復(fù)合減振在鏜刀桿上的研究

石曉龍龐學(xué)慧賀政軍

復(fù)合減振在鏜刀桿上的研究

石曉龍1龐學(xué)慧1賀政軍2

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

本文設(shè)計(jì)了一種由金屬材料與碳纖維復(fù)合材料組成的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)減振鏜刀桿，對其動態(tài)性能和靜態(tài)性能進(jìn)行了有限元分析，并且和普通的硬質(zhì)合金刀桿進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)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(zhì)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(fù)合結(jié)構(gòu)

在制造長徑比比較大的刀具時(shí)，人們往往會考慮到一個(gè)問題：這種刀具在機(jī)械加工中的振動情況如何？加工結(jié)果能否達(dá)到要求的精度？隨著社會機(jī)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(jié)果有著很大的影響。所以對長徑比比較大的刀桿進(jìn)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(nèi)外學(xué)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(chǎn)的阻尼減振鏜桿，其原理是在鏜桿靠近刀具端加置內(nèi)阻尼系統(tǒng)。南京航空航天大學(xué)也從不同方面進(jìn)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(fù)合材料；②對刀頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕刀頭重量；③把鏜桿加工成中空結(jié)構(gòu)，里面設(shè)計(jì)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(shí)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(dá)到的效果已經(jīng)不能滿足精度要求，所以綜合減振已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。

1鏜桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的復(fù)合鏜桿主體為碳纖維復(fù)合材料，此材料具有高強(qiáng)度、低密度的特點(diǎn)，己被證明可用于制造刀桿［2］，在外層為硬質(zhì)合金套，通過橡膠粘劑將硬質(zhì)合金套和復(fù)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(zhì)合金粉，該結(jié)構(gòu)的鏜桿設(shè)計(jì)應(yīng)用了阻尼減振與動力減振的原理。其工作原理為：當(dāng)鏜桿振動時(shí)，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(nèi)腔壁的碰撞、摩擦來轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

本文分析的鏜桿結(jié)構(gòu)有三種，分別是整體硬質(zhì)合金鏜桿、不含阻尼顆粒的復(fù)合材料鏜桿以及包含有阻尼材料的復(fù)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(guān)，其端部剛度為：

式中，（EI）為鏜桿懸伸段的當(dāng)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(gè)刀桿來說可忽略不計(jì)，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(jì)算刀桿靜剛度時(shí)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(gè)刀桿模態(tài)分析影響不大，所以該結(jié)構(gòu)可化解為均質(zhì)桿，選擇單元類型為StructuralSolid，Brick8node185。

利用有限元對鏜桿進(jìn)行模態(tài)分析，得到以下結(jié)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(shí)心鏜桿的固有頻率有了較大提高，所以初步認(rèn)為分層鏜刀的設(shè)計(jì)是合理的。

2鏜桿的諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析能夠反應(yīng)鏜桿抵抗振動的能力，利用ANSYS對三種鏜桿進(jìn)行分析得出三種刀桿的幅頻響應(yīng)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(shù)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(yīng)

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(shè)為一個(gè)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(shí)驗(yàn)研究。

圖4　鏜桿靜剛度與減振芯直徑的關(guān)系

4結(jié)論

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

（2）影響鏜桿振動幅值的關(guān)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(dāng)選用具有減振芯的鏜桿時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)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(shè)計(jì)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2006（8）.

［2］夏兆旺，單穎春，劉獻(xiàn)棟.基于懸臂梁的顆粒阻尼實(shí)驗(yàn) ［J］.航空動力學(xué)報(bào)，2007，22（10）：1737-1741.

［3］馬秋成，韓利芬，羅益寧.細(xì)長刀桿的結(jié)構(gòu)分析 ［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2002，190（4）：44-46.