CN101758253A - 减小深孔加工镗杆自激振动的方法及其动力减振镗杆 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种减小深孔加工镗杆自激振动的方法，利用本发明选用减振器参数设计的减振器，结构简单，拆卸方便，并可以随时根据需要修改动力减振镗刀减振器参数，由减振棒、阻尼液和橡胶圈组成的减振器，能有效抑制加工中的振动。本发明通过下述技术方案予以实现：(1)建立动力减振镗杆的理论模型，(2)在理论模型的基础上建立仿真模型，选用减振器参数；(3)选用有限元分析软件ANSYS和多体动力学仿真软件ADAMS联合建立减振系统的动力学仿真模型，组成刚柔混合体模型；(4)根据上述模型设计物理减振镗杆模型；(5)选择减振棒；将两端套橡胶圈的减振棒，深入在一端由堵头密封，内腔充满阻尼液的镗杆内孔组成减振器。

Description

减小深孔加工镗杆自激振动的方法及其动力减振镗杆

技术领域

本发明是关于减小深孔加工镗杆自激振动的方法，尤其是减小小直径深孔加工镗杆自激振动的方法，本发明还涉及使用该方法的制造的动力减振镗杆。

背景技术

深孔加工是金属切削领域内公认的技术难题，有时不得不牺牲产品性能来适应加工工艺要求。而深孔底部的瓶腔加工难度更大，如图6所示的深孔瓶腔结构的工件，使得镗杆的直径受到进一步的制约，结构受到更大的限制。在孔的镗削过程中，长径比小于4的镗杆在加工工件时不会产生振动。当镗杆长径比从4增加到10时，镗杆本身的刚度已经明显达不到加工的要求。在镗削加工过程中，由于镗杆受到持续的切削力的作用，镗杆将产生自激振动，使加工精度和表面质量降低。降低切削用量只能在一定程度上降低切削力，从而降低振动的振幅，但会导致劳动生产率降低。因此为了解决深孔瓶腔加工问题，国内外学者都进行了大量的研究工作。针对深孔瓶腔零件加工，有许多方法。其中一种是采用动力减振镗刀进行镗孔。[1]在1997年的《工具技术》杂志第31卷19～21页报道了李启堂等人将动力减振器应用于镗杆减振过程，可有效避免加工过程颤振现象的发生的方法。[2]在2003年长春理工大学硕士论文《减振刀杆的研制与开发》建立了动力减振刀杆的数学模型，对减振器进行了理论优化。[3]在2006年哈尔滨理工大学硕士论文《深孔加工动力减振镗杆的动力学仿真与参数优化分析》利用虚拟样机技术对动力减振镗杆进行了仿真分析和优化。目前国内大多只对动力减振镗杆进行理论分析和仿真分析，还没有设计一套能实际引用的镗杆，并且没有在实验室和现场加工加以验证。

发明内容

本发明目的是提出一种镗杆在切削过程中吸收振动能量，抑制自激振动，提高深孔瓶腔工件加工质量，能够有效减小或消除深孔加工镗杆自激振动的方法，尤其是减小或消除小直径深孔加工镗杆自激振动的方法及其动力减振镗刀。

本发明的目的可以通过以下措施来到达。本发明提出的一种减小直径深孔加工镗杆自激振动的方法，其特征在于包括如下步骤，

(1)建立动力减振镗杆的理论模型，并对其进行优化，得到优化初始值和初步的结构设计值；然后根据振动理论建立振动方程和减振模型；

(2)在理论模型的基础上建立仿真模型，并对其进行优化。根据优化计算结果设计镗杆，选用减振器参数，只需通过仿真模型重新进行优化计算，就可得到新的减振器参数，调整动力减振器；

(3)选用有限元分析软件ANSYS和多体动力学仿真软件ADAMS联合建立减振系统的动力学仿真模型。在ANSYS中对镗杆模型进行网格划分，得到镗杆的模态，将包含镗杆模态的mnf文件导入ADAMS中；在ADAMS刚体中，通过节点与柔体连接起来，组成刚柔混合体模型；

(4)根据上述模型设计物理减振镗杆模型；

(5)通过仿真优化结果选择减振棒；将两端套橡胶圈的减振棒，深入在一端由堵头密封，内腔充满阻尼液的镗杆内孔组成减振器。

一种使用所述减小深孔加工镗杆自激振动方法制造的动力减振镗杆，具有一个由螺钉连接刀头的镗杆，其特征在于，镗杆是一个中空带盲孔的圆柱体，其孔内装有两端套有环形橡胶圈的管状减振器和被堵头密封在镗杆管孔内的阻尼液。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

利用本发明在理论模型的基础上建立的动力减振镗杆仿真模型，选用减振器参数设计的减振器，结构简单，拆卸方便，并可以随时根据需要修改动力减振镗刀减振器参数，可以很方便的通过仿真模型重新进行优化计算，得到新的减振器参数，调整动力减振器。由减振棒、阻尼液和橡胶圈组成的减振器，镗杆在切削过程中吸收振动能量，实现减振。有效抑制了加工中的振动，提供的被动式可调的动力减振镗刀系统，解决并减小了深孔瓶腔加工镗杆自激振动的问题，提高了深孔瓶腔加工的质量。

本发明采用虚拟样机技术，使用仿真模型设计物理模型，大大减少了镗杆的研发时间，并且为后续减振器参数的调整，提供了仿真模型，扩大了减振镗杆的应用范围。本发明的目的针对深孔瓶腔零件设计的专用的动力减振镗杆，与普通镗杆相比，在加工中减振效果比较好，没有出现让刀。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，现将通过本发明实施例，同时参照附图，来描述本发明，其中：

图1是本发明减小深孔加工镗杆自激振动的方法流程图。

图2是本发明方法建立动力减振镗杆的理论模型的力学模型的示意图。

图3是本发明动力减振镗杆幅频曲线示意图。

图4是本发明动力减振镗刀与普通镗刀镗孔时测得的幅频响应曲线的对比图。

图5是本发明动力减振镗杆的构造示意图。

图中：1镗杆，2减振块，3橡胶圈，4阻尼液，5堵头，6刀头，7刀片，8刀片螺钉，9螺钉，10螺钉，11冷却液孔工艺堵头。

具体实施方式

参阅图1、图2。根据本发明，建立动力减振镗杆的理论模型，并对其进行优化，得到优化初始值和初步的结构设计值。然后在理论模型的基础上建立仿真模型，并对其进行优化。最后根据优化计算结果设计镗杆，选用减振器参数。若需要修改动力减振镗刀减振器参数，可以通过仿真模型重新进行优化计算，得到新的减振器参数，调整动力减振器。

1)理论模型时，可以将动力减振器简化成二自由度的振动系统。由图2所示的力学模型设置减振模型。其中，m2为减振棒质量，k2为橡胶理想弹性系数，c为阻尼液理想阻尼系数。m1、k1组成的系统称之为主系统，由m2、k2和c组成的减振装置称之为减振器。根据振动理论建立振动方程

设 ${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{k_1/m_1}$ 为主系统的自然频率， ${\mathrm{\ω}}_2=\sqrt{k_2/m_2}$ 为减振器的自然频率，μ＝m₂/m₁为减振器质量与主系统质量之比， $\mathrm{\ξ}=\frac{c}{2\sqrt{k_2{m}_2}}$ 为减振器的阻尼率。得当

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{1+\mathrm{\μ}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ξ}=\sqrt{\frac{3\mathrm{\μ}}{8{(1+\mathrm{\μ})}^3}}$

时最大振动幅值最小。

2)仿真模型。

选用有限元分析软件ANSYS和多体动力学仿真软件ADAMS联合建立减振系统的动力学仿真模型。在ANSYS中对镗杆模型进行网格划分，得到镗杆的模态。然后将包含镗杆模态的mnf文件导入ADAMS中。在ADAMS中刚体可以通过节点与柔体连接起来，从而组成刚柔混合体模型。动力减振器仿真模型可以通过ADAMS的优化分析，可以优化减振器弹性系数和阻尼系数，使得镗杆的减振效果最佳。优化后得到幅频响应曲线，如图3所示的动力减振镗杆幅频曲线。图中曲线1为普通镗杆幅频振动曲线，曲线2为动力减振镗杆幅频曲线，可见动力减振镗杆的振动幅值明显降低了。比如本实施例针对深孔瓶腔零件设计一套镗杆长径比达13.7(悬伸为185mm，直径为13.5mm)动力减振镗杆，另一套镗杆长径比为12.2(悬伸为658mm，直径为54mm)动力减振镗杆，从其图4所示的动力减振镗刀与普通镗刀镗孔测得的幅频响应曲线的对比图。可见，在转速为140r/min，切削深度0.4mm，进给量0.1mm/r的切削参数下，有比较明显的减振效果。图中曲线1为普通镗杆的幅频响应曲线，曲线2为动力减振镗刀的幅频响应曲线。由此可见动力减振镗杆幅值减低了。

在实际镗削时，可以通过上面建立的仿真模型，很方便地重新设定参数进行优化，改变减振器的参数，以达到较好的减振效果。为提高减振棒的质量，可以在软件对话框中，修改减振器的弹性系数和阻尼系数。因此，如果需要修改减振器的参数，只需要在软件对话框中修改对应的值，然后利用仿真模型重新进行优化设计，得到新的减振器参数，根据这些参数选择合适的减振棒，阻尼和橡胶圈，以使达到比较好的减振效果。

减振器结构设计，根据仿真优化结果选择减振棒，阻尼液和橡胶圈。减振棒可以选用钨钴类硬质合金，阻尼液可以选用二甲基硅油，橡胶圈可以选用天然橡胶，HS为10～60。由减振棒、阻尼液和橡胶圈组成的减振器，镗杆在切削过程中吸收振动能量而实现减振。本发明在结构上为方便拆卸，设计了可换刀头和特制的减振棒结构。

参阅图5。动力减振镗杆1是一个中空带盲孔的圆柱体，减振棒靠近刀头端制有螺纹孔，以便拆卸时用螺钉旋进螺纹孔内。刀头结构部分采用方便定位和拆卸的圆锥销固定。减振棒两端制有固定橡胶圈的凹槽，以方便拆卸时橡胶圈能与减振棒一起拉出来。减振棒装在充满阻尼液的镗杆1孔内。两端套环形橡胶圈减振棒2装在镗杆1端部的空腔内，与镗杆有一定的间隙，镗杆1的内腔充满的阻尼液可以是二甲基硅油4，内腔另一端由堵头5封住。可以通过螺钉将减振棒拉出，刀头6由螺钉9、10固定在镗杆头部。刀头6为可换刀头，以便根据需要加工其他深孔零件，扩展动力减振镗杆功能。刀片7安装在刀头上，由刀片螺钉8固定。镗杆1设有冷却液孔工艺堵头11。

使用时，动力减振镗杆可以从深孔瓶腔工件φ20mm的孔伸入，到达深孔瓶腔待加加工区域后，由于吃刀后，镗杆1发生振动。减振棒2也发生振动，并且吸收了镗杆振动的绝大部分能量，从而达到减振的效果。在吃刀量为0.5mm，主轴转速为105r/min，进给速度为0.12mm时，加工孔的尺寸精度能达到IT12，粗糙度为Ra3.2。

Claims (9)

1.一种减小深孔加工镗杆自激振动的方法及其动力减振镗杆，其特征在于包括如下步骤，

(1)建立动力减振镗杆的理论模型，并对其进行优化，得到优化初始值和初步的结构设计值；然后根据振动理论建立振动方程和减振模型；

(2)在理论模型的基础上建立仿真模型，并对其进行优化。根据优化计算结果设计镗杆，选用减振器参数，只需通过仿真模型重新进行优化计算，就可得到新的减振器参数，调整动力减振器；

(3)选用有限元分析软件ANSYS和多体动力学仿真软件ADAMS联合建立减振系统的动力学仿真模型。在ANSYS中对镗杆模型进行网格划分，得到镗杆的模态，将包含镗杆模态的mnf文件导入ADAMS中；在ADAMS刚体中，通过节点与柔体连接起来，组成刚柔混合体模型；

(4)根据上述模型设计物理减振镗杆模型；

(5)通过仿真优化结果选择减振棒；将两端套橡胶圈(3)的减振棒(2)，深入在一端由堵头(5)密封，内腔充满阻尼液的镗杆(1)内孔组成减振器。

2.如权利要求1所述的减小深孔加工镗杆自激振动的方法，其特征在于，建立理论模型时，将动力减振器简化成二自由度的振动系统。

3.如权利要求1或2所述的减小深孔加工镗杆自激振动的方法，其特征在于，以m2为减振棒质量，k2为橡胶理想弹性系数，c为阻尼液理想阻尼系数。m1、k1组成主系统，m2、k2和c组成减振器装置。

4.如权利要求2所述的减小深孔加工镗杆自激振动的方法，其特征在于，根据振动理论建立振动方程

设 ${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{k_1/m_1}$ 为主系统的自然频率， ${\mathrm{\ω}}_2=\sqrt{k_2/m_2}$ 为减振器的自然频率，μ＝m₂/m₁为减振器质量与主系统质量之比， $\mathrm{\ξ}=\frac{c}{2\sqrt{k_2{m}_2}}$ 为减振器的阻尼率，得

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{1+\mathrm{\μ}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ξ}=\sqrt{\frac{3\mathrm{\μ}}{8{(1+\mathrm{\μ})}^3}}---\left(2\right)$

时最大振动幅值最小。

5.如权利要求1所述的减小深孔加工镗杆自激振动的方法，其特征在于，用ADAMS软件优化分析动力减振器仿真模型，优化减振器弹性系数和阻尼系数，优化得出幅频响应曲线。

6.一种使用所述减小深孔加工镗杆自激振动方法制造的动力减振镗杆，具有一个由螺钉连接刀头的镗杆，其特征在于，镗杆(1)是一个中空带盲孔的圆柱体，其孔内装有两端套有环形橡胶圈(3)的管状减振器和被堵头(5)密封在镗杆(1)管孔内的阻尼液(4)。

7.如权利要求6所述的动力减振镗杆，其特征在于，所述的减振棒装在充满阻尼液的镗杆(1)孔内，减振棒靠近刀头端制有螺纹孔，两端制有固定橡胶圈的凹槽，两端套环形橡胶圈(3)的减振棒(2)装在镗杆(1)端部的空腔内，

8.如权利要求1或6所述的动力减振镗杆，其特征在于，镗杆(1)的内腔充满的阻尼液是二甲基硅油(4)。

9.如权利要求1或6所述的动力减振镗杆，其特征在于，镗杆(1)设有冷却液孔工艺堵头(11)。

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