【正文】 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 system simulation， which have the same solution foundation of systematic dynamics， bine 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 system 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 adopt 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 adopted， 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， 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 important 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 9 第 1 章緒論 1． 1 課題研究的學(xué)術(shù)背景 任何一個強(qiáng)大的國家都必須具有包括金屬切削加工在內(nèi)的強(qiáng)大制造業(yè)基礎(chǔ)。從 80 年代起，我國相繼從德國、美國、法國、日本等國引進(jìn)了較先進(jìn)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。為了提高工件的綜合性能來達(dá)到某些特殊的要求，需要一次成型，所利用的刀具必須實(shí)現(xiàn)特殊功能。但是在許多應(yīng)用中，例如在車內(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“。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(dá)不到加工的要求 。 10 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(jìn)行加工的方式在傳統(tǒng)上稱為鏜孔加工。但在進(jìn)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，鏜桿的剛度將會更小．由于，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。如圖 1． 1 所示，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。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。 11 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。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。 利用軟件 ANSYS 求出鏜桿系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型所需的參數(shù)。 本課題充分利用 ANSYS 強(qiáng)大的建模功能，生成了虛擬樣機(jī)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． 3 ANSYS 軟件主要特點(diǎn) ANSYS 軟件有如下技術(shù)特點(diǎn)： 1．唯一能實(shí)現(xiàn)多場及多場耦合分析的軟件。 、 5．多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置。 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。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)的變量值來實(shí)現(xiàn)。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。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。 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。品種較多，運(yùn)動粘度可調(diào)整范圍為 10． 1000(MPa 2．高粘度乙基硅油外觀無色或淡黃色液體， 20℃粘度 (MPa所以它也是很好的阻尼材料。 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。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。“重合金”這類材料通常為密度很高，超過 1 7∥ cm3 的鎢基合金。 本文選擇密度為 11． 35∥ cm3 的鉛作為減振塊的材料，這是因?yàn)殂U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”。本文選擇密度為 11． 35∥ cm3 的鉛作為減振塊的材料，這是因?yàn)殂U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”。 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。 3． 9. 1 減振系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 對減振系統(tǒng)進(jìn)行簡化，并建立簡化系統(tǒng)的動力學(xué)方程也是很必要的。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。根據(jù)振動力學(xué)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(jìn)行簡化。當(dāng)鏜桿的振動頻率較低時，可以忽略不計；而當(dāng)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。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)，都有較好效果，為此，應(yīng)使 P、 0 兩點(diǎn)的縱坐標(biāo)相等，而且成為幅頻響應(yīng)曲線的最高點(diǎn)。 20 振鏜桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制了減振塊體積的上限。由式(36)求出最佳固有頻率比，根據(jù) aop 和 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(diǎn)，減振器安裝在鏜桿桿體內(nèi)，因此減振塊的運(yùn)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。 4． 1 多剛體動力學(xué)模型的建立 4． 1． 1 模型的坐標(biāo)系統(tǒng) ADAMS 采用了兩種直角坐標(biāo)系：全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，他們之間 通過關(guān)聯(lián)矩陣相互轉(zhuǎn)換。 ADAMS 自動為每一個部件選擇一個基點(diǎn)。局部坐標(biāo)系則由 ADAMS 在每個部件上自動建立。所建模型如圖 4． 1 所示。具體步驟如下： 1．進(jìn)入 ANSYS 程序，建立柔性體模型。建立幾何模型時，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)來建立，但對于結(jié)構(gòu)形式非常復(fù)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(jìn)行簡化，以便降低建模的難度，節(jié)約工作時間。本文利用 ANSYS 自身的建模功能進(jìn)行鏜桿桿體的幾何建模。 2．設(shè)置網(wǎng)格控制。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。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(shí)常數(shù)，而不需手工一一計算和指定嘲。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)域連接這三個節(jié)點(diǎn)與其周圍的節(jié)點(diǎn)。具體設(shè)置如圖 47 所示。 另外，在系統(tǒng)分析的同時， ADAMS 可以把某些零部件的邊界負(fù)載條件傳送出來。柔性體對機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動有很大影響，如果在動力學(xué)仿真過程中不考慮柔性體的影響，必然會造成較大的誤差；同樣，機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中柔性構(gòu)件的邊界條件和載荷則決定了柔性體中的應(yīng)力應(yīng)變分布。在柔性體的轉(zhuǎn)動中心 (與剛性體的聯(lián)接處 )必須有節(jié)點(diǎn)存在，此節(jié)點(diǎn)在 ADAMS 中將作為外部節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，并使用剛性區(qū)域處理此節(jié)點(diǎn) (外部節(jié)點(diǎn) )與其周圍的節(jié)點(diǎn)。 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)庫文件，選擇所有節(jié)點(diǎn)。因此，系統(tǒng)的固有頻率％ l=2 礦 =665． 68(rad／ s)。 30 從仿真分析所得的數(shù)據(jù)和對各種模型在整個頻域內(nèi)的幅值響應(yīng)曲線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頻域內(nèi)的 最大振動幅值大大地減小了． 5． 6 參數(shù)化分析 ADAMS／ View 的參數(shù)化分析功能可以分析設(shè)計參數(shù)變化對樣機(jī)性能的影響。 Design of Experiment(DOE)：試驗(yàn)設(shè)計，可以考慮多個設(shè)計參數(shù)同時變化，對虛擬樣機(jī)性能的影響。因此將這兩個參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置如表 5． 2 所示。 根據(jù)振動仿真的特點(diǎn)，我們選用變量和宏的方式來定義目標(biāo)函數(shù)。從圖 5． 1l可 以看出刀刃在頻域內(nèi)的跳動量曲線有兩個極值點(diǎn)，在 2． 5E+005～ 1． 0E+006 范圍內(nèi)隨著彈簧剛度系數(shù)的增大第二個極值點(diǎn)迅速向右移動，而第一個極值點(diǎn)變化不大，但總體趨勢是增大的。由圖 5． 14 可知最小值在 50—200 內(nèi)出現(xiàn)。通過對虛擬樣機(jī)的仿真分析，驗(yàn)證了內(nèi)置式動力減振鏜桿的減振效果。 通過對運(yùn)動方程的求解和對樣機(jī)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，但動力減振鏜桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制了減振塊體積的上限。說明動力減振鏜桿的減振效果明顯，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。 2．目前所作的研究都是對穩(wěn)定的可 加工狀態(tài)進(jìn)行的，而沒有考慮到實(shí)際切削過程中由于切削力的增大，而無法進(jìn)行加工的狀態(tài)．所以下一步要解決的問題就是建立穩(wěn)態(tài)切削的判據(jù)。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，其有效性由切削試驗(yàn)得以證明，并保證刀尖的正常 壽命。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測量得到進(jìn)一步的證實(shí)。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；（ 2）在晶界滑移內(nèi)部振動引起的阻尼損耗（內(nèi)耗）；（ 3）在主振動結(jié)構(gòu)和振動阻尼器接口處的摩擦。彈性阻尼器由一個或多個的自由移動機(jī)構(gòu)組成，其原理是利用自由移動體撞擊主體結(jié)構(gòu)來耗散顫振能量。它最完美的地方