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I 減振鏜刀的設(shè)計(jì)與分析 摘要 :我國(guó)工業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)處于蒸蒸日上的狀態(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(dòng)的問(wèn)題也隨之而來(lái)，加工中產(chǎn)生的振動(dòng)不僅使得加工精度降低，還使得生產(chǎn)效率也大打折扣。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(jiǎn)單，易于生產(chǎn)的一種鏜刀的減振方法，它是通過(guò)在鏜刀桿的內(nèi)部加減振塊，橡膠圈，阻尼液等元件來(lái)達(dá)到理想的減振效果。這種設(shè)計(jì)不僅沒(méi)有改變鏜桿原有的外觀形狀，還在一定程度上減少了振動(dòng)帶來(lái)的不便，是一種使用前景非常廣闊的設(shè)計(jì)方式。 本篇設(shè)計(jì)先講述了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有減振鏜桿的狀況，通過(guò)分 析、參考來(lái)確定最終采用的設(shè)計(jì)方式。其次介紹了在加工過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)的不同種類和產(chǎn)生的機(jī)理，為設(shè)計(jì)提供一些必要的參考材料。然后再選擇減振鏜桿中所需的每個(gè)部件，在對(duì)不同部件做出不同的分析，最后再將這些部件做出動(dòng)力學(xué)模型，再整合出最終的數(shù)學(xué)模型。為實(shí)際的加工生產(chǎn)提供一些參考。 關(guān)鍵詞： 減振；鏜桿；深孔加工；剛度 of is in a is as an of of is in in in To to of is a to a it is by as to to is of to a of is a of to of is to in in of 錄 摘要 ................................................................................................................................ I ...................................................................................................................... 錄 ............................................................................................................................ 緒論 ......................................................................................................................... 1 題背景及研究 意義 ............................................................................................ 1 振鏜桿的國(guó)內(nèi)外研究成果與發(fā)展的趨勢(shì) ........................................................ 2 內(nèi)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) ................................................................................ 6 結(jié) ........................................................................................................................ 6 2 振動(dòng)的機(jī)理分析和不同的減振措施 ..................................................................... 7 削中振動(dòng)的分類及產(chǎn)生的原因 ........................................................................ 7 振的主要原則 .................................................................................................... 8 制機(jī)械加工振動(dòng)的途徑 .................................................................................... 8 除或者減弱發(fā)生振動(dòng)的條件 ......................................................................... 8 良工藝系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)特性 ............................................................................. 9 用減振裝置 ................................................................................................. 10 3 減振鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................................................................... 16 振鏜刀的桿材料選擇 ...................................................................................... 16 桿的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .......................................................................................... 16 卻管的設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 17 振裝置的組成元件 .......................................................................................... 18 尼夜的選取 ................................................................................................... 18 性元件的選擇 ............................................................................................... 19 振塊的選擇 ................................................................................................... 21 振鏜桿內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .......................................................................... 22 頭的設(shè)計(jì) .......................................................................................................... 23 4 動(dòng)力減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ................................................................................... 24 力減振鏜桿系統(tǒng)的力學(xué)模型 .......................................................................... 24 立動(dòng)力減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析模型 .............................................................. 27 立動(dòng)力減振鏜桿的數(shù)學(xué)模型 .......................................................................... 29 章小結(jié) .............................................................................................................. 29 5 結(jié)論與展望 ........................................................................................................... 30 文總結(jié) .............................................................................................................. 30 望 ...................................................................................................................... 30 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 32 致謝 ............................................................................................................................. 34 1 1 緒論 題背景及研究意義 現(xiàn)今 ,制造業(yè)的發(fā)展已成為社會(huì)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(shì) ,企業(yè)對(duì)加工精度的標(biāo)準(zhǔn)和要求也越來(lái)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(shí)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(dòng)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)鏜桿的懸伸量比較大時(shí) ,就更加容易發(fā)生振動(dòng) ,進(jìn)而使孔的加工精度降低。雖然，有很多辦法來(lái)控制這些相關(guān)的問(wèn)題，但是，由于長(zhǎng)懸伸量刀具加工產(chǎn)生的巨大振動(dòng)，不得不通過(guò)減少加工時(shí)的軸向切削深度與進(jìn)給量來(lái)避免，這也將對(duì)金屬的去除率產(chǎn)生較大的影響。 因此 ,我們 有必要 仔細(xì) 研究機(jī)械 刀具 加工中振動(dòng) 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(dòng)。 從 生產(chǎn)和加工的 實(shí)際應(yīng)用 和價(jià)值 來(lái)講 ,減振 鏜刀 的 設(shè)計(jì)和研發(fā) 有 助 于我國(guó)切削制造業(yè)的發(fā)展。我國(guó) 作為 世界的 “ 制造中心 ” 。零件整體化加工 已成為趨勢(shì) ,深孔加工 已是機(jī)械加工中 的重中之重 。雖然 我國(guó) 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(guó)外 的研究 水平 還 有 比較大的 差距 ,因此我國(guó) 在生產(chǎn)制造業(yè) 這條漫長(zhǎng)的征途上還有很多道路需要走 。 另外有些大 長(zhǎng)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(guó) 比較穩(wěn)定的 產(chǎn)品 并不多 ,還需要 大量引進(jìn)國(guó)外 生產(chǎn)的 刀具 ,這 就 使得 我國(guó) 零件加工成本 變得 很 2 高。因此 ， 減振刀具的 開(kāi)發(fā)與研究現(xiàn) 已經(jīng)成為我國(guó)切削加工行業(yè) 目前 急需解決的重大問(wèn)題 ，解決了這個(gè)問(wèn)題就 可以帶動(dòng) 我國(guó) 其它相關(guān)產(chǎn)業(yè) 的發(fā)展 ,進(jìn)而 提高我國(guó)機(jī)械行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。 振鏜桿的國(guó)內(nèi)外研究成果與發(fā)展的趨勢(shì) 切削振動(dòng)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(dòng)的產(chǎn)生，通常應(yīng)加強(qiáng)鏜桿的靜剛度或者動(dòng)剛度。當(dāng)需要加工一般刀具無(wú)法加工的深孔時(shí)，往往需要用到長(zhǎng)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(guó)外也有著許多的應(yīng)用。 通過(guò)了解國(guó)內(nèi)外的減振刀桿，總的來(lái)說(shuō)，是比較緩慢的。但也有設(shè)計(jì)比較成功的案例，比如說(shuō)日本的三菱（ ,東芝（ ,瑞典的山特維克（ ,美國(guó)的肯納（ 司等。 圖 1菱 阻尼鏜刀桿 3 圖 1菱阻尼鏜刀桿 中，三菱公司刀具的設(shè)計(jì)理念是對(duì)刀頭進(jìn)行了優(yōu)化的設(shè)計(jì)，就是利用軟件來(lái)模擬最終確定刀頭的重量，主要是減輕鏜桿頭部的重量，防止了撓曲，加強(qiáng)了鏜桿的動(dòng)剛度，使振動(dòng)變?nèi)酢Ｈ鐖D 1 站在材料力學(xué)的角度上來(lái)看，這種刀具是運(yùn)用了桿端部應(yīng)力邊緣效應(yīng)。當(dāng)鏜刀桿受到偏心力的時(shí)候，可從刀頭減去一些材料，這樣既減輕了鏜刀刀頭的重量，靜剛度也沒(méi)受到多大影響，還改善了鏜桿的動(dòng)剛度。 4 圖 1菱阻尼鏜刀刀桿減振效果 of 菱刀具的設(shè)計(jì)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(zhǎng)徑不能較大。圖 1 東芝公司制作的減振刀具原理是將刀具的頭部，找一處平行且相互對(duì)稱的的地方，去除掉一部分，然后在此處在嵌上堅(jiān)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，以及在與刀體連接時(shí)的粘結(jié)穩(wěn)固性，精密性，都會(huì)對(duì)刀體整體上的產(chǎn)生影響，所以也會(huì)在應(yīng)用上受到一些限制。如圖下圖 1 5 圖 1芝減振刀具 大多數(shù)生產(chǎn)商看好的是山特維克可樂(lè)滿的 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 1示 圖 1特維克減振刀具 類刀具能夠消除最小化的振動(dòng)，它的內(nèi)部安裝了一個(gè)減振機(jī)構(gòu)。該刀具的內(nèi)部結(jié) 6 構(gòu)裝有一個(gè)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(shí)，進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)。 美國(guó) 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]。 內(nèi)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 目前我國(guó)的減振鏜桿還處于研究、開(kāi)發(fā)階段，設(shè)計(jì)的中心還在工藝的改良上。孔金星，對(duì)刀具振動(dòng)是深孔加工中影響精度，效率等的首要原因提出了問(wèn)題。對(duì)不同類型的減振鏜桿，運(yùn)用模態(tài)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)試出動(dòng)態(tài)特性，最終得出固有的振型與模態(tài)參數(shù)，為減振鏜桿的研制開(kāi)發(fā)提供了參考。沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院的張志軍，測(cè)定并且推導(dǎo)出了動(dòng)力減振器的特性參數(shù)，對(duì)大懸伸的減振鏜桿進(jìn)行了完善。北京工業(yè)大學(xué)的區(qū)炳顯和王民對(duì)國(guó)內(nèi)外減振鏜桿振動(dòng)的控制方法 現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并且也分析了各種鏜桿減振措施的特點(diǎn)，還對(duì)以后鏜桿減振的發(fā)展進(jìn)形進(jìn)行了展望。 結(jié) 綜合現(xiàn)有的研究成果可知 :采取單一減振原理的鏜桿，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。要想提高鏜刀桿的抗振效果 ,首先要提高鏜桿自身的動(dòng)剛度 ,其次還要增加鏜桿的系統(tǒng)阻尼 ,增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的吸收能力 ; 本人基于這種想法， 于是 在鏜桿中 選擇 加入減振系統(tǒng)來(lái)進(jìn)一步提 高減振性能 。鏜桿的減振系統(tǒng)按照耗能元件的不同 ， 主要有動(dòng)力減振器、摩擦減振器、沖擊減振器等。在此 本文選 取 動(dòng)力減振的方法來(lái)設(shè)計(jì)鏜 刀 桿。 7 2 振動(dòng)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(guò)程 是 關(guān)鍵。 但 是， 在實(shí)際 的加工 中總是 產(chǎn)生各種各樣的 問(wèn)題，也會(huì)有來(lái)自系統(tǒng)本身的剛度條件不足 ,這便產(chǎn)生了振動(dòng) 。 它們 的機(jī)理以及控制的 條件也不盡相同。 因此我們要對(duì)不同的振動(dòng)進(jìn)行不同的分析。 削中振動(dòng) 的分類及產(chǎn)生的原因 如下表 2振動(dòng)分類 振動(dòng)產(chǎn)生原因 振動(dòng)波圖 自由振動(dòng) 自由振動(dòng) 的產(chǎn)生是因?yàn)椋傻毒?、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(dòng) 它產(chǎn)生的因素是，外界對(duì)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(dòng)。 8 自激振動(dòng) 自激振動(dòng) 的發(fā)生是因?yàn)橄到y(tǒng)自身振動(dòng)從而產(chǎn)生交變力，這種力就會(huì)引起自己振動(dòng)的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中，不論外界是否有力，系統(tǒng)振動(dòng)，那么，它就會(huì)產(chǎn)生。 振的主要原則 結(jié)合現(xiàn)有鏜刀減振的各種方法 ,減振的主要原則有以下幾點(diǎn) : 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) 增大鏜刀的系統(tǒng)，夾具，工件的靜剛度 ； c) 在原有刀具的內(nèi)部增加一個(gè)振動(dòng)來(lái)阻礙外界切削力的振動(dòng) ,進(jìn)而減弱 刀具 的振動(dòng)。 制機(jī)械加工振動(dòng)的途徑 除或者減弱發(fā)生振動(dòng)的條件 1) 消除或者減小內(nèi)部振動(dòng) 9 高速回轉(zhuǎn)的零件在機(jī)床上必須滿足動(dòng)平衡要求；加強(qiáng)傳動(dòng)元件及傳動(dòng)裝置的制造精度和裝配精度，保證零件的傳動(dòng)平穩(wěn)；使動(dòng)力源和機(jī)床本身分離。 2） 調(diào)整振源的振動(dòng)頻率 通過(guò)改變零件之間的傳動(dòng)比，盡可能使引起強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)源頻率遠(yuǎn)離機(jī)床系統(tǒng)加工薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率，避免兩者產(chǎn)生共振 [2]。一般應(yīng)滿足 03~0 -?激激固 機(jī)床加工系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率； 激f—— 激振力頻率。 3） 采用隔振措施 所謂隔離，就是將振源所產(chǎn)生的一部分振動(dòng)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(dòng)隔振，即阻止內(nèi)部振動(dòng)源通過(guò)地基外流；另一種為被動(dòng)隔振，即阻止外部干擾力通過(guò)地基傳送給機(jī)床。一般的隔振材料有橡皮、空氣彈簧、金屬?gòu)椈?、木屑?[3]。 良工藝系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)特性 1) 提升工藝系統(tǒng)中的剛度要求 10 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(duì)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(gè)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(duì)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)阻尼度 加強(qiáng)工藝系統(tǒng)中阻尼度，有很多措施去實(shí)現(xiàn)。如，高內(nèi)阻零件的使用，加大運(yùn)動(dòng)件之間的相對(duì)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。 選用減振裝置 我們一般的減振裝置有阻尼式、動(dòng)力式、沖擊式和摩擦式減振器等三種裝置。 1）阻尼消振 即對(duì)原系統(tǒng)增加 阻尼從而降低振動(dòng)響應(yīng)。這里以單自由度振動(dòng)系統(tǒng)來(lái)舉例說(shuō)明。可以導(dǎo)出振動(dòng)位移對(duì)激振力的傳遞函數(shù)見(jiàn)公式 （ 2 ? ??? 2 1(2令 ?,由式（ 2導(dǎo)出位移 f（ t） 的頻率特性 G（ ?j ） 。其對(duì)應(yīng)的幅頻特性見(jiàn)公式（ 2 (2設(shè)激振力是簡(jiǎn)諧力，即 ? ? 則位移振幅公式見(jiàn)（ 2 ? ? ? ?? ?2122221???? 11 ? ?? ? 212222 00 ?? ?(2而當(dāng)振動(dòng)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(jiàn)公式 （ 2 ?(2導(dǎo)出阻尼消振系統(tǒng)的動(dòng)力放大系數(shù)見(jiàn)公式（ 2 ? ? ? ?? ?2122220411????(2式中， 振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼比，以阻尼比參數(shù)，分別取 0， 2 f（ t） 的幅頻響應(yīng)曲線，如圖 2圖 2尼消振系統(tǒng)動(dòng)力放大系數(shù)幅頻曲線 of 12 2）動(dòng)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(dòng)力減振應(yīng)用較為廣泛。它的優(yōu)點(diǎn)在于只要增加少量的零件就能達(dá)到想要的減振效果。 動(dòng)力減振系統(tǒng)的簡(jiǎn)易模型如圖 2設(shè)彈簧的剛度是 K、 k、動(dòng)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 振器的位移為 計(jì)阻尼的響應(yīng)，動(dòng)力減振系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為（ 2 ? ? ? ???? 211?? 0212 ??? ? (2式中， p（ t）是主振動(dòng)系統(tǒng)中的激振力。消振器質(zhì)量位移與主振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì) 位移對(duì)激振力 p（ t）的幅值特性公式為（ 2 圖 2力振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單模型 of 13 ? ? ? ?? ?22221 ???????? ? ? ? ?? ?2222 ???? ??? （ 2帶入?yún)?shù)導(dǎo)出消振器質(zhì)量位移與主振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量位移的動(dòng)力放大系數(shù)的解析式為（ 2 ? ? ? ?? ?2224220011 1 ??? ??? ?? ? ? ? ?? ?222420022 1 ????? ?? (2當(dāng)主振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率無(wú)限趨近于激振力頻率的時(shí)候，這時(shí)候就會(huì)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 ?? ?a （ 2 將等式（ 2入式（ 2得消振器的振幅和主振動(dòng)系統(tǒng)的振幅分別為 ? ?? ? ???????(2由式（ 2知。當(dāng)激振力的頻率，消振器固有頻率兩者相等時(shí)，主振動(dòng)系統(tǒng)中的振幅就為 0，這就說(shuō)明主振動(dòng)系統(tǒng)是沒(méi)有產(chǎn)生振動(dòng)的。 3） 摩擦減振減振 14 摩擦減振的設(shè)計(jì)原理指用摩擦阻尼的方式來(lái)綜合振動(dòng)從而達(dá)到減振的效果。圖 2 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(guò)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(dòng)時(shí)，因?yàn)轱w輪 1的慣量較大，所以不能跟軸 3作同步運(yùn)動(dòng)，和飛輪 1相連的摩擦盤 6與轂盤 2兩者有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦盤 6有消耗軸 3扭振的作用，從而達(dá)到消減軸 3振動(dòng)的效果。 1 2 3 4 5 6 圖 2體摩擦式減振器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 of ) 沖擊減振 式消振法 15 如圖 2 a、 者是通過(guò)兩個(gè)物體互相碰撞時(shí)需要損失一部分動(dòng)能的設(shè)計(jì)原理，在振動(dòng)體 系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量 ， 從而消耗振動(dòng)體產(chǎn)生的能量，起到減振的效果。 a) b) 圖 2 沖擊式減振鏜桿和鏜刀 16 3 減振鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外減振鏜桿比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路來(lái)考慮材料與結(jié)構(gòu)對(duì)減振的影響 , 進(jìn)行鏜桿的設(shè)計(jì)。 振鏜刀的桿材料選擇 在設(shè)計(jì)中我們擔(dān)心的是決定減振鏜桿的材料的特性參數(shù) —— 彈性模量與密度的值。在這個(gè)設(shè)計(jì)中我們選擇 45鋼來(lái)做為桿體的材料，其中長(zhǎng)度的單位是毫米（ 質(zhì)量單位是千克（ 余下的選擇國(guó)際單位，材料的選用如表 表 3料 彈性模量（ 泊松比（ 密度（ 45鋼 桿的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本文我們將選直徑為 50徑比為 15的桿體來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。減振桿的減振內(nèi)腔直徑為 44度為 330孔直徑為 12便使用切削液。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 3 3桿桿身 17 鏜桿 的實(shí)體模型見(jiàn)圖 3 3上刀頭后的空心鏜桿 a 卻管的設(shè)計(jì) 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相接，也能夠?qū)⒌额^產(chǎn)生的振動(dòng)歸還到到頭上面，冷卻管還和橡膠墊片支撐相互照應(yīng)，對(duì)減振塊起到一定的支撐效果，使產(chǎn)生的振動(dòng)流到減振塊上面，其三維模型如圖 3 圖 3卻管 18 振裝置的組成元件 本文對(duì)減振鏜桿采用動(dòng)力減振的方式來(lái)進(jìn)行消振。這里包含了減振塊、阻尼元件、彈性元件等。 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(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能再由冷卻液帶走，達(dá)到減振的作用。對(duì)于阻尼材料的選取，據(jù)我們所知粘性阻尼系數(shù)對(duì)于鏜桿的減振有著相當(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(xiàng)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士論文中的公式。 運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)公式為（ 3 ??? 28?? (3式中 阻尼液與減振塊相連部分的長(zhǎng)度，為阻尼液密度。 所以彈性膠泥不失為一 種不錯(cuò)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(shí)，稱為硅膠。而狀態(tài)為液體時(shí)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(guó)外許多的減振刀具都使用硅油來(lái)作為阻尼材料，常見(jiàn)的硅油有甲基與高粘度乙基。通過(guò)研究，甲基硅在 25°00~1000000厘斯，通過(guò)計(jì)算它的阻尼范圍在 12400N·s|m，適于用在減振鏜刀中。 19 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)中將自己變形來(lái)起到緩沖振動(dòng)和傳遞力的作用。彈性元件選用的材料和形狀都會(huì)對(duì)減振產(chǎn)生一定的影響。所以在作彈性元件的選擇時(shí) ,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(duì)于金屬?gòu)椈?，橡膠更具有彈性，緩沖性。而且，在發(fā)生振動(dòng)時(shí)發(fā)生了形變，很快會(huì)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(jì)中選用彈簧橡膠來(lái)代替簡(jiǎn)易模型中的 k。再根據(jù)減振鏜刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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 10徑為 25致形狀為圖（ 3 圖 3簧橡膠 20 在這里，本文引入哈爾濱理工大學(xué)馬天宇的碩士畢業(yè)論文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他經(jīng)過(guò)多次對(duì)橡膠圈軸向長(zhǎng)度的試驗(yàn)，確定它的值為 20過(guò)試驗(yàn)可知它的徑向剛度和減震器的彈簧剛度 析如下。 圖 3of 內(nèi)徑 16徑 34向長(zhǎng)度 28其外徑固定，對(duì)其兩側(cè)進(jìn)行 內(nèi)徑加 F=1軸方向的徑向力。如圖 3 21 圖 3簧橡膠變形圖 of of 以得到彈簧橡圈的徑向剛度值為 5????實(shí)(3因?yàn)閺椈上鹑χ芜@減振塊，所以將此橡圈分為軸向長(zhǎng)度為 14 振塊的選擇 減振塊的形狀設(shè)計(jì)在這里我們要根據(jù)鏜桿的形狀來(lái)確定，考慮到需要將減振塊放在桿的內(nèi)部，因此設(shè)計(jì)減振塊為圓柱體。一般國(guó)外生產(chǎn)的減振鏜桿選擇密度比較大的材料來(lái)制作減振塊。原因是，鏜桿里面的空間是有限的。在本設(shè)計(jì)中選用兩端支撐的方式來(lái)托起減振塊，讓它在桿中懸空。其大致結(jié)構(gòu)如圖 3 22 圖 3振塊 桿體體積限制的情況下，我們選擇硬質(zhì)合金 們初步將尺寸確定為外徑 D=41徑 d=18向長(zhǎng)度為 290l。 振鏜桿內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 減振鏜桿內(nèi)部主要由：刀頭、桿身、彈簧橡膠、減振塊、冷卻管、阻尼液、密封 的三維模型如下圖 3體內(nèi)的裝配圖如 3 圖 3振鏜桿的三維模型 d of 23 圖 3振鏜桿的整體裝配圖 頭的設(shè)計(jì) 現(xiàn)有的產(chǎn)品一般都采用輕質(zhì)鋁合金來(lái)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(lái)減輕刀頭質(zhì)量，將鏜刀整體達(dá)到想要的減振效果。在本課題中我們選用鋁合金的刀頭。 24 4 動(dòng)力減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 在分析 動(dòng)力減振鏜桿的振動(dòng)特性的時(shí)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(shí)際 力學(xué) 系統(tǒng)簡(jiǎn)化 與 抽象成 一般 的力學(xué)模型 來(lái)做分析 [4]。 在本設(shè)計(jì)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(gè)小系統(tǒng) 的 簡(jiǎn)單 力學(xué)模型 合成振動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 力減振 鏜桿 系統(tǒng)的力學(xué)模型 本篇設(shè)計(jì)我將選 用物理參數(shù)模型 去 建立 鏜桿 減振系統(tǒng) 中的 模型。 在分析前我們先確定分析的基本組成部分。在這個(gè)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)中。 1）質(zhì)量元件 質(zhì)量元件是減振中不可少的元件。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 鏜桿的 減振系統(tǒng)力學(xué)模型中 ,質(zhì)量元件 需要由 無(wú)彈性、不耗能的剛體來(lái) 代替 [5]。 圖 4量元件 25 質(zhì)量元件在減振系統(tǒng)中作為儲(chǔ)存動(dòng)能的元件，能夠?qū)a(chǎn)生的振動(dòng)吸收并且轉(zhuǎn)換為自己的動(dòng)能。在系統(tǒng)中，當(dāng)質(zhì)量元件因?yàn)檎駝?dòng)受到作用力 據(jù)牛頓第二定律 ,產(chǎn)生加速度 a,方向且與力 此質(zhì)量元件上的力與加速度兩者之間的關(guān)系式為 ： F= （ 4 式中， m—— 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 鏜桿的 減振系統(tǒng) 力學(xué)模型 中 ,彈性元件 需要被當(dāng)做 是 沒(méi)有 質(zhì)量 但是 具有彈性的 一種 元件 ,彈性元件作為一種儲(chǔ)存勢(shì)能的元件，它能將外界的振動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)成多次小量的振動(dòng)沖擊。一般來(lái)說(shuō)單憑 彈性元 并不能夠消化振動(dòng) ,所以 還 它 必須結(jié)合耗能 元件使用 才能實(shí)現(xiàn)減振的效果。 圖 4性元件 he 26 如圖所示將 彈性元件一端固定 ,當(dāng) 另 外 一端受到作用 力 候 ,它 的自由端 就會(huì) 沿 力 生位移 X,力 和 位移 兩者 之間的關(guān)系 式 如下 : F=k X （ 4 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(méi)有 質(zhì)量、 沒(méi)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(guò) 耗能 來(lái)起到減振效果 。 圖 4尼元件 he 圖所示將 阻尼元件一端固定 ,當(dāng) 另 外 一端 受到 作用 力 候，這一邊就會(huì)以 是 阻尼力 和 速度 這兩者之 間的關(guān)系 式如下 : F=c V （ 4 式中， c—— 阻尼器的粘性系數(shù) 27 立動(dòng)力減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析模型 當(dāng)對(duì)動(dòng)力減振系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，我們需要先建立起減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型。在本設(shè)計(jì)的前一節(jié)已經(jīng)對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行了簡(jiǎn)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(guò) 數(shù)學(xué)分析的手段對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行振動(dòng)的特性分析。 設(shè)計(jì)中減振系統(tǒng)基本是刀桿與一個(gè)減振單元的組合 ,結(jié)合前面圖 2 圖 4力減振鏜桿的力學(xué)模型 4of 28 圖 4 鏜桿桿體的等效集中質(zhì)量 ； 減振質(zhì)量塊的質(zhì)量 ； 鏜桿桿體的等效剛度 ； 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 ； 鏜桿在激振力作用下的位移 ； 減振質(zhì)量塊在激勵(lì)力作用下的位移 。 立動(dòng)力減振鏜桿的數(shù)學(xué)模型 質(zhì)量單元 1的受力微分方程 ： ? ? ? ? ?????? 1122122111m ???? (4質(zhì)量單元 2的受力微分方程 ： ? ? ? ? 02122122 ????? ??? (4振動(dòng)系統(tǒng)的微分方程矩陣 ： 29 ??????????????????????????????????????????????????0002122221212121 ???? ?? (4章小結(jié) 本章一開(kāi)始先對(duì)動(dòng)力減振鏜桿的減振原理進(jìn)行了分析。然后，分別詳細(xì)的對(duì)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(guò)這些小系統(tǒng)對(duì)減振鏜桿建立起了力學(xué)分析模型 ,經(jīng)過(guò)相關(guān)的力學(xué)知識(shí)對(duì)力學(xué)模型建立動(dòng)力學(xué)方程 ,利用數(shù)學(xué)分析對(duì)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。 30 5 結(jié)論與展望 文總結(jié) 本篇設(shè)計(jì)根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的減振鏜桿的研究成果，設(shè)計(jì)出自己較為理想的減振鏜桿的基本模型，減振鏜桿內(nèi)部大致由減振塊，彈性元件橡膠圈，阻尼元件等部分組成。設(shè)計(jì)大致分為了四部分： （ 1） 第一部分，我收集了國(guó)外大公司減振鏜桿的設(shè)計(jì)，分析了各個(gè)鏜桿的設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用的材料等，為自己的設(shè)計(jì)做出了很大的鋪墊。 （ 2） 第二部分，在這里我將振動(dòng)的原理，產(chǎn)生的原因分析了很多，將振動(dòng)的根源掌握，結(jié)合現(xiàn)有的減振措施，選擇出適合自己設(shè)計(jì)振動(dòng)的措施。 （ 3） 最重要的一部分，那就是初步設(shè)計(jì)，綜上所述，我選擇了動(dòng)力減振措施，分部設(shè)計(jì)，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。 望 經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力和不斷學(xué)習(xí)，本設(shè)計(jì)完成了對(duì)減振鏜桿的設(shè)計(jì)和分析，對(duì)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(guò) 力減振這種減震措施結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尤其適用于大長(zhǎng)徑比的鏜桿，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?yàn)闀r(shí)間的問(wèn)題 ,設(shè)計(jì)雖然有了上述的研究成果 ,可還有更深的問(wèn)題需要我們進(jìn)一步解決： 1) 動(dòng)力減振鏜 桿的制造工藝和制造。 31 2) 動(dòng)力減振鏜桿中阻尼和動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 3) 動(dòng)力減振鏜桿的尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。 32 參 考 文 獻(xiàn) [1] 朱垂岱 ,龐學(xué)慧 ,張余生等 J]床 ,2014,(10) [2] 王軍 ,吳鳳和 ,韓亞麗等 J]程 ,2013,24（ 6） [3] 王建 ,丁國(guó)富 ,張海峰等 J]2009,35（ 6） [4] 曾海波 ,羅紅波 ,李紅梅 J]動(dòng)化加工技術(shù) ,2011,（ 8） [5] 胡李波 ,王民，李剛 J]2009,（ 1） [6] 石曉龍 ,龐學(xué)慧 J]2015,（ 11） [7] 張海生 ,周麗平 ,劉小瑩 J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與 制造 , 2013（ 5） [8] 王蘭波 ,張志軍 J]2010,(12) [9] 劉立佳 ,劉獻(xiàn)禮 ,許成陽(yáng)等 . 減振鏜桿振動(dòng)控制研究綜述 [J]報(bào) ,2014,19(2) [10] 夏峰 ,劉戰(zhàn)強(qiáng) ,宋清華 J]) [11] 秦柏 ,邵俊鵬 . 重型數(shù)控機(jī)床深孔加工動(dòng)力減振鏜桿的設(shè)計(jì) 與仿真 [J]大學(xué)學(xué)報(bào) 1(1) [12] 王雪慶 ,嚴(yán)東明 J]2015,(20) [13] 李紅梅 ,羅紅波 J]2010,44(4) [14] 張杰斌 ,張湧 J]2004,(11) 33 [15] 王明紅 ,張宗城 ,唐勤生等 J]7(4) [16] 王艷萍 ,陳云鵬 ,運(yùn)同樹(shù) R]齊齊哈爾第一機(jī)床 廠 17] 吳天行 ,華宏星 M]清華大學(xué)出版社 ,18] 馬志偉 D]中北大學(xué) ,碩士學(xué)位論 文 19] 韋聯(lián) D]西華大學(xué) ,碩士學(xué)位論文 20] 任棟 D]中北大學(xué) ,碩士學(xué)位論 文 21] 李紅俊 [D]燕山大學(xué) ,碩士學(xué)位論文 22] 杜景軒 D]中北大學(xué) ,碩士學(xué)位 論文 23] 吳濤 D]安徽大學(xué) ,碩士學(xué)位論文 24] 秦柏 D]哈爾濱理工 大學(xué) , 碩士學(xué)位論文 25] 許成陽(yáng) D]哈爾濱理工大學(xué) ,碩士學(xué)位論 文 26] 夏峰 D]山東大學(xué) ,碩士學(xué)位論文 27] 張克東 D]長(zhǎng)春理工大學(xué) ,碩士學(xué)位論文 28] 理根 ,岳鵬 ,陳華偉等 P] 謝 34 本篇設(shè)計(jì)是在黃曉斌老師耐心的指導(dǎo)、幫助下完成的。在這里我先對(duì)黃老師由衷地說(shuō)一聲謝謝！ 黃老師在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中總是用心地引導(dǎo)我們，在剛寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告的時(shí)候，我一點(diǎn)思路也沒(méi)有。但是，黃老師總是 耐心地引導(dǎo)我，漸漸地我有了自己的構(gòu)想。黃老師在日常也特別地和藹，和我們說(shuō)一些鼓勵(lì)的話語(yǔ)，讓我們?cè)谧稣n題的時(shí)候沒(méi)有壓力，能夠輕松地說(shuō)出自己的想法。在此，向黃老師送上自己最崇高，真誠(chéng)的謝意。 感謝設(shè)計(jì)中同學(xué)、老師、家人和朋友對(duì)我的幫助！也特別感謝中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院這四年來(lái)的培養(yǎng)，感謝學(xué)院老師對(duì)我的指引和教誨！ 還特別感謝進(jìn)行評(píng)審和答辯的老師和專家們！謝謝你們！