減振鏜桿的有限元分析設(shè)計(jì)(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 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 減振鏜桿的國內(nèi)外研究水平和發(fā)展趨勢 . 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)切削過程動(dòng)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 . 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 買文檔送全套圖紙 扣扣 414951605 1 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(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，通過簡化動(dòng) 力學(xué)模型建立微分方程。在理論基礎(chǔ)上通過實(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 systems 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 2 買文檔送全套圖紙 扣扣 414951605 第 1章 減振鏜桿的國內(nèi)外研究水平和發(fā)展趨勢 在機(jī)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(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程中刀具與工件之間產(chǎn)生的一種十分強(qiáng)烈的相對振動(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。 深孔鏜削過程中刀具通常會(huì)產(chǎn)生振顫。加工過程中產(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 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題就是細(xì)長車刀和鏜桿的長徑比不夠或動(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)。對于一般的刀桿 ,在長徑比超過 4 倍時(shí)刀具本身將產(chǎn)生振顫 ,使得加工無法進(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(gè)參數(shù)是不現(xiàn)實(shí)的。另外 ,通過減小切削量來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。 為解決此類問題，本文采用內(nèi)置式動(dòng)力減振結(jié)構(gòu) 3 的防振鏜桿，它可以在造價(jià)相對比較低的情況下，實(shí)現(xiàn)較大長徑比。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(yàn)，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(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(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 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(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(jìn)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。 4 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)場生產(chǎn)中發(fā)生的機(jī)械加工振動(dòng)問題考慮，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)。 從簡化分析考慮，在研究切削加工顫振問題時(shí)，多數(shù)學(xué)者選用的動(dòng)力學(xué)從簡化分析考慮，在研究切削加工顫振問題時(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)際測量所得到的振動(dòng)響應(yīng)往往差別較大，這說明實(shí)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(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(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。 實(shí)驗(yàn)研究表明加工過程中顫振的發(fā)展過程有以下特點(diǎn)： (1)顫振波形類似于諧振波，幅值的增長是一個(gè)漸變的過程； (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)過程轉(zhuǎn)變?yōu)檎瓗щS機(jī)過； (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，這就給快速在線預(yù)報(bào)和控制鏜削過程中的顫振提供了識(shí)別和反饋控制的寶貴時(shí)間。 5 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程組成的，如圖 2-1 所示。 在切削過程中， F(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)反過來引起切削力 F(t)變化。因此，切削 過程即相當(dāng)于反饋機(jī)構(gòu)，它按照振動(dòng)位移來控制激振力，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(jìn)行下去?？墒窃趯?shí)際加工過程中存在很多這樣或那樣的擾動(dòng)，因此上述 平穩(wěn)切削過程注定要受到擾動(dòng)。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(yuǎn)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(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(t)及 X(t)不斷上升，終于 形成了強(qiáng)烈的自激振動(dòng)，我們把切削過程中的這類自激振動(dòng)稱為“再生顫振”。 6 2.3 系統(tǒng)切削過程動(dòng)態(tài)模型 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(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 動(dòng)態(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，我們再一次證明了位移的延 7 0sin FileRead Input From菜單將載荷文件讀入 ANSYS模型數(shù)據(jù)庫，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 fn 21 =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 求得 =0.2。再由公式（ 4-5）、（ 4-6）可求出最佳阻尼 21.0op、最佳固有頻率比 83.0op， 3。根據(jù)式中對最佳阻尼比和最佳固有頻率比的定義式，通過計(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。 19 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1 2 6 6 5 . 6 8 ( / )n f r a d s。 最后對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 20 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 21 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)所對應(yīng)的頻 率。 表 3-2 最大響應(yīng)幅值 （ dB） 對應(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)和對各種模型在整個(gè)頻域內(nèi)的幅值響應(yīng)的對比可得到如下結(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。 22 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。本課題主要針對鏜削系統(tǒng)的顫振抑制，動(dòng)態(tài)性能做了研究 。 本文對動(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。通過用傳統(tǒng)的力學(xué)方法和數(shù)學(xué)知識(shí)對方程的求解，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)。通過對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。 通過對運(yùn)動(dòng)方程的求解和對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。 23 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)對我無私的幫助，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)。再次對你們說一聲：謝謝了！ 24 參考文獻(xiàn)： 1 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ,2002 2 劉松主編 .有限元分析在鏜桿設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,2006 3 傅志方 .振動(dòng)模態(tài)與參數(shù)識(shí)別 M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,1990.9 4 王守信，董紹華等 .銑床振動(dòng)模態(tài)分析研究 N.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古民族師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 1995.5 5 廖念釗主編 .互換性與技術(shù)測量 M.北京：中國計(jì)量出版社， 1998 6 王先上 .車床振動(dòng)的自動(dòng)控制 N.北京：機(jī)械工程學(xué)報(bào) ,1986 7 張杰斌，張涌 .減振原理在鏜桿上的應(yīng)用 M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,2004.11 8 郭長城 .應(yīng)用減振器控制振動(dòng)的兩個(gè)實(shí)例 M.北京：機(jī)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(jī)械工程學(xué)報(bào) ,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(xué)院學(xué)報(bào)， 1999 11 陳曉霞 .ANSYS7.0 高級分 析 M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,2004 12 李啟堂，胡榮生 .動(dòng)力吸振器在鏜桿中的應(yīng)用 M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,1997 25 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 在精鏜過程中防止發(fā)生超過 10000Hz的高頻振動(dòng)而造成刀具壽命降低問題的摩擦阻尼器已研制成功。新阻尼器結(jié)構(gòu)簡單，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。 其原理是簡單的 ， 利用 庫侖 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。阻尼器對高頻也有效，因此無需調(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。在鏜削過程中這種新型 阻尼 器能夠有效的防止 超過 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 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提高刀具系統(tǒng)的阻尼能力。阻尼能力是通過以下方面產(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。 26 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)高頻顫振問題，鏜刀本身包括一個(gè)直徑分別為 13毫米和 20 毫米的長懸臂桿和法蘭。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)但可以再徑向方向自由移動(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)通過了檢測并準(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，切削過程中不使用任何切削液。一種新的尖端技術(shù)在加工過程中不斷調(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。 對于直徑為 16毫米的工件振動(dòng)的測量，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，工件被夾緊使測試在一對立式加工中心機(jī)床基 板上舉行。環(huán)行工件和機(jī)床主軸一同旋轉(zhuǎn)。 27 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。在檢測梁的端部振動(dòng) 時(shí)將使用微型加速度測量計(jì)。阻尼器主體結(jié)構(gòu)的頂部有一磁鐵，并通過此處與油管口相接。 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