复合减振在镗刀杆上的研究

石晓龙庞学慧贺政军

复合减振在镗刀杆上的研究

石晓龙1庞学慧1贺政军2

1、山西中北大学机械与动力工程学院2、湖北省孝感市孝南区红林探控有限公司

本文设计了一种由金属材料与碳纤维复合材料组成的层状复合结构减振镗刀杆，对其动态性能和静态性能进行了有限元分析，并且和普通的硬质合金刀杆进行了对比。结果表明，复合结构镗杆具有更加优良的动态性能，适用于高速镗削加工，而硬质合金镗杆具有较高的静刚度，固有频率及动刚度较低，适于载荷较大的低速镗削加工。

镗刀杆；有限元；动态性能；复合结构

在制造长径比比较大的刀具时，人们往往会考虑到一个问题：这种刀具在机械加工中的振动情况如何？加工结果能否达到要求的精度？随着社会机械化程度的加深，对一些非常规加工的部件如深孔，提出了更高的要求，可往往长径比大的刀杆会发生不可避免的振动，这对加工结果有着很大的影响。所以对长径比比较大的刀杆进行减振研究就显得迫在眉睫。为了解决镗削过程中镗杆的振动问题，国内外学者曾做过很多研究和尝试，例如瑞典的Sandvik（山特维克）公司生产的阻尼减振镗杆，其原理是在镗杆靠近刀具端加置内阻尼系统。南京航空航天大学也从不同方面进行了减振刀杆的研究［1］。一般来说，刀具减振有下面三种办法。①刀杆采用复合材料；②对刀头结构进行优化设计，减轻刀头重量；③把镗杆加工成中空结构，里面设计阻尼器，通过阻尼器的振动来减少刀杆的振动。

要抑制切削加工时刀具的振动，不仅需要提高刀具静刚度，还要提高其动刚度。随着制造业的发展，单一的减振措施达到的效果已经不能满足精度要求，所以综合减振已经成为发展趋势。

1镗杆结构的设计

本文设计的复合镗杆主体为碳纤维复合材料，此材料具有高强度、低密度的特点，己被证明可用于制造刀杆［2］，在外层为硬质合金套，通过橡胶粘剂将硬质合金套和复合材料连接，在镗杆中心装有减振颗粒。该颗粒为200目的硬质合金粉，该结构的镗杆设计应用了阻尼减振与动力减振的原理。其工作原理为：当镗杆振动时，阻尼颗粒通过它们之间的相互碰撞、摩擦或者是通过颗粒和内腔壁的碰撞、摩擦来转化镗杆的振动能量，从而改变镗杆的动刚度与静刚度。

镗杆结构如图1所示。刀杆悬伸长度L1=250，直径D=25，空腔长度为（L2～L3）=200，刀头长度L3=50，直径D1=17.5。

图1　镗杆结构

本文分析的镗杆结构有三种，分别是整体硬质合金镗杆、不含阻尼颗粒的复合材料镗杆以及包含有阻尼材料的复合材料镗杆［3］。

1.1镗杆的静刚度

镗杆的静刚度是指弯曲刚度，镗杆的静刚度与材料的抗弯刚度成正比，而抗弯刚度与镗杆截面形状，镗杆材料的弹性量、密度有关，其端部刚度为：

式中，（EI）为镗杆悬伸段的当量弯曲刚度，K为镗杆的静刚度。

橡胶粘剂层的厚度对于整个刀杆来说可忽略不计，而阻尼颗粒大部分处于松散状态，所以它对静刚度也基本没有什么影响。因此在计算刀杆静刚度时可将二者忽略［4］。

镗杆的静刚度值见表1。

表1　镗杆静刚度理论值和有限元值

由于刀头对整个刀杆模态分析影响不大，所以该结构可化解为均质杆，选择单元类型为StructuralSolid，Brick8node185。

利用有限元对镗杆进行模态分析，得到以下结果，见表2。

表2　镗杆的固有频率

由表可2知，中空镗杆的固有频率比实心镗杆的固有频率有了较大提高，所以初步认为分层镗刀的设计是合理的。

2镗杆的谐响应分析

谐响应分析能够反应镗杆抵抗振动的能力，利用ANSYS对三种镗杆进行分析得出三种刀杆的幅频响应曲线，见图3。

由表3可知，镗杆3的动刚度明显高于镗杆2，但是镗杆3的抗弯刚度低于镗杆1和镗杆2，但其阻尼系数比较高，故有限元分析与理论是一致的。镗杆1更适合做低速镗削加工，镗杆2和镗杆3更适合做高速镗削加工，镗杆3的性能要优于另外两种杆。

图3　镗杆谐响应

表3　动刚度

3减振颗粒大小对减振效果的影响

由于阻尼颗粒处于离散状态，为了方便分析，我们把若干阻尼颗粒假设为一个整体。利用有限元模拟分析阻尼颗粒整体的大小对减振效果的影响。

由图4所示，从静刚度角度看，减振芯直径不能太大，具体情况待以后实验研究。

图4　镗杆静刚度与减振芯直径的关系

4结论

（1）硬质合金镗杆的弹性模量高于本文提到的复合材料刀杆的弹性模量，所以硬质合金刀杆的静刚度要稍微高于复合材料的静刚度。

（2）影响镗杆振动幅值的关键在于镗杆的阻尼。镗杆1适于低速镗削加工，镗杆3适于高速镗削加工。

（3）对于具有减振芯的减振镗杆，减振芯的直径对减振效果有很大影响，所以当选用具有减振芯的镗杆时，应谨慎考虑。

［1］翟鹏，张承瑞，刘世英等.一种膛削用高频精密伺服刀杆的动态设计［J］.制造技术与机床，2006（8）.

［2］夏兆旺，单颖春，刘献栋.基于悬臂梁的颗粒阻尼实验 ［J］.航空动力学报，2007，22（10）：1737-1741.

［3］马秋成，韩利芬，罗益宁.细长刀杆的结构分析 ［J］.机械设计，2002，190（4）：44-46.