基于ABAQUS計算新型抗振復合鏜桿模態(tài)仿真分析

景清武，郭 志，李長生

(1.東北大學 計算中心，沈陽 110819;2.東北大學 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819)

刀具夾固在鏜桿上對孔進行加工的方式稱為鏜孔加工，鏜桿是鏜削加工的重要輔具.深孔加工由于其特殊的加工環(huán)境，使鏜桿桿體的尺寸和形狀受到一定的限制，造成了鏜桿剛度較低;在鏜桿長徑比較大的情況下，鏜桿剛度會更小，進而導致懸伸鏜孔、刮削孔端面或止口、孔內(nèi)挖槽、加工內(nèi)螺紋等常見工序發(fā)生高振動，尤其是長徑比大于等于10的鏜桿在切削過程中更容易引起振動.鏜桿和刀具的振動直接影響加工效率、加工精度和表面粗糙度，使刀具磨損加快，甚至產(chǎn)生崩刃，嚴重降低刀具壽命.為了避振，不得不降低切削用量和生產(chǎn)效率;振動產(chǎn)生噪聲，污染環(huán)境，使操作者極易疲勞、煩燥，從而影響健康［1～3］.

最早發(fā)表有關(guān)切削顫振文章的是1907年美國學者Taylor［4］，之后人們在機床切削顫振領域開展了大量卓有成效的研究工作，以更好地滿足數(shù)控機床高度自動化、高效率以及高精度的發(fā)展趨勢和在航空航天、軍工制造、汽車產(chǎn)業(yè)等領域的需求［5］.對于深孔鏜削加工的顫振抑制問題，國內(nèi)外研究人員在高性能抑制鏜桿的設計開發(fā)上已經(jīng)開展了大量的相關(guān)研究.目前應用最為廣泛的鏜削顫振控制方法是通過在系統(tǒng)中實現(xiàn)阻尼來減振消振的被動振動控制方法［6～7］，而其中利用高強度新型材料來提高鏜桿靜剛度以防止顫振，在實際工程中最為有效和最為普遍.如東芝公司減振鏜桿鑲嵌硬質(zhì)合金的三明治結(jié)構(gòu)設計、Nagano采用基于樹脂的碳纖維增強塑料設計和Lee等的高剛度碳纖維環(huán)氧復合阻尼材料設計等高強度材料鏜桿研究，都取得了較好的成果和應用［5］.

采用具有減振功能的鏜桿是解決深孔加工顫振的最有效的技術(shù)途徑.針對減振鏜桿，采用有限元計算出其模態(tài)參數(shù)和固有振型，設計時避開固有頻率或者最大限度地減少對這些頻率的激勵，從而消除過度振動和噪聲，為大長徑比深孔加工用減振鏜桿的研制與使用提供參考依據(jù).本項目設計的復合鏜桿是由45#鋼和硬質(zhì)金合金YT14組成，采用硬質(zhì)合金來增強45#鋼鏜桿的靜剛度，里面添加減振材料以增加鏜桿的動剛度.

1 基于ABAQUS的鏜桿有限元模型與仿真分析

采用大型有限元分析軟件ABAQUS分別計算45#鋼鏜桿和復合材料鏜桿的固有頻率，在動力學分析中必須定義鏜桿部件的動力學參數(shù)如質(zhì)量、材料密度、轉(zhuǎn)動慣量等.鏜桿的有限元模型為軸對稱模型，對于靜力分析可以采用空間軸對稱模型，而分析鏜桿頻率和振型，三維模型可以很好地觀察模型振型，故選用三維模型進行分析，如圖1所示.分析步驟類型選擇為Linear perturbation，F(xiàn)requency.求解器類型選擇Lanczos，Number of eigenvalues requested特征數(shù)目選擇為6，單元類型選用C3D4.

圖1 傳統(tǒng)鏜桿(a)和復合材料鏜桿有限元模型(b)Fig.1 The finite element model of the traditional boring bar(a)and composite boring bar(b)

鏜桿參數(shù):鏜刀桿外徑D0=150 mm;內(nèi)孔徑d1=50 mm;硬質(zhì)合金內(nèi)徑d2=100 mm;鏜桿長度L=1 500 mm;硬質(zhì)合金如YT14，其彈性模量E1=5.25×1011Pa，泊松比 ε=0.25，密度 ρ=12 g/cm3;45#鋼彈性模量E2=2.0×1011Pa，泊松比ε=0.3，密度ρ=7.85 g/cm3.傳統(tǒng)鏜桿的阻尼系數(shù)設置為0.005，復合鏜桿的阻尼設置系數(shù)為0.015.

1.1 45#鋼鏜桿有限元仿真分析

基于ABAQUS軟件對45#鋼鏜桿進行模態(tài)分析，由于低頻對振動影響比較大，所以取前四階模態(tài)，具體如圖2所示:

鏜桿的一階固有頻率是衡量鏜桿動態(tài)性能的重要參數(shù)，通過有限元分析動力學分析計算出45#鋼鏜桿的一階模態(tài)為701.82.

鏜桿的安裝方式為一端通過夾套定位機床主軸上，一端自由，在模態(tài)分析時可將鏜桿視為均質(zhì)等截面懸臂梁.把鏜桿的自由振動看成梁的彎曲振動.

鏜桿彎曲振動的特征方程:

鏜桿慣性矩是

鏜桿的固有頻率公式為:

根據(jù)動力學解析公式(3)計算出45#鋼鏜桿的一階模態(tài)為635，有限元分析計算的誤差值為0.09.可知有限元計算結(jié)果基本正確.

1.2 復合鏜桿有限元分析

采用ABAQUS軟件對復合鏜桿進行模態(tài)分析，取前四階固有頻率，具體如圖3所示.

復合鏜桿采用45#鋼和硬質(zhì)合金(YT14)組合而成，ABAQUS有限元計算出復合鏜桿的一階模態(tài)值為808.34.比45#鋼鏜桿的一階模態(tài)值701.82高，其原因是在45#鋼鏜桿的外部粘上了一層彈性模量高的硬質(zhì)合金，明顯地提高了鏜桿的剛度，根據(jù)鏜桿模態(tài)計算公式(3)同樣可以得出，隨著彈性模量(剛度)的提高，鏜桿的模態(tài)將提高.國外學者同樣根據(jù)此原理，在鏜桿內(nèi)部嵌入高模量的硬質(zhì)合金來提高整體鏜桿的剛度.

圖2 45#鋼鏜桿模態(tài)示意圖Fig.2 The model figure of 45#steel boring bar

圖3 復合鏜桿模態(tài)圖Fig.3 The model figure of 45#steel composite boring bar

根據(jù)混合定律計算復合鏜桿密度和楊氏模量，得出復合鏜桿密度為10.8 g/cm3，彈性模量(剛度)為4.3×1011Pa.根據(jù)鏜桿的模態(tài)計算公式(3)計算出復合鏜桿的一階模態(tài)值為796.和有限元計算的復合鏜桿一階模態(tài)808.34幾乎相等.

2 結(jié)語

通過有限元仿真分析所得的數(shù)據(jù)和鏜桿模態(tài)解析計算公式可知，45#鋼鏜桿和復合鏜桿的一階模態(tài)分別為701.82和808.34.新型復合減震鏜桿桿體的固有頻率比傳統(tǒng)鏜桿的固有頻率有所提高，有效避開傳統(tǒng)的鏜桿固有頻率，降低了振動特性.該方法適合其他加工方法分析，為機床加工顫振穩(wěn)定性提供參考依據(jù).

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