2.1 再生顫振的機(jī)理 3
2.2 再生顫振系統(tǒng) 4
2.3 系統(tǒng)切削過(guò)程動(dòng)態(tài)模型 5
2.4 鏜削過(guò)程穩(wěn)定性分析理論與穩(wěn)定性圖 7
第3章 減振鏜桿的動(dòng)力學(xué)模型 12
3.1 減振鏜桿的設(shè)計(jì) 14
3.2 減振鏜桿模型的分析 16
3.3 在ANSYS程序中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析 18
3.4 模型在頻域內(nèi)的仿真結(jié)果 18
結(jié)論與展望 22
致謝 23
參考文獻(xiàn)： 24
附件I 英文文獻(xiàn)翻譯 25
附件II 英文文獻(xiàn)原文 28
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 Bar
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 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.
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)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。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，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)Kenametal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，至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)
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。可是在實(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)，使切削力立即獲得了一個(gè)動(dòng)態(tài)的增量F(t)，而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，F(xiàn)(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
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：
(2-1)
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
(2-2)
式中b—切削寬度(mm)
kd—?jiǎng)討B(tài)切削力系數(shù)（N/mm2）
T—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)。
(2-3)
于是，有
(2-4)
式中 — 相鄰兩圈刀刃波紋之間的相位差（rad)
=T=/n
n —工作的轉(zhuǎn)速( r/s )
將（2-4）、（2-3）代入（2-2），可將式(2-2)整理為
(2-5)
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
(2-6)
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-cos0，且通常有 kdb(1-cos)﹤﹤k，即切削過(guò)程的等效剛度為正，且遠(yuǎn)小于機(jī)床結(jié)構(gòu)本身的剛度。由此看來(lái)，等效剛度只可能使系統(tǒng)的總剛度略有增加，對(duì)系統(tǒng)的特性并無(wú)本質(zhì)影響。
可是另一方面，等效阻尼kdbsin卻有可能使整個(gè)切削系統(tǒng)失去動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。首先，當(dāng)=180～360時(shí)，等效阻尼kdbsin是負(fù)的。其次，如果切削寬度b又足夠大，則可使c+ ,即系統(tǒng)的總的阻尼成為負(fù)的從而發(fā)生自激振動(dòng)。
圖2-3再生顫振系統(tǒng)
根據(jù)以上分析，可得再生顫振系統(tǒng)的較為詳細(xì)的框圖，如圖2-3所示。
2.4 鏜削過(guò)程穩(wěn)定性分析理論與穩(wěn)定性圖
再生型顫振是切削系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和切削過(guò)程相互作用的結(jié)果。在膛削加工中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性與其他金屬切削加工系統(tǒng)相比較為簡(jiǎn)單。它是由工件、刀桿和機(jī)床組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，鏜桿在整個(gè)系統(tǒng)中以懸臂粱狀態(tài)出現(xiàn)，特別是在長(zhǎng)徑比比較大的情況下，其剛性相對(duì)較差，加工時(shí)更容易引起顫振，這樣就使得膛桿成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中剛性最薄弱，最影響加工質(zhì)量的環(huán)節(jié)。另外，作為懸臂梁結(jié)構(gòu)，鏜削加工中顫振多發(fā)生在鏜桿的最低固有頻率附近。因此，對(duì)于鏜削穩(wěn)定性的研究重點(diǎn)就放在鏜桿自身的動(dòng)態(tài)性能研究上了，可以將鏜桿與整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)系簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度系統(tǒng)，如圖2-4所示。圖中Fa為切削過(guò)程中的動(dòng)態(tài)切削力。
圖2-4鏜桿結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)
m為鏜桿等效集中質(zhì)量，k為鏜桿等效剛度，C為系統(tǒng)阻尼。利用機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度R、來(lái)表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。
(2-7)
Rs可表示為鏜桿的頻率響應(yīng)曲線。是一個(gè)以(0，－1/2h)為圓心的，以－1/2h為半徑的圓形(在開始處有一些殘缺)，如圖2-5中a曲線所示。Rs的最大負(fù)實(shí)部等于1 /2h。
圖2-5切削系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)柔度
（1）切削過(guò)程動(dòng)態(tài)特性
切削過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性可以表示為振動(dòng)中的動(dòng)態(tài)切削力，由再生效應(yīng)理論所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)切削力可表示為切削參數(shù)的函數(shù)。
(2-8)
式中，X(t)為本次切削垂直于加工表面的刀具和工件之間相對(duì)振動(dòng)，x(t－T)均為上次切削留下的切削振紋，T為工件或刀具旋轉(zhuǎn)周期，kd為動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)，表示切削力交變分量與切削面積變動(dòng)分量的比值，b為切削寬度，在鏜削加工中切削寬度的大小是與切削深度呈正比關(guān)系的，比為重疊系數(shù)，介于0與1之間，表示前次切削留下的振痕對(duì)當(dāng)前切削時(shí)切削厚度的影響程度。如果令刀具和工件之間相對(duì)振動(dòng)x(t)為頻率f的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，那么x(t－T)只與x(t)相差一個(gè)相位角。因此，x(t)與x(t－T)可表示為
與x(t－T)=
式中，x為X(t)的振幅，將(2-3)式代入(2-2)式可得出再生效應(yīng)切削系統(tǒng)的動(dòng)柔度Rd為
(2-9)
鏜削加工與車削加工相似，重疊系數(shù)的大小由刀具角度大小和進(jìn)給量的大小有關(guān)，在以后和運(yùn)算中為簡(jiǎn)化起見將重疊系數(shù)刀取為大，穩(wěn)定性最差。式(2-4)通過(guò)歐拉公式的轉(zhuǎn)換可得到
(2-10)
由上式可以看出動(dòng)態(tài)切削力振幅是刀具振動(dòng)振幅的 倍，它們之間的相位差為 。將Rd表示為頻率響應(yīng)曲線，為一距離虛軸-1/kdb的直線。
如圖2-6中直線a，如果用OA表示本次切削動(dòng)柔度矢量，那么與之相位差為的矢量OB為上次切削的動(dòng)柔度矢量。圖3-6中C表示相位差 ，D表示相位差。
圖2-6切削過(guò)程動(dòng)態(tài)特性
(2)穩(wěn)定性分析
如圖2-6所示，三條切削過(guò)程動(dòng)柔度直線分別與切削系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度曲線不接觸、相切和相交。當(dāng)相切時(shí)，切削系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)之間的臨界狀態(tài)，在臨界狀態(tài)下切削過(guò)程的動(dòng)柔度與機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度相匹配，也就是說(shuō)由偶然因素形成的交變切削力在經(jīng)過(guò)機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和切削加工動(dòng)態(tài)特性傳遞后振幅保持不變。所以在這種情況下切削加工系統(tǒng)在受到外界干擾后形成振幅穩(wěn)定的顫振。
當(dāng)不相交時(shí)，也就是說(shuō)代表切削過(guò)程動(dòng)柔度的直線C位于機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度曲線的左側(cè)。這時(shí)的交變切削力引起的振動(dòng)在經(jīng)過(guò)R:兩個(gè)環(huán)節(jié)后振幅是減小的，所以在這種情況下系統(tǒng)是穩(wěn)定的，外界干擾都會(huì)很快的衰減、消失。
當(dāng)Rs和Rd相交時(shí)，在交點(diǎn)處(圖2-6中點(diǎn)A、B)切削過(guò)程的動(dòng)柔度與機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度也是相匹配的，系統(tǒng)在受到外界干擾后會(huì)形成一個(gè)振幅穩(wěn)定的振幅。當(dāng)Rd()落在A和B點(diǎn)之間時(shí)(如D點(diǎn))，交變切削力作用在機(jī)械結(jié)構(gòu)上引起的振動(dòng)幅值︱OD′︱大于在切削過(guò)程中維持切削力大小不變的振動(dòng)幅度︱OD′︱，所以動(dòng)態(tài)切削力及振動(dòng)位移的幅度都不會(huì)不斷增大。不過(guò)實(shí)際過(guò)程不會(huì)無(wú)限的增大，隨著振幅的增大，將出現(xiàn)非線性的特性使Rs和Rd中的一個(gè)或兩個(gè)都發(fā)生一定的變化，使振幅穩(wěn)定在一個(gè)幅值上。
圖2-7切削加工過(guò)程機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度曲線
發(fā)生再生型顫振最顯著的特征就是切削振在工件表面留下向左上方傾斜的振痕。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是因?yàn)樵偕澱駮r(shí)工件的一轉(zhuǎn)時(shí)間與刀具振動(dòng)周期整數(shù)倍之間不相等，具有一個(gè)差值，這個(gè)差值導(dǎo)致切削刀具在前一轉(zhuǎn)切削留下振紋與本次切削新形成的振紋之間相位上出現(xiàn)一個(gè)差值。如圖2-7所示：
就鏜削加工來(lái)說(shuō)，切削速度n、相位差和顫振頻率。之間的關(guān)系如下：
（2-11）
式中N為一正整數(shù)，在n、和三者中，n是自變量，可進(jìn)行直接設(shè)定，而和屬于因變量，在滿足式(2-11)的同時(shí)，具體數(shù)值由切削加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性決定，反過(guò)來(lái)也可以說(shuō)這三個(gè)參數(shù)的取值范圍在一定程度上決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于正整數(shù)N的存在，反映的是顫振頻率與工件轉(zhuǎn)頻之間的比例關(guān)系，因此在不同的切削速度下，產(chǎn)生一系列的穩(wěn)定性耳垂圖，如圖2-8 。
圖2-8 n與系統(tǒng)穩(wěn)定性圖關(guān)系
上圖中系統(tǒng)穩(wěn)定切削的極限切削深度b lim為
（2-11）
式中—顫振發(fā)生的頻率；
kd—?jiǎng)討B(tài)切削力系數(shù)，表示切削力交變分量與切削面積變動(dòng)分量比值；
Re[Rs(j)]—切削系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度實(shí)部。
由此可見，要使鏜削過(guò)程系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，切削能力高，則要求在系統(tǒng)的動(dòng)柔度實(shí)部曲線中具有較小的最大負(fù)實(shí)部，因此對(duì)鏜削穩(wěn)定性能力進(jìn)行理論跟實(shí)驗(yàn)研究測(cè)定的關(guān)鍵就是得到系統(tǒng)的動(dòng)柔度曲線以及其實(shí)頻曲線。從振動(dòng)頻率以及最大負(fù)實(shí)部變化可以直觀的表征系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
第3章 減振鏜桿的動(dòng)力學(xué)模型
如圖3-1所示,減振鏜桿是在普通的鏜桿內(nèi)部安裝一個(gè)質(zhì)量塊,并用彈性元件與鏜桿連接,使鏜桿變成兩個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)。在切削過(guò)程中,鏜刀受到頻率為ω的激振力F(t) 時(shí),若令振動(dòng)塊系統(tǒng)的固有頻率與激振力頻率相等,則切削振動(dòng)轉(zhuǎn)移到減振器上,使鏜桿處于靜止。
圖3-1動(dòng)力減振鏜桿結(jié)構(gòu)示意圖
1、2.墊片 3.旋轉(zhuǎn)螺栓 4.鏜桿 5.推子 6.彈簧圈 7.減振塊 8.刀頭架
如圖3-2所示,鏜削加工過(guò)程中刀尖受3 個(gè)方向力的作用,振動(dòng)通常產(chǎn)生在徑向和切向力,而且在周向上的振幅最大。徑向力和切向力對(duì)刀桿的徑向位移影響比較大,軸向力對(duì)刀桿的徑向位移影響比較小,切向力的扭矩對(duì)刀桿的徑向位移影響也比較小。因?yàn)樵谇邢骷庸み^(guò)程中影響工件表面加工質(zhì)量的主要因素是刀具的徑向跳動(dòng)量,所以在建模時(shí)可以只考慮徑向力和切向力所引起的刀桿彎曲程度,設(shè)兩個(gè)力的合力為F。
圖3-2鏜削過(guò)程中刀尖的受力圖示
于是得到減振鏜桿的數(shù)學(xué)模型如圖3-3
圖3-3減振鏜桿的動(dòng)力學(xué)模型
圖中m1—減振鏜桿在研究點(diǎn)的集中質(zhì)量 ；
k1—彈性系數(shù)；
m2—減振系統(tǒng)附加質(zhì)量塊的質(zhì)量；
k2—減振系統(tǒng)的彈性系數(shù)；
c—減振系統(tǒng)的內(nèi)部阻尼；
P—激勵(lì)力幅值；
—激勵(lì)頻率。
該動(dòng)力模型的運(yùn)動(dòng)微分方程為：
（3－1）
（3－2）
（3－3）
（3－4）
式中A1、A2—主質(zhì)量、附加質(zhì)量的振幅；
—主系統(tǒng)在與激振力幅p相等的靜力作用下的靜變形；
—激振頻率與主系統(tǒng)固有頻率之比；
—主系統(tǒng)的固有頻率；
——子系統(tǒng)即減振器的固有頻率；
—附加質(zhì)量與主質(zhì)量之比；
——減振器的阻尼比;
通過(guò)計(jì)算，可以求得系統(tǒng)的最佳阻尼比和最佳頻率比,即：
(3-5)
(3-6)
則此時(shí)振動(dòng)系統(tǒng)在頻率的最大相對(duì)振幅為:
(3-7)
由此，可以看出，附加質(zhì)量越大，則系統(tǒng)減振效果越好，但是由于受到鏜桿結(jié)構(gòu)空間的影響，附加質(zhì)量的體積受限，因此需要選擇密度大的材料。質(zhì)量比一旦確定，就可以通過(guò)以上公式求得系統(tǒng)的各項(xiàng)最佳參數(shù)。
3.1 減振鏜桿的設(shè)計(jì)
3.1.1 鏜桿桿體材料的選擇
這里所研究的主要是鏜桿的振動(dòng)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(duì)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(duì)桿體的材料采用參數(shù)化的描述。在系統(tǒng)中選用45鋼來(lái)做桿體的材料，如選用其他的材料可通過(guò)直接修改相應(yīng)的變量值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.1.2 鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
選用長(zhǎng)度為450mm、直徑為60mm的桿體進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于給定減振塊的減振系統(tǒng)的減振效果由減振塊所在點(diǎn)的振動(dòng)幅值來(lái)確定。因此，減振塊通常被安裝在桿的最遠(yuǎn)端。另一個(gè)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(dá)到理想的減振效果，減振塊必須選用密度值非常大的材料。
在圖3-4所示的動(dòng)力減振鏜桿中，減振塊由兩個(gè)彈簧圈支撐，并且，減振塊被特殊的油狀液體所環(huán)繞。橡膠在徑向的變形與負(fù)載之間具有非線性特性。在加工過(guò)程中振動(dòng)一旦產(chǎn)生，減振系統(tǒng)將立即發(fā)揮作用，鏜桿的動(dòng)能將被減振系統(tǒng)吸收。這樣就使振動(dòng)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(qiáng)，加工范圍廣。
鏜桿桿體的尺寸選擇如圖3-4所示
圖3-4
3.1.3 阻尼器的設(shè)計(jì)
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間時(shí)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(jìn)行切削加工時(shí)，鏜桿的內(nèi)部溫度會(huì)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(guò)高，這樣給我們選擇阻尼材料帶來(lái)很大方便。硅油是一種比較好的液體阻尼材料，很多國(guó)外的刀具選用硅油作為減振鏜桿的阻尼材料。這里選用甲基硅油。
甲基硅油是一種無(wú)色透明的油狀液體。品種較多，運(yùn)動(dòng)粘度可調(diào)整范圍為10-1000（Mpa.s），同時(shí)它的保存時(shí)問(wèn)較長(zhǎng)。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。
3.1.4 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。這里選用LD系列彈力減振器中的彈簧，其收縮率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多數(shù)橡膠材料，比減振器適應(yīng)擺動(dòng)頻率的要求。
3.1.5 減振塊的設(shè)計(jì)
減振塊的材料選擇是減振系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵，國(guó)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(guò)17g/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-Ni-Cu重合金具有滿足常規(guī)要求的力學(xué)性能：極限抗拉強(qiáng)度650-700MPa、沖擊強(qiáng)度10-30J/ cm2，延伸率6.5％-7.5％。由于新技術(shù)的發(fā)展對(duì)重合金的要求越來(lái)越苛刻，要求合金有更高的力學(xué)性能。這里選擇密度為18.5 g/cm3的鎢鋼作為減振塊的材料。而在動(dòng)力學(xué)仿真當(dāng)中可以采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)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(jì)中選用長(zhǎng)為120mm、半徑為10mm的圓柱體?？傻脺p振塊的質(zhì)量m2=0.697Kg。
3.1.6 刀頭的設(shè)計(jì)
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，在模型中刀頭的材料屬性用鋁來(lái)代替。由于在模型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(wú)關(guān),因此可任選刀頭的形狀。在實(shí)際的應(yīng)用中可通過(guò)修改刀頭質(zhì)心的位置來(lái)確定刀頭的位置。
3.2 減振鏜桿模型的分析
鏜桿刀刃的徑向跳動(dòng)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(lì)下的彈性變形。而徑向跳動(dòng)量的減小是通過(guò)鏜桿內(nèi)的減振單元與桿體的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以對(duì)該減振系統(tǒng)的研究屬于多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)范疇。針對(duì)該減振系統(tǒng)的特點(diǎn)，可選用有限元分析軟件ANSYS建立減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型。
3.2.1 有限元模型的建立方法及步驟
為了生成能夠恰當(dāng)?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(shí)，原則上應(yīng)盡量準(zhǔn)確地按照實(shí)際物體的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)建立，但對(duì)于結(jié)構(gòu)形式非常復(fù)雜，而對(duì)于要分析的問(wèn)題來(lái)講又不是很關(guān)鍵的局部位置，在建立幾何模型時(shí)可以根據(jù)情況對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便降低建模的難度，節(jié)約工作時(shí)間。
ANSYS提供了與其他CAD軟件和有限元分析軟件的接口程序，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(dāng)?shù)男薷暮筠D(zhuǎn)化成ANSYS的幾何模型。這種建模方法適合過(guò)于復(fù)雜的幾何模型。本文利用ANSYS自身的建模功能進(jìn)行鏜桿桿體的幾何建模。
對(duì)建立的幾何模型劃分網(wǎng)格，生成包含節(jié)點(diǎn)和單元的有限元模型。有限元網(wǎng)格的劃分過(guò)程包括3個(gè)步驟：
1．定義單元屬性。包括指定單元類型、分配實(shí)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。
3.2.2 單元類型和材料參數(shù)
在有限元分析模型的建立過(guò)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(diǎn)的耦合單元SOLID92，該單元為10節(jié)點(diǎn)四面體單元，由于具有中間節(jié)點(diǎn)，特別適合于對(duì)不規(guī)則的實(shí)體(如通過(guò)各種CAD／CAM軟件建立的實(shí)體模型)進(jìn)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?jiǎn)卧⒌闹┲刖W(wǎng)狀的剛性區(qū)域。這是由于這種方法使力分布在整個(gè)受力面上，梁?jiǎn)卧梢蕴峁┝鶄€(gè)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線性區(qū)域建模的兩節(jié)點(diǎn)3D彈性梁?jiǎn)卧狟EAM4。
其中長(zhǎng)度單位為毫米(mm)，質(zhì)量單位為噸(tons)，其它選用國(guó)際單位。材料選擇如表3-1所示
表3-1
彈性模量(EX)
泊松比(PRXY)
密度(DENS)
單元SOLID92
2.07E5
0.3
7.801E-9
單元BEAM4
2.1E5
0.3
1E-10
3.2.3 定義單元實(shí)常數(shù)
單元實(shí)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(shí)常數(shù)，在本文中需要為單元BEAM4定義實(shí)常數(shù)。對(duì)于梁和殼單元類型，ANSYS可以通過(guò)給定的截面直接計(jì)算出所需的實(shí)常數(shù)，而不需手工一一計(jì)算和指定嘲。這里我們利用ANSYS軟件直接計(jì)算得出單元BEAM4的實(shí)常數(shù)。根據(jù)所得的數(shù)據(jù)，可設(shè)置實(shí)常數(shù)。
3.2.4 有限元模型的建立
在ANSYS中進(jìn)行幾何建模并對(duì)模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。在桿的兩端和研究點(diǎn)A處創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，并分別使用剛性區(qū)域連接這三個(gè)節(jié)點(diǎn)與其周圍的節(jié)點(diǎn)。可得到如圖3-5的有限元模型。
圖3-5 鏜桿有限元模型。
3.3 在ANSYS程序中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析
進(jìn)入ANSYS程序，恢復(fù)柔性體的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，選擇所有節(jié)點(diǎn)。如果進(jìn)行靜力學(xué)分析則從載荷文件(.lod文件)中找到對(duì)應(yīng)于某個(gè)位置(相應(yīng)時(shí)刻)的載荷并輸入ANSYS，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析；如果要進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，則可以通過(guò)ANSYS的Utility Menu>File>Read Input From菜單將載荷文件讀入ANSYS模型數(shù)據(jù)庫(kù)，即可將載荷文件中各時(shí)刻的載荷作為ANSYS的載荷子步旋加到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。
3.3.1 減振鏜桿模型的參數(shù)化分析
利用有限元分析軟件對(duì)減振系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行頻域內(nèi)的優(yōu)化，求出系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)，從而保證系統(tǒng)在整個(gè)頻域內(nèi)都有一個(gè)好的減振效果。
3.3.2 減振系統(tǒng)當(dāng)量剛度的確
對(duì)有減振腔但沒加減振單元的多柔體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行時(shí)域內(nèi)的分析，分析時(shí)加在刀刃上的力為1N。這時(shí)所取鏜桿研究點(diǎn)處的位移量為單位力作用下的位移，根據(jù)剛度的定義，系統(tǒng)在研究點(diǎn)處的當(dāng)量剛度為該位移的到數(shù)。由分析結(jié)果可得系統(tǒng)研究點(diǎn)處在lN作用力下的位移為1.0593E-6（m），則系統(tǒng)在研究點(diǎn)處的當(dāng)量剛度k1=9.4429E5（N/m）。
3.3.3 減振系統(tǒng)固有頻率的求取
對(duì)有減振腔但沒加減振單元的多柔體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行頻域內(nèi)的分析，由分析的結(jié)果可得到，系統(tǒng)在幅值最高點(diǎn)的頻率為f=106(Hz)。因此，系統(tǒng)的固有頻率=665.68（rad/s）。
3.3.4 減振系統(tǒng)的當(dāng)量質(zhì)量的確定
由公式 ，可求得簡(jiǎn)化系統(tǒng)的當(dāng)量質(zhì)量 = 2.13kg。
3.3.5 系統(tǒng)參數(shù)的確定
首先通過(guò) 求得=0.2。再由公式（4-5）、（4-6）可求出最佳阻尼、最佳固有頻率比，3。根據(jù)式中對(duì)最佳阻尼比和最佳固有頻率比的定義式，通過(guò)計(jì)算可求得c=70.18、k2=1.311E5。這樣，仿真所需的初始參數(shù)就全部確定了。
3.4 模型在頻域內(nèi)的仿真結(jié)果
對(duì)沒有加減振單元的實(shí)心鏜桿進(jìn)行頻域內(nèi)的仿真，分析時(shí)加在刀刃上的力為1N。這時(shí)所取鏜桿研究點(diǎn)處的位移量為單位力作用下的位移，根據(jù)剛度的定義，系統(tǒng)在研究點(diǎn)處的當(dāng)量剛度為該位移的到數(shù)。
由仿真的結(jié)果可得系統(tǒng)研究點(diǎn)處在lN作用力下的位移為1.0593E-6（m）,則系統(tǒng)在研究點(diǎn)處的當(dāng)量剛度k1=9.4429E5（N/m）。
再對(duì)沒有加減振單元但有減振內(nèi)孔的鏜桿模型進(jìn)行頻域內(nèi)的仿真，分析結(jié)果如圖3-6所示。
圖3-6 空心鏜桿幅頻響應(yīng)曲線
從分析的結(jié)果可得到，系統(tǒng)在幅值最高點(diǎn)的頻率為f=106（Hz）。因此，系統(tǒng)的固有頻率。
最后對(duì)有減振單元的減振系統(tǒng)進(jìn)行頻域內(nèi)的仿真。仿真的結(jié)果如圖3-7、圖3-8、圖3-9所示
圖3-7 實(shí)心鏜桿幅頻響應(yīng)曲線
圖3-8 減振鏜桿幅頻響應(yīng)曲線
圖3-9 各種鏜桿幅頻響應(yīng)曲線
從分析的結(jié)果可以求得如表3-2所示的不同類型的鏜桿模型在整個(gè)頻域內(nèi)的最大響應(yīng)幅值和這時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。
表3-2
最大響應(yīng)幅值
（dB）
對(duì)應(yīng)的頻率
（Hz）
沒有加減振單元的實(shí)心鏜桿
-37.796
94.7144
沒有加減振單元但有減振內(nèi)孔的鏜桿
-38.2002
105.9487
有減振單元的動(dòng)力減振鏜桿
-55.2677
112.9568
從仿真分析所得的數(shù)據(jù)和對(duì)各種模型在整個(gè)頻域內(nèi)的幅值響應(yīng)的對(duì)比可得到如下結(jié)論：鏜桿桿體的減振內(nèi)孔使鏜桿的固有頻率有所提高，加了減振單元的減振鏜桿在整個(gè)頻域內(nèi)的最大振動(dòng)幅值大大地減小了。
結(jié)論與展望
機(jī)床切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要決定于系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的剛性以及抵抗顫振的能力，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣直接影響了切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本課題主要針對(duì)鏜削系統(tǒng)的顫振抑制，動(dòng)態(tài)性能做了研究。本文對(duì)動(dòng)力減振鏜桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并建立了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。通過(guò)用傳統(tǒng)的力學(xué)方法和數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)方程的求解，從理論上為設(shè)計(jì)模型初始參數(shù)的選擇奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)有限元分析軟件為減振鏜桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)際設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。通過(guò)對(duì)鏜桿模型的仿真分析，驗(yàn)證了動(dòng)力減振鏜桿的減振效果。
通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的求解和對(duì)鏜桿模型的仿真及參數(shù)化分析，得到以下結(jié)論：
1、減振塊的質(zhì)量越大，減振效果越好，但動(dòng)力減振鏜桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制了減振塊體積的上限。因此在設(shè)計(jì)減振塊時(shí)，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)。
2、在阻尼系數(shù)一定的情況下，選擇合適的彈簧剛度系數(shù)，使刀刃在頻域內(nèi)的跳動(dòng)量曲線的兩個(gè)極值點(diǎn)相等，這時(shí)的減振效果是最好的。
3、在彈簧剛度系數(shù)一定的情況下，刀刃在頻域內(nèi)的最大跳動(dòng)量并不總是隨著阻尼系數(shù)的增大而減小的。當(dāng)阻尼系數(shù)為零時(shí)跳動(dòng)量非常大。
4、鏜桿桿體的減振內(nèi)孔使鏜桿的固有頻率有所提高，加了減振單元的減振鏜桿在整個(gè)頻域內(nèi)的最大振動(dòng)幅值大大地減小了。
致謝
作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。
本課題的研究是在張高峰老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在這期間張老師給了我很多相關(guān)知識(shí)技術(shù)的指導(dǎo)和幫助以及無(wú)微不至的關(guān)懷。張老師淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)，刻苦鉆研的精神使我受益非淺。除了敬佩張老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。同時(shí)也感謝我的同學(xué)對(duì)我無(wú)私的幫助，特別是在軟件的使用方面，正因?yàn)槿绱宋也拍茼樌耐瓿稍O(shè)計(jì)。再次對(duì)你們說(shuō)一聲：謝謝了！
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附件I 英文文獻(xiàn)翻譯
在精鏜中提供穩(wěn)定高頻振動(dòng)的摩擦阻尼器
Evita Edhi, Tetsutaro Hoshi
摘要
在精鏜過(guò)程中防止發(fā)生超過(guò)10000Hz的高頻振動(dòng)而造成刀具壽命降低問(wèn)題的摩擦阻尼器已研制成功。新阻尼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它由一個(gè)聯(lián)接在主振動(dòng)結(jié)構(gòu)上的附加質(zhì)量與一小塊永久磁鐵構(gòu)成。其原理是簡(jiǎn)單的，利用庫(kù)侖力和粘性摩擦將振動(dòng)能量消散在阻尼器和主振動(dòng)結(jié)構(gòu)的接口之間。阻尼器對(duì)高頻也有效，因此無(wú)需調(diào)諧，本文首先介紹了一種在精鏜中消除高頻顫振的摩擦阻尼器的典型設(shè)計(jì)，其有效性由切削試驗(yàn)得以證明，并保證刀尖的正常壽命。對(duì)這種新型阻尼器基本原理的理解在理論和實(shí)驗(yàn)分析中得以介紹。在鏜削過(guò)程中這種新型阻尼器能夠有效的防止超過(guò)5000赫茲的顫振。
關(guān)鍵詞 高頻振動(dòng) 摩擦阻尼器 精鏜
1、引言
先前有研究報(bào)告稱精鏜中出現(xiàn)超過(guò)10000赫茲的高頻顫振。這種頻率首先發(fā)現(xiàn)于留在切削表面的振紋上，然后在切削實(shí)驗(yàn)中直接使用激光位移計(jì)測(cè)量得到進(jìn)一步的證實(shí)。從鏜刀的自然彎曲振動(dòng)以及自我激發(fā)的切削過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)再生效果、內(nèi)調(diào)制虛部的影響和x-y方向的循環(huán)發(fā)現(xiàn)了這種顫振。本研究的目標(biāo)是防止這種顫振振動(dòng)的發(fā)生。
預(yù)防切削顫振的有效措施可能是通過(guò)提高刀具系統(tǒng)的阻尼能力。阻尼能力是通過(guò)以下方面產(chǎn)生的：（1）包含在刀具系統(tǒng)接口處的某些微量滑動(dòng)；（2）在晶界滑移內(nèi)部振動(dòng)引起的阻尼損耗（內(nèi)耗）；（3）在主振動(dòng)結(jié)構(gòu)和振動(dòng)阻尼器接口處的摩擦。許多研究人員對(duì)不同類型的用以防止顫振振動(dòng)，并提高鏜刀或其他切削操作穩(wěn)定性的阻尼器進(jìn)行了研究。
該阻尼器已不是傳統(tǒng)阻尼器的動(dòng)態(tài)特性或沖擊特性了，動(dòng)態(tài)阻尼器包括額外的彈簧質(zhì)量子系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的固有頻率，使之與主體結(jié)構(gòu)相匹配。一般動(dòng)態(tài)阻尼器設(shè)計(jì)包括任意方向的滑動(dòng)或內(nèi)部摩擦耗能的彈性材料。彈性阻尼器由一個(gè)或多個(gè)的自由移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其原理是利用自由移動(dòng)體撞擊主體結(jié)構(gòu)來(lái)耗散顫振能量。阻尼器受一定的速度影響才能有效的發(fā)揮其功能，因此不能適用于抑制低頻振動(dòng)。近來(lái)有報(bào)道一種動(dòng)力與摩擦混合阻尼器，并發(fā)現(xiàn)它能有效地抑制低頻振動(dòng)。
本文中所設(shè)計(jì)的阻尼器必須能有效地抑制高達(dá)10000赫茲的高頻率顫振，而且它的設(shè)計(jì)受到鏜刀本身的工作空間及其自身大小的限制。它最完美的地方就是不需要調(diào)整。該阻尼器在本研究提出一個(gè)大規(guī)模隸屬永磁結(jié)構(gòu)的概念。
本研究的目的是為了分析抑制高頻振顫阻尼器的有效性及其阻尼特性。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，已進(jìn)行一個(gè)類似于抑制精鏜中高頻顫振的切削試驗(yàn)以及理論和實(shí)驗(yàn)的能源阻尼耗能分析。
2、鏜刀測(cè)試和阻尼器結(jié)構(gòu)的構(gòu)想
根據(jù)研究，在精鏜中原本有一個(gè)高頻顫振問(wèn)題，鏜刀本身包括一個(gè)直徑分別為13毫米和20毫米的長(zhǎng)懸臂桿和法蘭。在桿的一端有一直徑為5.5毫米的小孔，以適應(yīng)5毫米或孔徑更小的阻尼器。該孔的位置選擇在徑向方向，因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道高頻振動(dòng)在X-Y方向循環(huán)。當(dāng)鏜刀空轉(zhuǎn)時(shí)，阻尼器被孔壁的離心力推動(dòng)但可以再?gòu)较蚍较蜃杂梢苿?dòng)。上限用以保護(hù)運(yùn)行中的阻尼器。
該阻尼器的有效性已經(jīng)通過(guò)了檢測(cè)并準(zhǔn)備和其他鏜刀做比較。
用作比較的工具之一具有相同直徑的長(zhǎng)懸臂桿即直徑為13毫米，但其延伸超出了前沿10毫米并產(chǎn)生約5000赫茲的顫振振動(dòng)。其他與之比較是16毫米直徑懸臂式鏜刀，將以更大的長(zhǎng)徑比產(chǎn)生較低頻率的顫振振動(dòng)。
新型摩擦阻尼器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)附加質(zhì)量和永久磁鐵的組合，其中質(zhì)量平面平行于主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方向。磁鐵可以是不可分割的或者是可分割的都行。另一部件，墊片，可以插入到永久磁鐵和主要結(jié)構(gòu)之間，其目的是控制電磁力的大小。新型摩擦阻尼器在抑制高頻振動(dòng)的有效性已得到積極評(píng)價(jià)。
3. 實(shí)驗(yàn)方法
為了驗(yàn)證該阻尼器控制顫振的有效性，并保證正常的刀具磨損和表面粗糙度，切削試驗(yàn)將與其設(shè)計(jì)尺寸一樣，與13毫米直徑的鉆孔工具配合使用。這樣的話，鏜刀安裝在一個(gè)臥式加工中心的主軸上，通過(guò)設(shè)置調(diào)整孔直徑以自動(dòng)控制刀尖徑向位置。
將內(nèi)表面是由旋轉(zhuǎn)刀具鏜加工的環(huán)型工件準(zhǔn)備好。工件的材料是SCM420H合金鋼，淬火至硬度為313～332HBS，外徑為25mm，內(nèi)徑為14.72±0.05mm，長(zhǎng)度為15mm。工件由專門設(shè)計(jì)的具有足夠硬度的夾具裝夾。
切削試驗(yàn)是在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行的，切削速度為130m/min，進(jìn)給量為0.03mm/rev,背吃刀量為0.14mm，切削過(guò)程中不使用任何切削液。一種新的尖端技術(shù)在加工過(guò)程中不斷調(diào)整加工條件。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)兩次，其中一次在鏜刀系統(tǒng)中安裝阻尼器，而另一次不安裝。刀具材料用的是非涂層TiC金屬陶瓷，其軸向前角為-50，徑向前角為-150，刀尖圓弧半徑為0.4mm。
對(duì)于直徑為16毫米的工件振動(dòng)的測(cè)量，準(zhǔn)備用另一個(gè)安裝程序?qū)h(huán)行工件的外表面固定。這樣的話，工件被夾緊使測(cè)試在一對(duì)立式加工中心機(jī)床基板上舉行。環(huán)行工件和機(jī)床主軸一同旋轉(zhuǎn)。
4.摩擦阻尼器的機(jī)理分析
4.1 理論分析
振動(dòng)的產(chǎn)生，一旦達(dá)到一定的振動(dòng)幅度，阻尼器將開始滑動(dòng)，由此引起阻尼器的主體結(jié)構(gòu)和界面的摩擦，從而耗散振動(dòng)能量，并防止振幅不斷增大甚至超出極值振幅。
4.2 實(shí)驗(yàn)分析
為了確定該假設(shè)庫(kù)侖力和粘性摩擦的區(qū)別，一個(gè)主體結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)的兩個(gè)理論模型的有效性監(jiān)測(cè)了二者的不同狀況，并激發(fā)了電動(dòng)式激振器外部。用作主體結(jié)構(gòu)的是一直徑為16毫米的懸臂鋼梁，它和原長(zhǎng)為170mm的鏜刀具有相似的設(shè)計(jì)，其二階彎曲頻約能達(dá)到5700Hz。在檢測(cè)梁的端部振動(dòng)時(shí)將使用微型加速度測(cè)量計(jì)。阻尼器主體結(jié)構(gòu)的頂部有一磁鐵，并通過(guò)此處與油管口相接。
首先采用隨機(jī)激勵(lì)確定主體結(jié)構(gòu)的固有頻率。然后是應(yīng)用在正弦激勵(lì)變幅的動(dòng)力輸入f至z微調(diào)周圍隨機(jī)激勵(lì)確定固有頻率。與此同時(shí)，用FFT分析儀分析振幅在主體結(jié)構(gòu)出的響應(yīng)差異。激發(fā)各周期能源供應(yīng)量的正弦振動(dòng)是從測(cè)量f時(shí)開始的，計(jì)算如下
當(dāng)x是降低阻尼器或與供油接口相連接時(shí)，主體結(jié)構(gòu)的振幅也降低了。當(dāng)使用阻尼器時(shí)，激勵(lì)由0.3N增至0.6N時(shí)，振幅x將不會(huì)增大。對(duì)于較低的頻率，雖然也能有一定大的抗振效應(yīng)，但效果并不明顯。
5、結(jié)論
為了控制頻率高達(dá)10000Hz的高頻顫振，正如以前報(bào)道的精鏜過(guò)程一樣，利用一種新的阻尼器與主體結(jié)構(gòu)之間的摩擦效應(yīng)，削弱振動(dòng)能量而達(dá)到減振目的。
新的阻尼器由一個(gè)聯(lián)接在主振動(dòng)結(jié)構(gòu)上的附加質(zhì)量與一小塊永久磁鐵構(gòu)成。據(jù)目前的研究已證實(shí)了庫(kù)侖力和粘性摩擦在滑動(dòng)界面的產(chǎn)生。由于庫(kù)倫摩擦力，發(fā)生在主體結(jié)構(gòu)處的滑移就能抵消一部分顫振能量，而且它們之間大致是呈線性關(guān)系的。如果在此條件下能夠充分的消耗顫振能量，則就可以抑制顫振了。
在抑制高頻顫振時(shí)，該阻尼器顯得更為有效。由于受到阻尼器主體結(jié)構(gòu)自身?xiàng)l件的限制，在精鏜中該阻尼器能抑制的最高顫振頻率只能略高于5000Hz。
由于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也無(wú)需經(jīng)常調(diào)整，使用擬阻尼器抑制連續(xù)切削高頻率顫振（如精鏜等）是一種可行性方法。
致謝
本研究得到了NT工程公司的大力支持。他們提供了大量的研究材料和工具，得到了Y. Komai先生和M. Nakagawa先生的大力支持和幫助。
附件II 英文文獻(xiàn)原文
Stabilization of high frequency chatter vibration in fine boring by friction damper
Evita Edhi*, Tetsutaro Hoshi
Abstract
Friction damper has been
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