阻尼合金消耗因子對鏜桿減振性能的影響

曾海波，羅紅波，李紅梅

(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

0 引言

在金屬切削加工中，在工件和刀具之間常常發(fā)生強烈的相對振動，稱之為顫振(chatter)［1］。在一定力的作用下，鏜桿的彎曲程度主要取決于鏜桿的靜剛度，而鏜桿的振顫的幅度和頻率取決于鏜桿的靜剛度和動剛度［2-4］。在生產(chǎn)實踐中，一般來說機床的振動是不希望產(chǎn)生的。這是因為振動所產(chǎn)生的噪聲能刺激操作工人引起疲勞，降低工作效率.并且它又能使機床零件過早出現(xiàn)疲勞破壞，從而使零件的安全程度、可靠性和強度下降，機床的振動還會導(dǎo)致被加工工件的精度降低，刀具壽命和生產(chǎn)率下降。對于鏜孔加工更是如此，鏜桿鏜孔的時候處于半封閉狀態(tài)，鏜桿工作在工件之內(nèi)，加工條件惡劣，尤其是用于加工大深孔時，鏜桿懸伸很長，一般懸伸長度是其直徑的4～10倍，因此極易引起振動，嚴重影響鏜削的精度和加工效率。因此加工大深孔時，鏜桿的振動是不可忽視的因素。

減振鏜桿各個參數(shù)的變化，尤其是阻尼合金、減振塊和阻尼液等參數(shù)的變化對其影響很大。如果參數(shù)調(diào)整不好，對其減振性能影響很不好，甚至?xí)圭M桿失去減振作用。

1 鏜桿結(jié)構(gòu)模型的建立

減振鏜桿所采用的是內(nèi)置式阻尼動力減振結(jié)構(gòu)的防振鏜桿［5］，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

減振系統(tǒng)的刀桿是由一個連續(xù)體和一個振動單元組成的，如圖1所示。根據(jù)振動力學(xué)的理論分析可知，這樣的系統(tǒng)建立方程很不方便，必須進行簡化。

在圖2中為簡化模型的方便，選取鏜桿的刀尖作為研究振動點，鏜桿的質(zhì)量將被集中在這一點，可以認為有一個質(zhì)量塊等效地加在這一點，等效質(zhì)量塊的質(zhì)量就是鏜桿的當(dāng)量質(zhì)量，鏜桿在研究點的剛度被看作是彈簧的彈性系數(shù)k1，橡膠圈的彈性系數(shù)為k2，阻尼液的動力阻尼為c，空氣摩擦和冷卻液的阻尼影響，根據(jù)不同的情況，可以取不同的值。當(dāng)鏜桿的振動頻率較低時，可以忽略不計;而當(dāng)振動頻率較高時，空氣阻尼有時可以忽略，但冷卻液的阻尼卻不可以忽略。

這樣就把減振鏜桿系統(tǒng)簡化成了具有兩個自由度的有阻尼振動系統(tǒng)。我們把由m1、k1組成的系統(tǒng)稱之為主系統(tǒng)，把由m2、k2和c組成的減振裝置稱之為減振器。

振動系統(tǒng)的運動微分方程為:

式中:A1、A2——主質(zhì)量、輔助質(zhì)量的振幅;

由式(4)、(5)可以看出，要確定的參數(shù)有a、λ、ξ、u。根據(jù)已有的研究成果基礎(chǔ)，知道此優(yōu)化問題可以用全局數(shù)值搜索法尋優(yōu)求解程序，尋求系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)為:

根據(jù)實際應(yīng)用要求，本文初步設(shè)計的鏜桿懸臂長度L=800mm，直徑 D=80mm，材料為40Cr，彈性模量E=211GPa，鏜桿主系統(tǒng)懸伸總質(zhì)量m1=40kg。

2 阻尼合金的選擇

2.1 阻尼合金的分類

阻尼合金具備的基本特征是能夠通過材料內(nèi)部的各種相應(yīng)阻尼機制，吸收外部振動能量，并將振動能轉(zhuǎn)化成熱能而不可逆耗散，達到減振的功效。一般分為復(fù)相型、孿晶型、位錯型、鐵磁型合金［6］。其性能特點如表1和表2。

表1 阻尼合金的性能特點

表2 阻尼合金的性能特點

復(fù)相型的Al_Zn合金阻尼性能偏低，而且只能在150℃左右較窄的溫度區(qū)內(nèi)使用。

孿晶型:鎂合金阻尼性能雖很高，但其抗蝕性能較差，力學(xué)性能太低，F(xiàn)e_Ni_Mn雖具有很好的抗蝕和力學(xué)性能;可是內(nèi)耗太小。

位錯型:盡管Mn_Cu及Ni_Ti合金具有較高的阻尼性能和好的抗蝕及力學(xué)性能功能，但由于受馬氏體相變點的制約，使用溫度不能超過80℃。

鐵磁型:Fe_Cr基、Fe_Al基、Ni_Co基其阻尼性能具有很好的抗蝕性能，力學(xué)性能十分接近于奧氏體不銹鋼的水平，其內(nèi)耗相當(dāng)于Mn_Cu合金水平，甚至更高。更重要的是其高阻尼性能可從室溫一直保持到300℃(或更高)的高溫條件。

2.2 材料的選取

金屬或合金的阻尼性能好壞可用許多種方法量度如:對數(shù)衰減率δ，內(nèi)耗Q－1，減振系數(shù)SDC，能耗系數(shù)η等［7］。我們可以用內(nèi)耗(Q－1)來計算出選用材料的最佳消耗因子β=Q－1/2。

在鏜桿的精加工切削過程中，刀頭部分的溫升最高，大約為300℃，其余桿件部分受溫較低，大約為20℃。因此可以選用鐵磁型合金Fe_Cr3_Mo作為刀頭部分的材料，選用Fe_Cr13_Al做為鏜桿的桿件部分的材料，此時Fe_Cr3_Mo和Fe_Cr13_Al的最佳消耗因子分別為0.0134和0.0105。

3 阻尼合金參數(shù)對減振鏜桿性能的影響

本次試驗是通過對減振鏜桿的諧響應(yīng)分析來比較對減振性能的影響大小。在材料選定和尺寸確定的情況下，系統(tǒng)模態(tài)阻尼比 ζ=0.22，基頻為40.679Hz，選取不同的消耗因子進行分析，分析結(jié)果如圖3～7所示。

通過諧波響應(yīng)圖3～6的比較，在0～0.7的范圍內(nèi)選取不同的消耗因子，可以得出以下結(jié)論:當(dāng)阻尼合金的消耗因子不斷增大的情況下，鐵磁合金的減振效果也將越來越好，當(dāng)選取阻尼消耗因子為0.7的時候達到最佳的減振效果，諧響應(yīng)的峰值為2.91e－2mm，由于阻尼合金在同一溫度的最佳消耗因子是一定的，因此在滿足了鏜桿的剛度條件下，選用本次實驗合金材料，我們可以在其最佳消耗因子下工作，即選取Fe_Cr3_Mo和Fe_Cr13_Al的消耗因子分別為0.0134和0.0105的時候下觀察減振效果。結(jié)果如圖6。

然后比較圖6和圖7，我們可以看到當(dāng)消耗因子相差很大的情況下，峰值的變化卻不是很大，僅僅相差0.31 e－2mm?？紤]到鏜桿在工作中各個部件的溫度差別很大，因此，針對不同的溫度，我們選用了適合了該溫度下工作的合金，即:Fe_Cr3_Mo作為刀頭部分的材料，選用Fe_Cr13_Al做為鏜桿的桿件部分的材料，得到較為理想的結(jié)果3.22e－2mm。

圖7 Fe_Cr3_Mo和Fe_Cr13_Al的消耗因子分別為0.0134和0.0105時的諧波響應(yīng)

4 結(jié)論

通過以上的實驗，我們可以分析得出:阻尼合金的材料對于減振效果的影響很大。其隨著消耗因子不斷升高，減振的效果可以更為理想，由于不同的材料在同一溫度下的消耗因子是不同的，而在鏜桿的工作條件下，各個部件的溫度基本確定，因此，我們要綜合考慮適合不同溫度的材料，和高的消耗因子以及經(jīng)濟方面的因素，選用最恰當(dāng)?shù)臏p振合金，使其盡量能在低費用的情況下達到更好的減振效果。

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