減振鏜刀的設(shè)計與分析

1、減振鋰刀的設(shè)計與分析摘要:我國工業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)處于蒸蒸口上的狀態(tài)，加工生產(chǎn)也在不斷地創(chuàng)新和改進(jìn)，作 為加工中必不可少的深孔加工環(huán)節(jié)，其技術(shù)也在日益進(jìn)步。但是深孔加工中振動的問題 也隨之而來，加工中產(chǎn)生的振動不僅使得加工精度降低，還使得生產(chǎn)效率也大打折扌ii。 為此，減振成了現(xiàn)在必須要克服的難題。內(nèi)置減振系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)的一 種鋰刀的減振方法，它是通過在鋰刀桿的內(nèi)部加減振塊，橡膠圈，阻尼液等元件來達(dá)到 理想的減振效果。這種設(shè)計不僅沒有改變鋰桿原有的外觀形狀，述在一定程度上減少了 振動帶來的不便，是一種使用前景非常'廣闊的設(shè)計方式。本篇設(shè)計先講述了國內(nèi)外現(xiàn)有減振鋰桿的狀況，通過分析

2、、參考來確定最終采用的 設(shè)計方式。其次介紹了在加工過程中產(chǎn)生振動的不同種類和產(chǎn)生的機(jī)理，為設(shè)計提供一 些必要的參考材料。然后再選擇減振錘桿中所需的每個部件，在對不同部件做出不同的 分析，最后再將這些部件做出動力學(xué)模型，再整合出最終的數(shù)學(xué)模型。為實際的加工生 產(chǎn)提供一些參考。關(guān)鍵詞：減振；錘桿；深孔加工；剛度design and analysis of vibration boring cutterabstract: now our industry is in a flourishing state, production is constantly innovating and impro

3、vin% as an essential part of the processing of deep hole machining tech no logy is also in progress. vibration problems in the deep hole machining also come, lower vibration produced not only makes the machining accuracy in the processing, but less productive. to this end, now has to overcome the pr

4、oblem of vibration reduction. built-in vibration reduction system is a simple structure, easy to produce a boring tool vibration method, it is by boring bar internal and vibration damping, and the rubber ring, the vibration damping elements such as liquid to achieve the desired effect. this design n

5、ot only failed to change the boring bar is the original appearance of the shape, but also to a certain extent, reduce the inconvenience of vibration, is a very broad prospects for use of design.absorption boring bar, through analysis, to determine the final reference design. next introduced the vibr

6、ation produced during processing of different kinds and the mechanism, is designed to provide the necessary reference materials. then the vibration absorption boring bar for each component in different parts and different analysis, then make them dynamic model in the integration of the final model p

7、rovide your reference for actual production.key words : vibration; boring bars; deep holes; stiffness摘要iabstractii目錄iii1緒論11.1課題背景及研究意義11.2減振鋰桿的國內(nèi)外研究成果與發(fā)展的趨勢21.3國內(nèi)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢61.4小結(jié)62振動的機(jī)理分析和不同的減振措施72.1切削中振動的分類及產(chǎn)生的原因72.2減振的主要原則82.3控制機(jī)械加工振動的途徑82.3.1消除或者減弱發(fā)生振動的條件82.3.2改良工藝系統(tǒng)中的動態(tài)特性92.3.3選用減振裝置 103減振鋰桿的結(jié)構(gòu)

8、設(shè)計163.1減振鏗刀的桿材料選擇163.2鋰桿的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計163.3冷卻管的設(shè)計173.4減振裝置的組成元件183.4.1阻尼夜的選取183.4.2彈性元件的選擇193.4.3減振塊的選擇213.5減振鎮(zhèn)桿內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計223.6刀頭的設(shè)計234動力減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型244.1動力減振鏗桿系統(tǒng)的力學(xué)模型244.2建立動力減振系統(tǒng)的動力學(xué)分析模型274.3建立動力減振鎮(zhèn)桿的數(shù)學(xué)模型294.4本章小結(jié)295結(jié)論與展望305.1全文總結(jié)305.2展望30參考文獻(xiàn)32致謝341緒論 1 1課題背景及研究意義現(xiàn)今，制造業(yè)的發(fā)展已成為社會進(jìn)步的標(biāo)準(zhǔn)，加工中的高速和超高速加工現(xiàn)已成為 主流趨勢，企業(yè)

9、對加工精度的標(biāo)準(zhǔn)和要求也越來越高,在金屬切削這塊加工領(lǐng)域里，特別 是在高速加工深孔的時候，由于孔的形狀要求和精度要求比較高，因此刀具加工產(chǎn)生的 振動一直是阻礙加工精度的最大障礙之一，它的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了零件的加工精度與表面 的粗糙度，阻礙了切削加工向著高速度、高精度和高強(qiáng)度方向的發(fā)展。其產(chǎn)生的原因有 很多。例如，加工中不斷變化的切削力，工件加工中裝夾不穩(wěn)定等。其次當(dāng)鐐桿的懸伸 量比較大時，就更加容易發(fā)生振動,進(jìn)而使孔的加工精度降低。雖然，有很多辦法來控制 這些相關(guān)的問題，但是，由于長懸仲量刀具加工產(chǎn)生的巨大振動，不得不通過減少加工 時的軸向切削深度與進(jìn)給量來避免，這也將對金屬的去除率產(chǎn)生較大的影

10、響。因此，我 們有必耍仔細(xì)研究機(jī)械刀具加工中振動發(fā)生的原因以及其預(yù)防和控制的方法，從而降低 甚至消除加工中的振動。從生產(chǎn)和加工的實際應(yīng)用和價值來講，減振錘刀的設(shè)計和研發(fā)有助于我國切削制造 業(yè)的發(fā)展。我國作為世界的“制造中心”。零件整體化加工己成為趨勢，深孔加工己是 機(jī)械加工中的重屮z重。雖然我國的很多企業(yè)在這方面做了不少的研究,但產(chǎn)生的效果 卻均不是很理想，與國外的研究水平還有比較大的差距，因此我國在牛產(chǎn)制造業(yè)這條漫 長的征途上還有很多道路需要走。另外有些人長徑比的零件，一般的刀具達(dá)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慮它的剛度穩(wěn)定性。目前我國比較穩(wěn) 定的產(chǎn)品并不多，還需要

11、人量引進(jìn)國外生產(chǎn)的刀具，這就使得我國零件加工成本變得很高。因此，減振刀具的開發(fā)與研究現(xiàn)己經(jīng)成為我國切削加工行業(yè)目前急需解決的重大問 題，解決了這個問題就可以帶動我國其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,進(jìn)而提高我國機(jī)械行業(yè)的競 爭能力。1.2減振鋰桿的國內(nèi)外研究成果與發(fā)展的趨勢切削振動較容易發(fā)生在剛度較低的加工中，所以，在加工中為了減少振動的產(chǎn)生， 通常應(yīng)加強(qiáng)鎮(zhèn)桿的靜剛度或者動剛度。當(dāng)需要加工一般刀具無法加工的深孔時，往往需 要用到長懸伸量刀具，而減振刀具成為了最佳的選擇。當(dāng)然，這些新型刀具在國外也有 著許多的應(yīng)用。通過了解國內(nèi)外的減振刀桿，總的來說，是比較緩慢的。但也有設(shè)計比較成功的案 例，比如說h本的三菱(

12、mitsubishi),東芝(toshiba),瑞典的山特維克(sandvik), 美國的肯納(kenametal)公司等。圖1t三菱阻尼鋰刀桿可加工師小陰胸tis0m1fig. 1-1 damping boring cutter of mitsubishi圖1-2三菱阻尼鋰刀桿fig.l -2 damping boring cutter of mitsubishi其屮，三菱公司刀具的設(shè)計理念是對刀頭進(jìn)行了優(yōu)化的設(shè)計，就是利用軟件來模擬 最終確定刀頭的重量，主要是減輕鎮(zhèn)桿頭部的重量，防止了撓曲，加強(qiáng)了鎮(zhèn)桿的動剛度, 使振動變?nèi)?。如圖11和12所示。站在材料力學(xué)的角度上來看，這種刀具是運用了桿端

13、部應(yīng)力邊緣效應(yīng)。當(dāng)鎮(zhèn)刀桿受 到偏心力的時候，可從刀頭減去一些材料，這樣既減輕了鎮(zhèn)刀刀頭的重量，靜剛度也沒 受到多大影響，述改善了鐲桿的動剛度。密輜朋緬歸上側(cè)力 住9加砒）t. mu»t17%.iwai47g1$3ms26.3un34ah70.1g20ns圖1-3三菱阻尼鋰刀刀桿減振效果fig. 1-3 vibration reduction effect of damping boring cutter of mitsubishi三菱刀具的設(shè)計依舊存在一些缺憾，頭部切除材料的辦法也存在局限性，影響長徑 不能較大。圖13顯示的是刀桿預(yù)防撓曲還有減少振動的效果圖。東芝公司制作的減振刀具原

14、理是將刀具的頭部，找一處平行且相互對稱的的地方， 去除掉一部分，然后在此處在嵌上堅硬的材料。但也由于這種方法產(chǎn)生了不少的弊端， 如鑲嵌材料的剛度值，厚度值，以及在與刀體連接吋的粘結(jié)穩(wěn)固性，精密性，都會對刀 體整體上的產(chǎn)生影響，所以也會在應(yīng)用上受到一些限制。如圖下圖14所示：圖1-4東芝減振刀具fig. 1-4 damping boring cutter of toshiba被大多數(shù)生產(chǎn)商看好的是山特維克可樂滿的silent tools系列:，它不光有減振效果,最突出的是能夠提高生產(chǎn)效率。如圖15所示圖1-5山特維克減振刀具fig. 1-5 v ibration absorption tool

15、of sandvik這類刀具能夠消除最小化的振動，它的內(nèi)部安裝了一個減振機(jī)構(gòu)。該刀具的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)裝有一個回轉(zhuǎn)體，周圍被特殊液體環(huán)繞。該體統(tǒng)還能在超出一定限制時，進(jìn)行頻率的 調(diào)節(jié)。美國kenametal公司生產(chǎn)的減振刀具主要采用特殊的材料制成，也屬于提高刀桿靜 剛度的一種。1.3國內(nèi)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢目前我國的減振鏗桿還處于研究、開發(fā)階段，設(shè)計的中心還在工藝的改良上?？捉?星，對刀具振動是深孔加工中影響精度，效率等的首要原因提出了問題。對不同類型的 減振鎮(zhèn)桿，運用模態(tài)實驗方法來測試出動態(tài)特性，最終得出固有的振型與模態(tài)參數(shù)，為 減振鎮(zhèn)桿的研制開發(fā)提供了參考。沈陽工業(yè)學(xué)院的張志軍，測定并且推導(dǎo)出了

16、動力減振 器的特性參數(shù)，對大懸伸的減振鋰桿進(jìn)行了完善。北京工業(yè)大學(xué)的區(qū)炳顯和王民對國內(nèi) 外減振鎮(zhèn)桿振動的控制方法現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并u也分析了各種鎮(zhèn)桿減振措施的特點， 述對以后鏗桿減振的發(fā)展進(jìn)形進(jìn)行了展望。1.4小結(jié)綜合現(xiàn)有的研究成果可知：采取單一減振原理的錘桿，其減振效果不是很理想，我 們應(yīng)該采用具有綜合性的減振措施才能取得較理想的效果。要想提高鎮(zhèn)刀桿的抗振效果, 首先要提高鎮(zhèn)桿自身的動剛度，其次還要增加錘桿的系統(tǒng)阻尼，增強(qiáng)系統(tǒng)對振動的吸收 能力；本人基于這種想法，于是在鎮(zhèn)桿中選擇加入減振系統(tǒng)來進(jìn)一步提高減振性能。鎮(zhèn) 桿的減振系統(tǒng)按照耗能元件的不同，主要有動力減振器、摩擦減振器、沖擊減振器等。

17、 在此本文選取動力減振的方法來設(shè)計鎮(zhèn)刀桿。2振動的機(jī)理分析和不同的減振措施想要保證加工生產(chǎn)中的精度，平穩(wěn)的過程是關(guān)鍵。但是，在實際的加工中總是產(chǎn)生 各種各樣的問題，也會有來自系統(tǒng)本身的剛度條件不足，這便產(chǎn)生了振動。它們的機(jī)理 以及控制的條件也不盡相同。因此我們要對不同的振動進(jìn)行不同的分析。2.1切削中振動的分類及產(chǎn)生的原因如下表2-1所示振動分類振動產(chǎn)生原因振動波圖自rh振動口由振動的產(chǎn)生是因為，rh 刀具、工件與機(jī)床組成的加 工工藝系統(tǒng)在產(chǎn)生加工中激 發(fā)了脈沖性質(zhì)的干擾力，使 得其產(chǎn)生。受迫振動它產(chǎn)生的因素是，外界對系 統(tǒng)施加了反復(fù)的力，進(jìn)而是 系統(tǒng)產(chǎn)生了受迫振動。2. 2減振的主要原則結(jié)合

18、現(xiàn)有錘刀減振的各種方法，減振的主要原則有以下幾點：a）選擇合適的切削參數(shù)與刀片的角度，盡可能把切削力減到最小；b）增大鎮(zhèn)刀的系統(tǒng)，夾具，工件的靜剛度；c）在原有刀具的內(nèi)部增加一個振動來阻礙外界切削力的振動,進(jìn)而減弱刀具 的振動。2. 3控制機(jī)械加工振動的途徑2.3.1消除或者減弱發(fā)生振動的條件1）消除或者減小內(nèi)部振動高速回轉(zhuǎn)的零件在機(jī)床上必須滿足動平衡要求；加強(qiáng)傳動元件及傳動裝置的制造精 度和裝配精度，保證零件的傳動平穩(wěn)；使動力源和機(jī)床本身分離。2）調(diào)整振源的振動頻率通過改變零件之間的傳動比，盡可能使引起強(qiáng)迫振動的振動源頻率遠(yuǎn)離機(jī)床系統(tǒng)加 工薄弱環(huán)節(jié)的【古|有頻率，避免兩者產(chǎn)生共振。一般應(yīng)滿足

19、式中fa機(jī)床加工系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率；于激激振力頻率。3）釆用隔振措施所謂隔離，就是將振源所產(chǎn)生的一部分振動被隔離裝置所吸收或者被隔離。隔振措 施分為兩種，一種為主動隔振，即阻止內(nèi)部振動源通過地基外流；另一種為被動隔振， 即阻止外部干擾力通過地基傳送給機(jī)床。一般的隔振材料有橡皮、空氣彈簧、金展彈簧、 木屑等。2.3.2改良工藝系統(tǒng)中的動態(tài)特性1）提升工藝系統(tǒng)屮的剛度要求盡量加強(qiáng)工藝系統(tǒng)中比較薄弱環(huán)節(jié)的剛度，這樣對提高機(jī)床加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一 定的幫助。加強(qiáng)每個結(jié)合面的接觸剛度，向主軸支承添加載荷，向剛性比較差的工件添 加輔助支承等這些措施都對提高工藝系統(tǒng)的剛度有一定的幫助。2)加強(qiáng)工藝系統(tǒng)阻

20、尼度加強(qiáng)工藝系統(tǒng)中阻尼度，有很多措施去實現(xiàn)。女口，高內(nèi)阻零件的使用，加大運動件之間的相對摩擦，在立柱、床身的內(nèi)腔里填充型砂，安裝阻振器于主振方向等。2.3.3選用減振裝置我們一般的減振裝置有阻尼式、動力式、沖擊式和摩擦式減振器等三種裝置。1)阻尼消振即對原系統(tǒng)增加阻尼從而降低振動響應(yīng)。這里以單自由度振動系統(tǒng)來舉例說明。可以導(dǎo)出振動位移對激振力的傳遞函數(shù)見公式(21)g(s)=-(2t)ms + cs + k令2加,由式(2-1)可導(dǎo)出位移無對激振力/ (t)的頻率特性g (jco)。其對應(yīng)的幅頻特性見公式(2-2)/?(69)= t177(2-2)c1 co1 2設(shè)激振力是簡諧力，即/(j=/

21、ocos血，則位移振幅公式見(2-3)兀0(2-3)而當(dāng)振動系統(tǒng)受到與力幅的常值力的作用大小相等，有靜態(tài)位移見公式（24）(2-4)導(dǎo)擊阻尼消振系統(tǒng)的動力放大系數(shù)見公式（25）(2-5)式中，g為頻率比，為振動系統(tǒng)的阻尼比，以阻尼比參數(shù)，分別取0, 0.1, 0.15, 0.25,0.5, 0.70, 1.0并按式（2-5）用matlab繪制單自由度振動系統(tǒng)對激（t）的幅頻響應(yīng)曲 線，如圖21所示圖2t阻尼消振系統(tǒng)動力放大系數(shù)幅頻曲線fig.2-1 damping system dynamic amplification coefficient of amplitude frequency c

22、urve2）動力減振系統(tǒng)消振原理在工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的減振系統(tǒng)中動力減振應(yīng)用狡為廣泛。它的優(yōu)點在于只要增 加少量的零件就能達(dá)到想要的減振效果。動力減振系統(tǒng)的簡易模型如圖22所示，假設(shè)彈-簧的剛度是k、k、動力減振系統(tǒng)的 質(zhì)量為m、減振塊得質(zhì)量為m、主質(zhì)量位移為x|、消振器的位移為用2,不計阻尼的響應(yīng), 動力減振系統(tǒng)的運動方程為（26）mxx +（r + k）“ - g = p（/）mx2 -kx+kx2=q（2-6）式中，p （t）是主振動系統(tǒng)中的激振力。消振器質(zhì)量位移與主振動系統(tǒng)質(zhì) 位移對激振力p （t）的幅值特性公式為（27）圖2-2動力振動系統(tǒng)的簡單模型fig.2-2 a simple

23、model of vibration system power盡(e)=k 一 mar(k + £ - mco" x* - mco)-k + k- mar k - mar)- k2(2-7)帶入?yún)?shù)導(dǎo)岀消振器質(zhì)量位移與主振動系統(tǒng)質(zhì)量位移的動力放大系數(shù)的解析式為(2-8)尺(嘰廠著1心g“-g2k + /2(i+)+/.2星伽比 f'xog4 -g2z：+/2(i+；/)+y2(2-8)當(dāng)主振動系統(tǒng)的固有頻率無限趨近于激振力頻率的時候，這時候就會產(chǎn)生較強(qiáng)的共振現(xiàn)象。要抑制這種現(xiàn)象就需要調(diào)整消振器的固有頻率，就需等式(2-9)co(i = 0)(2-9)將等式(2-9)

24、帶入式(2-7),得消振器的振幅和主振動系統(tǒng)的振幅分別為x 1 = p ° r i = ox 2 = p 0 r 2) = - p 0k (2-10)由式(210)可知。當(dāng)激振力的頻率，消振器固有頻率兩者相等時，主振動系統(tǒng)屮 的振幅就為0,這就說明主振動系統(tǒng)是沒有產(chǎn)生振動的。3)摩擦減振減振摩擦減振的設(shè)汁原理指用摩擦阻尼的方式來綜合振動從而達(dá)到減振的效果。圖23 所示。軸3和轂盤2相連；擰緊螺帽4,轂盤2、摩擦盤6和飛輪1通過碟形彈簧5保持一定 的壓緊力。當(dāng)轂盤2跟著軸3作扭轉(zhuǎn)振動時，因為飛輪1的慣量較大，所以不能跟軸3作同 步運動，和飛輪1相連的摩擦盤6與轂盤2兩者有相對轉(zhuǎn)動，摩擦

25、盤6有消耗軸3扭振的作 用，從而達(dá)到消減軸3振動的效果。i 234 561 -飛輪 2 -轂盤 3 -扭轉(zhuǎn)軸4-螺帽 5 -彈簧 6 -摩擦盤圖2-3固體摩擦式減振器的結(jié)構(gòu)簡圖fig.2-3 a simple model of hydraulic shock absorber4）沖擊減振式消振法如圖24中a、b指的是沖擊式的減振鎮(zhèn)桿和鎮(zhèn)刀，兩者是通過兩個物體互相碰撞時 需要損失一部分動能的設(shè)計原理，在振動體m上加一個質(zhì)量m充當(dāng)沖擊作用。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn) 牛振動時，質(zhì)量m不停沖擊著振動體m,從而消耗振動體產(chǎn)牛的能量，起到減振的效果。a)b)圖2-4沖擊式減振鋰桿和錘刀fig.2-4 impact typ

26、e damping boring bar and cutter3減振鏗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計根據(jù)冃前國內(nèi)外減振鎮(zhèn)桿比較先進(jìn)的設(shè)計思路來考慮材料與結(jié)構(gòu)對減振的影 響，進(jìn)行錘桿的設(shè)計。3.1減振鋰刀的桿材料選擇在設(shè)計中我們擔(dān)心的是決定減振鋰桿的材料的特性參數(shù)彈性模量與密度的值。 在這個設(shè)計中我們選擇45鋼來做為桿體的材料，其中長度的單位是毫米（mm）,質(zhì)量 單位是千克（kg）,余下的選擇國際單位，材料的選用如表3所示表3t材料彈性模量（ex）泊松比（prxy）密度(dens)45鋼2.07e80.37.8e-63. 2 ¥堂桿的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計木文我們將選直徑為50mm,長徑比為15的桿體來進(jìn)行設(shè)

27、計。減振桿的減振內(nèi)腔宜徑為44mm,長度為330mm,通孔直徑為12mm,以便使用切削液。其結(jié)構(gòu)見圖31圖3-1 ¥堂桿桿身fig.3-1 boring bar shaft錘桿的實體模型見圖32圖3-2加上刀頭后的空心鎧桿fig.3-2 after a bit hollow boring bar3. 3冷卻管的設(shè)計深孔加工中卻少不了切削液，它的選用決定著加工質(zhì)量、加工效率還有刀具的使用 壽命等。結(jié)構(gòu)中冷卻管與刀頭用螺紋和接，也能夠?qū)⒌额^產(chǎn)生的振動歸還到到頭上面， 冷卻管還和橡膠墊片支撐相互照應(yīng)，對減振塊起到一定旳支撐效果，使產(chǎn)生的振動流到 減振塊上面，其三維模型如圖33所示。圖3-3

28、冷卻管fig.3-3 cooling pipe3.4減振裝置的組成元件本文對減振鎮(zhèn)桿采用動力減振的方式來進(jìn)行消振。這里包含了減振塊、阻尼元件、 彈性元件等。3.4.1阻尼液的選取阻尼液存在于減振塊與減振腔之間，它可以將系統(tǒng)產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)化為熱能再由冷卻 液帶走，達(dá)到減振的作用。對于阻尼材料的選取，據(jù)我們所知粘性阻尼系數(shù)對于鎮(zhèn)桿的 減振有著相當(dāng)大的影響。所以其粘度系數(shù)就成為了選取阻尼液的一項指標(biāo)。這就需要求 出粘性阻尼系數(shù)與阻尼液粘度系數(shù)兩者的關(guān)系。這里，需要應(yīng)用哈爾濱理工大的秦柏博 -上論文中的公式。運動粘度系數(shù)公式為(31)z =亠p 128®(3-1)式中c為粘性阻尼系數(shù)，是阻尼液

29、與減振塊相連部分的長度，為阻尼液密度。所以彈性膠泥不失為一種不錯的選擇，彈性膠泥是由抗壓劑、有機(jī)硅高分子化合物、 填充劑等合成的一種材料。當(dāng)其狀態(tài)在室溫下為半固態(tài)時，稱為硅膠。而狀態(tài)為液體吋 稱其為硅油。彈性膠泥有著良好的抗老化與抗高溫的特性，而且在溫度很高的地方它的 穩(wěn)定性也很好。所以，國外許多的減振刀具都使用硅油來作為阻尼材料，常見的硅油有 甲基與高粘度乙基。通過研究，甲基硅在25弋的溫度下粘度是100-1000000厘斯，通過 計算它的阻尼范圍在1.2412400n-s|m,適于用在減振鎮(zhèn)刀中。3. 4. 2彈性元件的選擇彈性元件在減振系統(tǒng)中也起著至關(guān)重要的作用。彈性元件在減振系統(tǒng)中將自

30、己變形 來起到緩沖振動和傳遞力的作用。彈性元件選用的材料和形狀都會對減振產(chǎn)生一定的影 響。所以在作彈性元件的選擇時，就要考慮減振器所處的位置和其用途。一般的減振材料 為一些有彈性的有機(jī)物、金屬、橡膠等。對于金屬彈簧，橡膠更具有彈性，緩沖性。而 且，在發(fā)生振動時發(fā)生了形變，很快會恢復(fù)原狀，此外，它還有很高的撓性，耐高溫性。 因此本設(shè)計屮選用彈簧橡膠來代替簡易模型屮的k。再根據(jù)減振鎮(zhèn)刀的結(jié)構(gòu)特點，選用 圓形的橡膠圈更為合適。考慮到冷卻管的存在，其內(nèi)徑定為lommo外徑為25mm,大致 形狀為圖（3-4）圖3-4彈簧橡膠fig.3-4 spring rubber在這里，本文引入哈爾濱理工大學(xué)馬天宇的

31、碩士畢業(yè)論文中的實驗結(jié)果c他經(jīng)過多 次對橡膠圈軸向長度的試驗，確定它的值為20mm,通過試驗可知它的徑向剛度和減震 器的彈簧剛度k接近。分析如下。俗a:伽am.1.1圖3-5彈簧橡膠受力圖fig.3-5 force diagram of spring rubber將內(nèi)徑16mm,外徑34mm,軸向長度28mm的彈簧橡圈進(jìn)行ansys有限元分析，對 其外徑固定，對其兩側(cè)進(jìn)行z軸方向的固定約束，對內(nèi)徑加f二1n的x軸方向的徑向力。 如圖36所示l2su.d4 書f«(7n?4nimi9mtin圖3-6彈簧橡膠變形圖所以得到彈簧橡圈的徑向剛度值為廠亦皿5曲加(3-2)因為彈簧橡圈支撐這減振

32、塊，所以將此橡圈分為軸向長度為14mm的兩個橡膠圈。3. 4. 3減振塊的選擇減振塊的形狀設(shè)計在這里我們要根據(jù)鎮(zhèn)桿的形狀來確定，考慮到需要將減振塊放在 桿的內(nèi)部，因此設(shè)計減振塊為圓柱體。一般國外生產(chǎn)的減振鋰桿選擇密度比較大的材料 來制作減振塊。原因是，鎮(zhèn)桿里面的空間是有限的。在本設(shè)計中選用兩端支撐的方式來 托起減振塊，讓它在桿中懸空。其大致結(jié)構(gòu)如圖37所示圖3-7減振塊fig.3-7 vibration attenuation block在桿體體積限制的情況下，我們選擇碩質(zhì)合金yl10作為本次設(shè)計的材料。我們初 步將尺寸確定為外徑d二41mm,內(nèi)徑d=18mm。軸向長度為/減=290mm。3.

33、 5減振鋰桿內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計減振鎮(zhèn)桿內(nèi)部主要由：刀頭、桿身、彈簧橡膠、減振塊、冷卻管、阻尼液、密封0型圈等幾部分構(gòu)成。它的三維模型如下圖38所示，桿體內(nèi)的裝配圖如39所示。圖3-8減振鐸桿的三維模型4fig.3-8 3d model of damping boring bar彈簧橡膠 阻尼液/ 冷卻管減振塊桿身圖3-9減振鋰桿的整體裝配圖fig.3-9 damping boring bar assembly darwing3. 6刀頭的設(shè)計現(xiàn)有的產(chǎn)品一般都采用輕質(zhì)鋁合金來作為制作刀頭的材料，還有許多的生產(chǎn)商去優(yōu) 化結(jié)構(gòu)的刀頭，從而來減輕刀頭質(zhì)量，將鎮(zhèn)刀整體達(dá)到想要的減振效果。在本課題中我 們

34、選用鋁合金的刀頭。4動力減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在分析動力減振鎮(zhèn)桿的振動特性的時候，我們主要抓住其中主要的部分去分析，略 去那些次要因素，分析的第一步,我們將實際力學(xué)系統(tǒng)簡化與抽象成一般的力學(xué)模型來做 分析。在本設(shè)計中我們可以將系統(tǒng)整體上化分成質(zhì)量元件、彈性元件與阻尼元件這三 塊小系統(tǒng)。在將這三個小系統(tǒng)的簡單力學(xué)模型合成振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。4.1動力減振鏗桿系統(tǒng)的力學(xué)模型本篇設(shè)計我將選用物理參數(shù)模型去建立鎮(zhèn)桿減振系統(tǒng)屮的模型。在分析前我們先確 定分析的基木組成部分。在這個減振系統(tǒng)中我們提取出了質(zhì)量、彈性、阻尼這三大元件。 我們將他們看作是理想化的元件在系統(tǒng)屮。1）質(zhì)量元件質(zhì)量元件是減振中不可少的元件

35、。要使質(zhì)量元件在小空間得到大質(zhì)量的要求，材料 的選擇就需要高密度的材料制成。在鋰桿的減振系統(tǒng)力學(xué)模型中,質(zhì)量元件需要由無彈 性、不耗能的剛體來代替。圖4t質(zhì)量元件fig.4-1 the quality component 質(zhì)量元件在減振系統(tǒng)中作為儲存動能的元件，能夠?qū)a(chǎn)牛的振動吸收并口轉(zhuǎn)換為 自己的動能。在系統(tǒng)中，當(dāng)質(zhì)量元件因為振動受到作用力f時，根據(jù)牛頓第二定律，產(chǎn)生 加速度a,方向1.與力f相等。因此質(zhì)量元件上的力與加速度兩者之間的關(guān)系式為：f=ma(4-1)式中，m一質(zhì)量元件的質(zhì)量,它也是質(zhì)量元件慣性的度量2) 彈性元件在鋰桿的減振系統(tǒng)力學(xué)模型中，彈性元件需要被當(dāng)做是沒有質(zhì)量但是具有彈性

36、的一 種元件，彈性元件作為一種儲存勢能的元件，它能將外界的振動沖擊轉(zhuǎn)成多次小量的振動 沖擊。一般來說單憑彈性元并不能夠消化振動，所以述它必須結(jié)合耗能元件使用才能實現(xiàn) 減振的效果。fig.4-2 the elastic element如圖所示將彈性元件一端固定，當(dāng)另外一端受到作用力f的時候，它的自由端就會沿力f的方向發(fā)生位移x,力和位移兩者之間的關(guān)系式如下：f=kx(4-2)式中，k彈性元件的剛度3) 阻尼元件減振系統(tǒng)中阻尼元件需要抽象為沒有質(zhì)量、沒有彈性、但有阻尼系數(shù)的一種元件。在減振系統(tǒng)中阻尼元件通過耗能來起到減振效果。圖4-3阻尼元件fig.4-3 the damping componen

37、t如圖所示將阻尼元件一端固定，當(dāng)另外一端受到作用力f的時候，這一邊就會以v的速度做運動。于是阻尼力和速度這兩者之間的關(guān)系式如下：(4-3)式屮，c阻尼器的粘性系數(shù)f=c v4. 2建立動力減振系統(tǒng)的動力學(xué)分析模型當(dāng)對動力減振系統(tǒng)進(jìn)行分析時，我們需要先建立起減振系統(tǒng)的動力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模 型。在本設(shè)計的前一節(jié)己經(jīng)對各個元件進(jìn)行了簡單的力學(xué)模型分析，現(xiàn)在，我們就需要 將這些力學(xué)模型轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。最后通過數(shù)學(xué)分析的手段對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行振動 的特性分析。設(shè)計中減振系統(tǒng)基木是刀桿與一個減振單元的組合:結(jié)合前面圖22減振系統(tǒng)的簡單 模型進(jìn)行分析。圖4-4動力減振鏗桿的力學(xué)模型fig. 4-4 mech

38、anics model of dynamical vibration absorption boring bar圖4-4屮:ml鋰桿桿體的等效集中質(zhì)量；m2減振質(zhì)量塊的質(zhì)量；kl鎮(zhèn)桿桿體的等效剛度；k2減振系統(tǒng)中彈性元件的彈性系數(shù)；c阻尼元件的阻尼系數(shù)；f激振力幅值；w激振頻率；xl鎮(zhèn)桿在激振力作用下的位移；x2減振質(zhì)量塊在激勵力作用下的位移。4. 3建立動力減振鋰桿的數(shù)學(xué)模型質(zhì)量單元1的受力微分方程：(4-5)(4-6)nijxj +c（x 上2）+£2（兀1比2 _兀2）+何兀1 = f嚴(yán)質(zhì)量單元2的受力微分方程:m2x2 -c（x _工2）_上2（兀1 _兀2）= 0振動系統(tǒng)的

39、微分方程矩陣:(4-7)m 0° -書鐘+嚴(yán)+心 kaxa=fe0 m2 j x2 j |-c cjx2j -k2 k2 x2 oj4. 4本章小結(jié)本章一開始先對動力減振鋰桿的減振原理進(jìn)行了分析。然后，分別詳細(xì)的對減振系 統(tǒng)中三大元件進(jìn)行了分析和模型的建立。最后通過這些小系統(tǒng)對減振鎮(zhèn)桿建立起了力學(xué) 分析模型，經(jīng)過相關(guān)的力學(xué)知識對力學(xué)模型建立動力學(xué)方程，利用數(shù)學(xué)分析對減振系統(tǒng) 進(jìn)行了分析求解,最終得出了減振系統(tǒng)的微分方程。5結(jié)論與展望5. 1全文總結(jié)本篇設(shè)計根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的減振鏗桿的研究成果，設(shè)計出自己較為理想的減振鋰桿 的基木模型，減振鎮(zhèn)桿內(nèi)部大致由減振塊，彈性元件橡膠圈，阻尼元件等

40、部分組成。設(shè) 計大致分為了四部分：（1）第一部分，我收集了國外大公司減振鎮(zhèn)桿的設(shè)計，分析了各個鎮(zhèn)桿的設(shè)計原理， 運用的材料等，為自己的設(shè)計做出了很大的鋪墊。（2）第二部分，在這里我將振動的原理，產(chǎn)生的原因分析了很多，將振動的根源掌握, 結(jié)合現(xiàn)有的減振措施，選擇出適合白己設(shè)計振動的措施。（3）最重要的一部分，那就是初步設(shè)計，綜上所述，我選擇了動力減振措施，分部設(shè) 計，并將每部分做出了力學(xué)分析。（4）最后將這些力學(xué)分析綜合得出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。5.2展望經(jīng)過幾個月的努力和不斷學(xué)習(xí)，本設(shè)計完成了對減振鐲桿的設(shè)計和分析，對減振系 統(tǒng)做出了力學(xué)分析和數(shù)學(xué)模型分析，將基本結(jié)構(gòu)通過cad軟件展現(xiàn)了岀來，動力減

41、振這 種減震措施結(jié)構(gòu)簡單，尤其適用于大長徑比的鎮(zhèn)桿，有著很大的發(fā)展前景，我們還需要 進(jìn)行更加飽滿，充分的研究，因為時間的問題，設(shè)計雖然有了上述的研究成果，可還有更 深的問題需要我們進(jìn)一步解決：1）動力減振鋰桿的制造工藝和制造。2）動力減振鎮(zhèn)桿中阻尼和動態(tài)特性的實驗測定。3）動力減振鎮(zhèn)桿的尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。參考文獻(xiàn)1朱垂岱，龐學(xué)慧，張余生等.顆粒阻尼鋰刀桿減振分析與試驗研究ij.制造技術(shù)與機(jī) 床,2014,(10)12王軍,吳風(fēng)和，韓亞麗等.層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)僮刀桿設(shè)計與性能研究j.中國機(jī)械工程,2013,24 (6) 王建,丁國富，張海峰等.減振鋰刀切削加工試驗研究j.中國測試,2009,35 (6)4曾海波，羅紅波，李紅梅.阻尼合