【文章內(nèi)容簡介】 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入硬質(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。 課題來源 本課題來源于齊齊哈爾第一機床廠實際應用項目，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)量的關鍵。 12 1． 4 主要研究內(nèi)容、設計方法 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)之間的關系． 13 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 軟件是融結構、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，IDEAS， AutoCAD 等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級 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。 2． 2 ANSYS 軟件的組成 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構和材料 2．分析計算模塊包括結構分析 (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 (可看到結構內(nèi)部 )等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、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、異構平臺的網(wǎng)格浮動，在 異種、異構平臺上用戶界面統(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)絡劃分工具，支持自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格、智能網(wǎng)格、自適應網(wǎng)格等，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果的工作量。 10． ANSYS 系列的各種產(chǎn)品和適應于各種計算機系統(tǒng)平臺的版本為用戶提供了各種可能的選擇。 14 第 3 章減振系統(tǒng)結構設計與數(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的變量值來實現(xiàn)。 3． 2 鏜桿的結構設計 這里我們將選用長度為 500mm、直徑為 50mm 的桿體進行設計。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構如圖 3． 1 所示。 在圖 3l 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。這種結構的鏜桿抗顫振 能力更強，加工范圍廣。 鏜桿桿體的尺寸選擇如圖 32 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 15 溫度不致于過高，這樣給我們選擇阻尼材料帶來很大方便“”。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． 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。可見甲基硅油是一種很好的阻尼材料，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構形式，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?，有利于越過共振區(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 減振塊的設計 減振塊的材料選擇是減振系統(tǒng)的一個關鍵，國外的減振鏜桿一般選擇密度比較高的“重合金”作減振塊。“重合金”這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 WNi。 Fe和 WN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／ o7． 5％。由于新技術的發(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 16 的分析。減 振塊體積的選取受到內(nèi)孔的限制，在設計中選用長為 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)化結構的刀頭，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，因此可任選刀頭的形狀。在實際的應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 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)的幅頻響應特性。這里我們假設鏜桿系統(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 33 所示。 17 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。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： 18 式中 A1,A2主質(zhì)量、輔助質(zhì)量的振幅： 19 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。在設計有阻尼動力減振器時，應保證減振器在整個頻率范圍內(nèi)，都有較好效果，為此，應使 P、 0 兩點的縱坐標相等，而且成為幅頻響應曲線的最高點。如圖 35 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 (37) 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 。 20 振鏜桿的結構特點限制了減振塊體積的