减振镗刀的设计与分析.docx
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减振镗刀的设计与分析
减振镗刀的设计与分析
摘要:
我国工业现在已经处于蒸蒸日上的状态,加工生产也在不断地创新和改进，为加工中必不可少的深孔加工环节，其技术也在日益进步。
但是深孔加工中振动的问题也随之而来，加工中产生的振动不仅使得加工精度降低，还使得生产效率也大打折扣。
为此，减振成了现在必须要克服的难题。
内置减振系统是一种结构简单，易于生产的一种镗刀的减振方法，它是通过在镗刀杆的内部加减振块，橡胶圈，阻尼液等元件来达到理想的减振效果。
这种设计不仅没有改变镗杆原有的外观形状，还在一定程度上减少了振动带来的不便，是一种使用前景非常广阔的设计方式。
本篇设计先讲述了国内外现有减振镗杆的状况，通过分析、参考来确定最终采用的设计方式。
其次介绍了在加工过程中产生振动的不同种类和产生的机理，为设计提供一些必要的参考材料。
然后再选择减振镗杆中所需的每个部件，在对不同部件做出不同的分析，最后再将这些部件做出动力学模型，再整合出最终的数学模型。
为实际的加工生产提供一些参考。
关键词：
减振；镗杆；深孔加工；刚度
Designandanalysisofvibrationboringcutter
Abstract:
Nowourindustryisinaflourishingstate,productionisconstantlyinnovatingandimproving,asanessentialpartoftheprocessingofdeepholemachiningtechnologyisalsoinprogress.Vibrationproblemsinthedeepholemachiningalsocome,lowervibrationproducednotonlymakesthemachiningaccuracyintheprocessing,butlessproductive.Tothisend,nowhastoovercometheproblemofvibrationreduction.Built-invibrationreductionsystemisasimplestructure,easytoproduceaboringtoolvibrationmethod,itisbyboringbarinternalandvibrationdamping,andtherubberring,thevibrationdampingelementssuchasliquidtoachievethedesiredeffect.Thisdesignnotonlyfailedtochangetheboringbaristheoriginalappearaneeoftheshape,butalsotoacertainextent,reducetheinconvenienceofvibration,isaverybroadprospectsforuseofdesign.
Absorptionboringbar,throughanalysis,todeterminethefinalrefereneedesign.Nextintroducedthevibrationproducedduringprocessingofdifferentkindsandthemechanism,isdesignedtoprovidethenecessaryrefereneematerials.Thenthevibrationabsorptionboringbarforeachcomponentindifferentpartsanddifferentanalysis,thenmakethemdynamicmodelintheintegrationofthefinalmodel.Provideyourrefereneeforactualproduction.
Keywords:
vibration;boringbars;deepholes;stiffness
摘要L…
AbstractII
目录III
1绪论1
1.1课题背景及研究意义1
1.2减振镗杆的国内外研究成果与发展的趋势2
1.3国内的研究现状与发展趋势6
1.4小结6
2振动的机理分析和不同的减振措施7
2.1切削中振动的分类及产生的原因7
2.2减振的主要原则8
2.3控制机械加工振动的途径8
2.3.1消除或者减弱发生振动的条件8
2.3.2改良工艺系统中的动态特性9
2.3.3选用减振装置10
3减振镗杆的结构设计16
3.1减振镗刀的杆材料选择16
3.2镗杆的基本结构设计16
3.3冷却管的设计17
3.4减振装置的组成元件18
3.4.1阻尼夜的选取18
3.4.2弹性元件的选择19
3.4.3减振块的选择21
3.5减振镗杆内部整体结构的设计22
3.6刀头的设计23
4动力减振系统的数学模型24
4.1动力减振镗杆系统的力学模型24
4.2建立动力减振系统的动力学分析模型27
4.3建立动力减振镗杆的数学模型29
4.4本章小结29
5结论与展望30
5.1全文总结30
5.2展望30
参考文献32
致谢34
1绪论
1.1课题背景及研究意义
现今,制造业的发展已成为社会进步的标准，加工中的高速和超高速加工现已成为主流趋势，企业对加工精度的标准和要求也越来越高，在金属切削这块加工领域里，特别是在高速加工深孔的时候，由于孔的形状要求和精度要求比较高，因此刀具加工产生的
振动一直是阻碍加工精度的最大障碍之一，它的产生严重影响了零件的加工精度与表面的粗糙度，阻碍了切削加工向着高速度、高精度和高强度方向的发展。
其产生的原因有很多。
例如，加工中不断变化的切削力，工件加工中装夹不稳定等。
其次当镗杆的悬伸量比较大时，就更加容易发生振动，进而使孔的加工精度降低。
虽然，有很多办法来控制这些相关的问题，但是，由于长悬伸量刀具加工产生的巨大振动，不得不通过减少加工时的轴向切削深度与进给量来避免，这也将对金属的去除率产生较大的影响。
因此，我
们有必要仔细研究机械刀具加工中振动发生的原因以及其预防和控制的方法，从而降低
甚至消除加工中的振动。
从生产和加工的实际应用和价值来讲，减振镗刀的设计和研发有助于我国切削制造业的发展。
我国作为世界的“制造中心”。
零件整体化加工已成为趋势，深孔加工已是
机械加工中的重中之重。
虽然我国的很多企业在这方面做了不少的研究，但产生的效果
却均不是很理想，与国外的研究水平还有比较大的差距，因此我国在生产制造业这条漫长的征途上还有很多道路需要走。
另外有些大长径比的零件，一般的刀具达不到其理想
的精度要求。
但是如果要采用相符的刀具就需要考虑它的刚度稳定性。
目前我国比较稳定的产品并不多，还需要大量引进国外生产的刀具，这就使得我国零件加工成本变得很
高。
因此，减振刀具的开发与研究现已经成为我国切削加工行业目前急需解决的重大问
题，解决了这个问题就可以带动我国其它相关产业的发展，进而提高我国机械行业的竞
争能力。
1.2减振镗杆的国内外研究成果与发展的趋势
切削振动较容易发生在刚度较低的加工中，所以，在加工中为了减少振动的产生，通常应加强镗杆的静刚度或者动刚度。
当需要加工一般刀具无法加工的深孔时，往往需要用到长悬伸量刀具，而减振刀具成为了最佳的选择。
当然，这些新型刀具在国外也有着许多的应用。
通过了解国内外的减振刀杆，总的来说，是比较缓慢的。
但也有设计比较成功的案
例，比如说日本的三菱（MITSUBISHI），东芝（TOSHIBA），瑞典的山特维克（SANDVIK）,
美国的肯纳（KENAMETAL）公司等。
图1-1三菱阻尼镗刀杆
Fig.1-1DampingboringcutterofMITSUBISHI
图1-2三菱阻尼镗刀杆
Fig.1-2DampingboringcutterofMITSUBISHI
其中，三菱公司刀具的设计理念是对刀头进行了优化的设计，就是利用软件来模拟最终确定刀头的重量，主要是减轻镗杆头部的重量，防止了挠曲，加强了镗杆的动刚度,使振动变弱。
如图1-1和1-2所示。
站在材料力学的角度上来看，这种刀具是运用了杆端部应力边缘效应。
当镗刀杆受到偏心力的时候，可从刀头减去一些材料，这样既减轻了镗刀刀头的重量，静刚度也没受到多大影响，还改善了镗杆的动刚度。
图1-3三菱阻尼镗刀刀杆减振效果
Fig.1-3VibrationreductioneffectofdampingboringcutterofMITSUBISHI
三菱刀具的设计依旧存在一些缺憾，头部切除材料的办法也存在局限性，影响长径不能较大。
图1-3显示的是刀杆预防挠曲还有减少振动的效果图。
东芝公司制作的减振刀具原理是将刀具的头部，找一处平行且相互对称的的地方，去除掉一部分，然后在此处在嵌上坚硬的材料。
但也由于这种方法产生了不少的弊端，如镶嵌材料的刚度值，厚度值，以及在与刀体连接时的粘结稳固性，精密性，都会对刀体整体上的产生影响，所以也会在应用上受到一些限制。
如图下图1-4所示：
图1-4东芝减振刀具
Fig.1-4DampingboringcutterofTOSHIBA
被大多数生产商看好的是山特维克可乐满的SilentTools系列，它不光有减振效果,
最突出的是能够提高生产效率。
如图1-5所示
Silent"TcoK
图1-5山特维克减振刀具
Fig.1-5VibrationAbsorptiontoolofSANDVIK
这类刀具能够消除最小化的振动，它的内部安装了一个减振机构。
该刀具的内部结构装有一个回转体，周围被特殊液体环绕。
该体统还能在超出一定限制时，进行频率的调节。
美国kenametal公司生产的减振刀具主要采用特殊的材料制成，也属于提高刀杆静刚度的一种⑴。
1.3国内的研究现状与发展趋势
目前我国的减振镗杆还处于研究、开发阶段，设计的中心还在工艺的改良上。
孔金星，对刀具振动是深孔加工中影响精度，效率等的首要原因提出了问题。
对不同类型的减振镗杆，运用模态实验方法来测试出动态特性，最终得出固有的振型与模态参数，为减振镗杆的研制开发提供了参考。
沈阳工业学院的张志军，测定并且推导出了动力减振器的特性参数，对大悬伸的减振镗杆进行了完善。
北京工业大学的区炳显和王民对国内外减振镗杆振动的控制方法现状进行了介绍，并且也分析了各种镗杆减振措施的特点，还对以后镗杆减振的发展进形进行了展望。
1.4小结
综合现有的研究成果可知：
采取单一减振原理的镗杆，其减振效果不是很理想，我们应该采用具有综合性的减振措施才能取得较理想的效果。
要想提高镗刀杆的抗振效果
首先要提高镗杆自身的动刚度，其次还要增加镗杆的系统阻尼，增强系统对振动的吸收能力；本人基于这种想法，于是在镗杆中选择加入减振系统来进一步提高减振性能。
镗杆的减振系统按照耗能元件的不同，主要有动力减振器、摩擦减振器、冲击减振器等。
在此本文选取动力减振的方法来设计镗刀杆
2振动的机理分析和不同的减振措施
想要保证加工生产中的精度，平稳的过程是关键。
但是，在实际的加工中总是产生
各种各样的问题，也会有来自系统本身的刚度条件不足，这便产生了振动。
它们的机理
以及控制的条件也不尽相同。
因此我们要对不同的振动进行不同的分析。
2.1切削中振动的分类及产生的原因
如下表2-1所示
2.2减振的主要原则
结合现有镗刀减振的各种方法，减振的主要原则有以下几点：
a）选择合适的切削参数与刀片的角度，尽可能把切削力减到最小；
b）增大镗刀的系统，夹具，工件的静刚度；
c）在原有刀具的内部增加一个振动来阻碍外界切削力的振动，进而减弱刀具的振动。
2.3控制机械加工振动的途径
2.3.1消除或者减弱发生振动的条件
1）消除或者减小内部振动
高速回转的零件在机床上必须满足动平衡要求；加强传动元件及传动装置的制造精度和装配精度，保证零件的传动平稳；使动力源和机床本身分离。
2）调整振源的振动频率
通过改变零件之间的传动比，尽可能使引起强迫振动的振动源频率远离机床系统加
工薄弱环节的固有频率，避免两者产生共振［2］。
一般应满足
f固-f激
-0.25〜03
f激
式中f固——机床加工系统薄弱环节的固有频率；
f激——激振力频率。
3）采用隔振措施
所谓隔离，就是将振源所产生的一部分振动被隔离装置所吸收或者被隔离。
隔振措
施分为两种，一种为主动隔振，即阻止内部振动源通过地基外流；另一种为被动隔振，
即阻止外部干扰力通过地基传送给机床。
一般的隔振材料有橡皮、空气弹簧、金属弹簧、
木屑等⑶o
2.3.2改良工艺系统中的动态特性
1）提升工艺系统中的刚度要求
尽量加强工艺系统中比较薄弱环节的刚度，这样对提高机床加工系统的稳定性有一定的帮助。
加强每个结合面的接触刚度，向主轴支承添加载荷，向刚性比较差的工件添
加辅助支承等这些措施都对提高工艺系统的刚度有一定的帮助。
2）加强工艺系统阻尼度
加强工艺系统中阻尼度，有很多措施去实现。
如，高内阻零件的使用，加大运动件
之间的相对摩擦，在立柱、床身的内腔里填充型砂，安装阻振器于主振方向等。
233选用减振装置
我们一般的减振装置有阻尼式、动力式、冲击式和摩擦式减振器等三种装置。
1）阻尼消振
即对原系统增加阻尼从而降低振动响应。
这里以单自由度振动系统来举例说明。
可
以导出振动位移对激振力的传递函数见公式（2-1）
1
G（2-1）
ms+cs+k
令s=j「，由式（2-1）可导出位移x对激振力f（t）的频率特性G（j■）。
其对应的
幅频特性见公式（2-2）
（2-2）
设激振力是简谐力，即ft二focos-1,则位移振幅公式见（2-3）
X0_2222『2
k_m；.：
■c■■
（2-3）
而当振动系统受到与力幅的常值力的作用大小相等，有静态位移见公式（2-4）
导出阻尼消振系统的动力放大系数见公式（2-5）
Agi（2-5）
Xst」g2242g2】2
式中，g为频率比，为振动系统的阻尼比，以阻尼比参数，分别取0，0.1，0.15,0.25,
0.5,0.70,1.0并按式（2-5）用matlab绘制单自由度振动系统对激振f（t）的幅频响应曲线，如图2-1所示
图2-1阻尼消振系统动力放大系数幅频曲线
Fig.2-1Dampingsystemdynamicamplificationcoefficientofamplitudefrequencycurve
2）动力减振系统消振原理
在工程结构和机械结构的减振系统中动力减振应用较为广泛。
它的优点在于只要增
加少量的零件就能达到想要的减振效果。
动力减振系统的简易模型如图2-2所示，假设弹簧的刚度是K、k、动力减振系统的质量为M、减振块得质量为m、主质量位移为xi、消振器的位移为X2,不计阻尼的响应,动力减振系统的运动方程为（2-6）
MxjkK捲-kx2二pt
mx2-k%kx2=0（2-6）
式中，p（t）是主振动系统中的激振力。
消振器质量位移与主振动系统质位移对激振力p（t）的幅值特性公式为（2-7）
图2-2动力振动系统的简单模型
Fig.2-2Asimplemodelofvibrationsystempower
.2
、k—mco
222
Kk-M，k-m•]-k
（2-7）
带入参数导出消振器质量位移与主振动系统质量位移的动力放大系数的解析式为
（2-8）
AR^Rf2_g2-
r「^^「g-g2kf2i」f2
A_R2■Pofj
2xog4-g2kf21「f2（2-8）
当主振动系统的固有频率无限趋近于激振力频率的时候，这时候就会产生较强的共
振现象。
要抑制这种现象就需要调整消振器的固有频率，就需等式（2-9）
（2-9）
将等式（2-9）带入式（2-7），得消振器的振幅和主振动系统的振幅分别为
P0
k（2-10）
由式（2-10）可知。
当激振力的频率，消振器固有频率两者相等时，主振动系统中的振幅就为0，这就说明主振动系统是没有产生振动的。
3）摩擦减振减振
2-3
摩擦减振的设计原理指用摩擦阻尼的方式来综合振动从而达到减振的效果。
图
所示。
轴3和毂盘2相连；拧紧螺帽4,毂盘2、摩擦盘6和飞轮1通过碟形弹簧5保持一定的压紧力。
当毂盘2跟着轴3作扭转振动时，因为飞轮1的惯量较大，所以不能跟轴3作同步运动，和飞轮1相连的摩擦盘6与毂盘2两者有相对转动，摩擦盘6有消耗轴3扭振的作用，从而达到消减轴3振动的效果。
1-飞轮2-毂盘3-扭转轴4-螺帽5-弹簧6-摩擦盘
图2-3固体摩擦式减振器的结构简图
Fig.2-3Asimplemodelofhydraulicshockabsorber
4）冲击减振式消振法
如图2-4中a、b指的是冲击式的减振镗杆和镗刀，两者是通过两个物体互相碰撞时
需要损失一部分动能的设计原理，在振动体M上加一个质量m充当冲击作用。
当系统产生振动时，质量m不停冲击着振动体M,从而消耗振动体产生的能量，起到减振的效果。
b）
a）
图2-4冲击式减振镗杆和镗刀
Fig.2-4Impacttypedampingboringbarandcutter
3减振镗杆的结构设计
设计根据目前国内外减振镗杆比较先进的设计思路来考虑材料与结构对减振的影响,进行镗杆的设计。
3.1减振镗刀的杆材料选择
在设计中我们担心的是决定减振镗杆的材料的特性参数一一弹性模量与密度的值。
在这个设计中我们选择45钢来做为杆体的材料，其中长度的单位是毫米（mm）,质量
单位是千克（kg），余下的选择国际单位，材料的选用如表3.1所示
表3-1
材料
弹性模量（EX）
泊松比（PRXY）
密度（DENS）
45钢
2.07E8
0.3
7.8E-6
3.2镗杆的基本结构设计
本文我们将选直径为50mm，长径比为15的杆体来进行设计。
减振杆的减振内腔直
径为44mm,长度为330mm,通孔直径为12mm，以便使用切削液。
其结构见图3-1
图3-1镗杆杆身
Fig.3-1Boringbarshaft
镗杆的实体模型见图3-2
图3-2加上刀头后的空心镗杆
Fig.3-2Afterabithollowboringbar
3.3冷却管的设计
深孔加工中却少不了切削液，它的选用决定着加工质量、加工效率还有刀具的使用寿命等。
结构中冷却管与刀头用螺纹相接，也能够将刀头产生的振动归还到到头上面，冷却管还和橡胶垫片支撑相互照应，对减振块起到一定的支撑效果，使产生的振动流到减振块上面，其三维模型如图3-3所示。
图3-3冷却管
Fig.3-3coolingpipe
3.4减振装置的组成元件
本文对减振镗杆采用动力减振的方式来进行消振。
这里包含了减振块、阻尼元件、弹性元件等。
3.4.1阻尼液的选取
阻尼液存在于减振块与减振腔之间，它可以将系统产生的振动转化为热能再由冷却液带走，达到减振的作用。
对于阻尼材料的选取，据我们所知粘性阻尼系数对于镗杆的减振有着相当大的影响。
所以其粘度系数就成为了选取阻尼液的一项指标。
这就需要求出粘性阻尼系数与阻尼液粘度系数两者的关系。
这里，需要应用哈尔滨理工大的秦柏博士论文中的公式。
运动粘度系数公式为（3-1）
卩c
v二
P128lP（3-1）
式中c为粘性阻尼系数，是阻尼液与减振块相连部分的长度，为阻尼液密度。
所以弹性胶泥不失为一种不错的选择，弹性胶泥是由抗压剂、有机硅高分子化合物、填充剂等合成的一种材料。
当其状态在室温下为半固态时，称为硅胶。
而状态为液体时称其为硅油。
弹性胶泥有着良好的抗老化与抗高温的特性，而且在温度很高的地方它的稳定性也很好。
所以，国外许多的减振刀具都使用硅油来作为阻尼材料，常见的硅油有甲基与高粘度乙基。
通过研究，甲基硅在25°C的温度下粘度是100~1000000厘斯，通过计算它的阻尼范围在1.24—12400N・s|m，适于用在减振镗刀中。
342弹性元件的选择
弹性元件在减振系统中也起着至关重要的作用。
弹性元件在减振系统中将自己变形
来起到缓冲振动和传递力的作用。
弹性元件选用的材料和形状都会对减振产生一定的影响。
所以在作弹性元件的选择时，就要考虑减振器所处的位置和其用途。
一般的减振材料为一些有弹性的有机物、金属、橡胶等。
对于金属弹簧，橡胶更具有弹性，缓冲性。
而且，在发生振动时发生了形变，很快会恢复原状，此外，它还有很高的挠性，耐高温性。
因此本设计中选用弹簧橡胶来代替简易模型中的k。
再根据减振镗刀的结构特点，选用圆形的橡胶圈更为合适。
考虑到冷却管的存在，其内径定为10mm。
外径为25mm，大致形状为图（3-4）
图3-4弹簧橡胶
Fig.3-4Springrubber
在这里，本文引入哈尔滨理工大学马天宇的硕士毕业论文中的实验结果。
他经过多
次对橡胶圈轴向长度的试验，确定它的值为20mm，通过试验可知它的径向刚度和减震
器的弹簧刚度k接近。
分析如下。
图3-5弹簧橡胶受力图
Fig.3-5forcediagramofspringrubber
将内径16mm，外径34mm，轴向长度28mm的弹簧橡圈进行ANSYS有限元分析，对其外径固定，对其两侧进行Z轴方向的固定约束，对内径加F=1N的X轴方向的径向力。
如图3-6所示
图3-6弹簧橡胶变形图
Fig.3-6Deformationofthefigureofspringrubber
所以得到弹簧橡圈的径向刚度值为
F15
k实6.25eN/m（3-2）
d1.6e—6
因为弹簧橡圈支撑这减振块，所以将此橡圈分为轴向长度为14mm的两个橡胶圈
3.4.3减振块的选择
减振块的形状设计在这里我们要根据镗杆的形状来确定，考虑到需要将减振块放在
杆的内部，因此设计减振块为圆柱体。
一般国外生产的减振镗杆选择密度比较大的材料来制作减振块。
原因是，镗杆里面的空间是有限的。
在本设计中选用两端支撑的方式来托起减振块，让它在杆
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