石曉龍龐學慧賀政軍

復合減振在鏜刀桿上的研究

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1、山西中北大學機械與動力工程學院2、湖北省孝感市孝南區(qū)紅林探控有限公司

本文設計了一種由金屬材料與碳纖維復合材料組成的層狀復合結構減振鏜刀桿，對其動態(tài)性能和靜態(tài)性能進行了有限元分析，并且和普通的硬質合金刀桿進行了對比。結果表明，復合結構鏜桿具有更加優(yōu)良的動態(tài)性能，適用于高速鏜削加工，而硬質合金鏜桿具有較高的靜剛度，固有頻率及動剛度較低，適于載荷較大的低速鏜削加工。

鏜刀桿；有限元；動態(tài)性能；復合結構

在制造長徑比比較大的刀具時，人們往往會考慮到一個問題：這種刀具在機械加工中的振動情況如何？加工結果能否達到要求的精度？隨著社會機械化程度的加深，對一些非常規(guī)加工的部件如深孔，提出了更高的要求，可往往長徑比大的刀桿會發(fā)生不可避免的振動，這對加工結果有著很大的影響。所以對長徑比比較大的刀桿進行減振研究就顯得迫在眉睫。為了解決鏜削過程中鏜桿的振動問題，國內外學者曾做過很多研究和嘗試，例如瑞典的Sandvik（山特維克）公司生產的阻尼減振鏜桿，其原理是在鏜桿靠近刀具端加置內阻尼系統。南京航空航天大學也從不同方面進行了減振刀桿的研究［1］。一般來說，刀具減振有下面三種辦法。①刀桿采用復合材料；②對刀頭結構進行優(yōu)化設計，減輕刀頭重量；③把鏜桿加工成中空結構，里面設計阻尼器，通過阻尼器的振動來減少刀桿的振動。

要抑制切削加工時刀具的振動，不僅需要提高刀具靜剛度，還要提高其動剛度。隨著制造業(yè)的發(fā)展，單一的減振措施達到的效果已經不能滿足精度要求，所以綜合減振已經成為發(fā)展趨勢。

1鏜桿結構的設計

本文設計的復合鏜桿主體為碳纖維復合材料，此材料具有高強度、低密度的特點，己被證明可用于制造刀桿［2］，在外層為硬質合金套，通過橡膠粘劑將硬質合金套和復合材料連接，在鏜桿中心裝有減振顆粒。該顆粒為200目的硬質合金粉，該結構的鏜桿設計應用了阻尼減振與動力減振的原理。其工作原理為：當鏜桿振動時，阻尼顆粒通過它們之間的相互碰撞、摩擦或者是通過顆粒和內腔壁的碰撞、摩擦來轉化鏜桿的振動能量，從而改變鏜桿的動剛度與靜剛度。

鏜桿結構如圖1所示。刀桿懸伸長度L1=250，直徑D=25，空腔長度為（L2～L3）=200，刀頭長度L3=50，直徑D1=17.5。

圖1　鏜桿結構

本文分析的鏜桿結構有三種，分別是整體硬質合金鏜桿、不含阻尼顆粒的復合材料鏜桿以及包含有阻尼材料的復合材料鏜桿［3］。

1.1鏜桿的靜剛度

鏜桿的靜剛度是指彎曲剛度，鏜桿的靜剛度與材料的抗彎剛度成正比，而抗彎剛度與鏜桿截面形狀，鏜桿材料的彈性量、密度有關，其端部剛度為：

式中，（EI）為鏜桿懸伸段的當量彎曲剛度，K為鏜桿的靜剛度。

橡膠粘劑層的厚度對于整個刀桿來說可忽略不計，而阻尼顆粒大部分處于松散狀態(tài)，所以它對靜剛度也基本沒有什么影響。因此在計算刀桿靜剛度時可將二者忽略［4］。

鏜桿的靜剛度值見表1。

表1　鏜桿靜剛度理論值和有限元值

由于刀頭對整個刀桿模態(tài)分析影響不大，所以該結構可化解為均質桿，選擇單元類型為StructuralSolid，Brick8node185。

利用有限元對鏜桿進行模態(tài)分析，得到以下結果，見表2。

表2　鏜桿的固有頻率

由表可2知，中空鏜桿的固有頻率比實心鏜桿的固有頻率有了較大提高，所以初步認為分層鏜刀的設計是合理的。

2鏜桿的諧響應分析

諧響應分析能夠反應鏜桿抵抗振動的能力，利用ANSYS對三種鏜桿進行分析得出三種刀桿的幅頻響應曲線，見圖3。

由表3可知，鏜桿3的動剛度明顯高于鏜桿2，但是鏜桿3的抗彎剛度低于鏜桿1和鏜桿2，但其阻尼系數比較高，故有限元分析與理論是一致的。鏜桿1更適合做低速鏜削加工，鏜桿2和鏜桿3更適合做高速鏜削加工，鏜桿3的性能要優(yōu)于另外兩種桿。

圖3　鏜桿諧響應

表3　動剛度

3減振顆粒大小對減振效果的影響

由于阻尼顆粒處于離散狀態(tài)，為了方便分析，我們把若干阻尼顆粒假設為一個整體。利用有限元模擬分析阻尼顆粒整體的大小對減振效果的影響。

由圖4所示，從靜剛度角度看，減振芯直徑不能太大，具體情況待以后實驗研究。

圖4　鏜桿靜剛度與減振芯直徑的關系

4結論

（1）硬質合金鏜桿的彈性模量高于本文提到的復合材料刀桿的彈性模量，所以硬質合金刀桿的靜剛度要稍微高于復合材料的靜剛度。

（2）影響鏜桿振動幅值的關鍵在于鏜桿的阻尼。鏜桿1適于低速鏜削加工，鏜桿3適于高速鏜削加工。

（3）對于具有減振芯的減振鏜桿，減振芯的直徑對減振效果有很大影響，所以當選用具有減振芯的鏜桿時，應謹慎考慮。

［1］翟鵬，張承瑞，劉世英等.一種膛削用高頻精密伺服刀桿的動態(tài)設計［J］.制造技術與機床，2006（8）.

［2］夏兆旺，單穎春，劉獻棟.基于懸臂梁的顆粒阻尼實驗 ［J］.航空動力學報，2007，22（10）：1737-1741.

［3］馬秋成，韓利芬，羅益寧.細長刀桿的結構分析 ［J］.機械設計，2002，190（4）：44-46.