减振镗刀的设计与分析.docx

1、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，

2、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Desig n and an alysis of vibrati on bori ng cutterAbstract : Now our in dustry is in a flourishi ng state, product ion is con sta ntly inno v

3、at ing and impro ving, as an esse ntial part of the process ing of deep hole machi ning tech no logy is also in progress.Vibrati on problems in the deep hole machi ning also come, lower vibrati on produced not only makes the mach ining accuracy in the process ing, but less productive.To this end, no

4、w has to overcome the problem of vibrati on reductio n.Built-in vibratio n reduct ion system is a simple structure, easy to produce a bori ng tool vibratio n method, it is by bori ng bar internal and vibratio n damp ing, and the rubber ring, the vibrati on damp ing eleme nts such as liquid to achiev

5、e the desired effect.This desig n not only failed to cha nge the bori ng bar is the origi nal appeara nee of the shape, but also to a certa in exte nt, reduce the inconvenience of vibratio n, is a very broad prospects for use of desig n.Absorpti on bori ng bar, through an alysis, to determ ine the f

6、inal refere nee desig n. Next in troduced the vibrati on produced duri ng process ing of differe nt kinds and the mecha ni sm, is desig ned to provide the n ecessary refere nee materials. The n the vibrati on absorpti on bori ng bar for each component in different parts and different analysis, then

7、make them dynamic model in the in tegrati on of the final model. Provide your refere nee for actual producti on.Key words:vibrati on; bori ng bars; deep holes; stiff ness摘要 LAbstract II目录 III1 绪论 11.1课题背景及研究意义 11.2减振镗杆的国内外研究成果与发展的趋势 21.3国内的研究现状与发展趋势 61.4小结 62振动的机理分析和不同的减振措施 72.1切削中振动的分类及产生的原因 72.2减振

8、的主要原则 82.3控制机械加工振动的途径 82.3.1消除或者减弱发生振动的条件 82.3.2改良工艺系统中的动态特性 92.3.3选用减振装置 103 减振镗杆的结构设计 163.1减振镗刀的杆材料选择 163.2镗杆的基本结构设计 163.3冷却管的设计 173.4减振装置的组成元件 183.4.1阻尼夜的选取 183.4.2弹性元件的选择 193.4.3减振块的选择 213.5减振镗杆内部整体结构的设计 223.6刀头的设计 234动力减振系统的数学模型 244.1动力减振镗杆系统的力学模型 244.2建立动力减振系统的动力学分析模型 274.3建立动力减振镗杆的数学模型 294.4本

9、章小结 295结论与展望 305.1全文总结 305.2展望 30参考文献 32致谢 341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，

10、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

11、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

12、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.1-1 Dampi ng boring cutter of MITSUBISHI图1-2三菱阻尼镗刀杆Fig.1-2 Damp ing boring cutter of MITSUBISHI其中，三菱公司刀具的设计理念是对刀头进行了优化的

13、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.1-3 Vibration reduction effect of damping boring cutter of MITSUBISHI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

14、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.1-4 Dampi ng boring cutter of TOSHIBA被大多数生产商看好的是山特维克可乐满的 Silent Tools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

15、1-5山特维克减振刀具Fig.1-5 Vibration Absorption tool of SANDVIK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。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

16、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

17、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；

18、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 03f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

19、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o2.3.2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

20、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）1G （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f t二fo cos -1 ,则位移振幅公式见（2-3）X0 _ 2 2 2 22k _ 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-

21、4）导出阻尼消振系统的动力放大系数见公式（2-5）Ag i (2-5)Xst g2 2 4 2g2】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.2-1 Dampi ng system dyn amic amplificati on coefficie nt of amplitude freque ncy curve2）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

22、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）Mxj k K 捲-kx2 二 p tmx2 - 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.2-2 A simple model of vibrati on system power.

23、2、 k mco2 2 2K k -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)A RR f2_g2 -rg-g2k f2if2A _ R2 Po fj 2 xo g4 -g2 k f2 1 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P0k (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

24、 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.2-3 A simple model of hydraulic sh

25、ock absorber4）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.2-4 Impact type damping boring bar and cutter3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

26、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2.07E80.37.8E-63.2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.3-1 Bori ng bar shaft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.3-2 After

27、a bit hollow boring bar3.3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.3-3 cooli ng pipe3.4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

28、，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 cv 二P 128lP (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

29、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 25C的温度下粘度是1001000000厘斯，通过 计算它的阻尼范围在1.24 12400Ns|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

30、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.3-4 Spring rubber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.3-5 force diagram of spri ng rubber将内径16mm，外

31、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.3-6Deformatio n of the figure of spri ng rubber所以得到弹簧橡圈的径向刚度值为F 1 5k实 6.25e N / m (3-2)d 1.6e 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 14m m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