大長(zhǎng)徑比動(dòng)力減振車削刀桿設(shè)計(jì)方案的研究與探討

秦柏 季雅娟 王全福

【摘要】本文介紹了大長(zhǎng)徑比動(dòng)力減振車削刀桿的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，討論了減振系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)參數(shù)和減振參數(shù)之間相互影響的關(guān)系。通過對(duì)系統(tǒng)減振特性的分析，總結(jié)出減振系統(tǒng)各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸的確定方法，給出了大長(zhǎng)徑比車削刀桿在實(shí)際設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】大長(zhǎng)徑比；動(dòng)力減振；設(shè)計(jì)方案

1.引言

深孔加工由于其特殊的加工環(huán)境，使車削刀桿桿體的尺寸和形狀都要受到一定的限制，當(dāng)被加工孔的軸向尺寸較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致車削刀桿的長(zhǎng)徑比變大，刀桿的剛度會(huì)變小，導(dǎo)致切削中的振動(dòng)加劇，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量，有時(shí)甚至?xí)辜庸o法正常進(jìn)行。如何減小深孔車削加工過程中的振動(dòng)往往是整個(gè)加工過程中的關(guān)鍵問題[1]。采用動(dòng)力減振的結(jié)構(gòu)來增加車削刀桿的動(dòng)剛度，從根本上抑制振動(dòng)，可以在造價(jià)相對(duì)比較低的情況下實(shí)現(xiàn)較大長(zhǎng)徑比[2]。

大長(zhǎng)徑比動(dòng)力減振車削刀桿的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中橡膠密封圈A和橡膠密封圈B起到了對(duì)阻尼液密封的作用。為了適應(yīng)減振系統(tǒng)振動(dòng)特性的變化環(huán)形橡膠需要一定的調(diào)節(jié)范圍。圖中的緊定螺釘、柱塞和墊一起實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)形橡膠徑向剛度的調(diào)節(jié)。

由于系統(tǒng)中各減振參數(shù)對(duì)減振效果影響各不相同，而減振參數(shù)又是由各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)來確定的，并且結(jié)構(gòu)參數(shù)之間又相互制約，因此在大長(zhǎng)徑比動(dòng)力減振車削刀桿的實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定應(yīng)從對(duì)最終減振效果的整體影響來考慮。本文通過對(duì)大長(zhǎng)徑比動(dòng)力減振車削刀桿振動(dòng)特性的分析，總結(jié)出減振系統(tǒng)各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸的確定方法，從而得出對(duì)大長(zhǎng)徑比動(dòng)力減振車削刀桿普遍適用的設(shè)計(jì)方案。

2.減振腔結(jié)構(gòu)尺寸的確定

減振腔的尺寸包括減振腔的直徑和長(zhǎng)度。當(dāng)減振腔長(zhǎng)度一定時(shí)，減振腔的直徑越大，減振塊的質(zhì)量就可以越大，系統(tǒng)的減振效果就越好。因此，在符合強(qiáng)度的前提下，減振腔直徑越大越好。

當(dāng)減振腔的長(zhǎng)度增大，減振塊的質(zhì)量可以選用更大的值，來達(dá)到更好的減振效果。但由于減振腔直徑的限制，選用較大的減振塊質(zhì)量必然會(huì)導(dǎo)致減振塊質(zhì)心位置遠(yuǎn)離刀頭，這又不利于減振系統(tǒng)性能的提高。因此我們應(yīng)同時(shí)考慮這兩個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)減振性能的影響[3]。通過對(duì)大長(zhǎng)徑比動(dòng)力減振車削刀桿的動(dòng)力學(xué)實(shí)物建模及仿真分析，可得到減振腔的直徑和長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)減振效果的綜合影響，如圖2所示。

由圖2可以看出隨著減振腔長(zhǎng)度的增大，刀桿在整個(gè)頻域內(nèi)的最大振動(dòng)幅值是先變小后變大的。也就是說，存在一個(gè)長(zhǎng)度值能使整個(gè)系統(tǒng)的減振效果達(dá)到最佳。從圖中可以看出當(dāng)減振腔的長(zhǎng)度為刀桿桿長(zhǎng)的三分之一時(shí)可以達(dá)到比較好的減振效果。

3.系統(tǒng)減振參數(shù)的確定

減振塊的質(zhì)量越大減振效果越好，因此根據(jù)已確定的減振腔尺寸可以計(jì)算出減振塊的質(zhì)量。減振塊中間段的外徑應(yīng)比減振腔的內(nèi)徑小，給阻尼液留出空間。由于減振塊兩端圓柱的外徑與環(huán)形橡膠的內(nèi)徑相等，環(huán)形橡膠的內(nèi)徑又直接影響其徑向剛度，因此這里可以先給減振塊兩端圓柱的外徑一個(gè)值，以便確定系統(tǒng)的減振參數(shù)。

環(huán)形橡膠徑向剛度系數(shù)和阻尼液的阻尼系數(shù)是系統(tǒng)的主要減振參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)減振系統(tǒng)在整個(gè)頻域內(nèi)的響應(yīng)都是有影響的。以系統(tǒng)的頻率響應(yīng)峰值為目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可得到系統(tǒng)處于最佳減振效果時(shí)，環(huán)形橡膠的徑向剛度系數(shù)值和阻尼液的阻尼系數(shù)值[4]。

4.環(huán)形橡膠和減振塊的最終尺寸參數(shù)的確定

由于環(huán)形橡膠的尺寸受到減振腔大小的限制，因此減振腔的直徑即為環(huán)形橡膠外圓柱面直徑。減振腔長(zhǎng)度及減振塊結(jié)構(gòu)確定時(shí)，環(huán)形橡膠的長(zhǎng)度也隨之確定。環(huán)形橡膠內(nèi)圓柱面直徑由減振塊兩端小圓柱的直徑確定，這樣就確定了環(huán)形橡膠的所有參數(shù)，可計(jì)算出環(huán)形橡膠的徑向剛度系數(shù)。但這時(shí)的環(huán)形橡膠徑向剛度系數(shù)未必能使系統(tǒng)獲得最佳的減振效果，這就需要進(jìn)一步的調(diào)整環(huán)形橡膠的內(nèi)徑尺寸。環(huán)形橡膠的內(nèi)徑對(duì)徑向剛度的影響如圖3所示[5]。

由圖3可知當(dāng)環(huán)形橡膠的其他參數(shù)一定時(shí)，環(huán)形橡膠的內(nèi)徑越大，徑向剛度也越大，并且隨著環(huán)形橡膠的內(nèi)徑變大，徑向剛度變大的速度越來越快。在減振系統(tǒng)中隨著環(huán)形橡膠內(nèi)徑的變大，減振塊兩端部的小圓柱體直徑也會(huì)隨之變大導(dǎo)致減振塊的質(zhì)量增加。減振塊質(zhì)量的增大會(huì)使系統(tǒng)最佳減振效果下的環(huán)形橡膠徑向剛度變大，但是增大的幅度是很小的。因此肯定有一個(gè)環(huán)形橡膠內(nèi)徑值使環(huán)形橡膠徑向剛度系數(shù)正好等于對(duì)應(yīng)的減振塊質(zhì)量所要求的最佳徑向剛度系數(shù)。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，如果在假設(shè)的前提下計(jì)算出的環(huán)形橡膠徑向剛度系數(shù)比要求的小很多，這時(shí)可以增大環(huán)形橡膠內(nèi)圓柱面直徑來提高徑向剛度系數(shù)。如果計(jì)算出的環(huán)形橡膠徑向剛度系數(shù)比要求的大，則應(yīng)該通過減小環(huán)形橡膠內(nèi)圓柱面直徑來進(jìn)行調(diào)整。并且環(huán)形橡膠內(nèi)徑值的求取需要多次的反復(fù)優(yōu)化驗(yàn)證。

5.總結(jié)語

通過對(duì)大長(zhǎng)徑比動(dòng)力減振車削刀桿整體減振特性分析結(jié)果的總結(jié)，得出了實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)方案，包括減振腔結(jié)構(gòu)尺寸的確定、系統(tǒng)減振參數(shù)的確定和環(huán)形橡膠和減振塊的最終尺寸參數(shù)的確定。

參考文獻(xiàn)

[1]BAKER J R， ROUCH K E.Stability analysis of boring bars with

asymmetry[J].Machining Science and Technology，2002，6（1）：81-95

[2]Mei，C.Active Regenerative Chatter Suppression during Boring Manufacturing Process [J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2005，21（2）：153～158.

[3]Bai Qin，Bo Zhang.Structure Parameter Analysis of Dynamical Vibration Absorption Lathe Tool with Large Length to Diameter Ratio. Advanced Science Letters，2011，4（8-10）：2649～2653.

[4]秦柏，邵俊鵬.基于ADAMS的動(dòng)力減振鏜桿徑向跳動(dòng)頻域分析及參數(shù)優(yōu)化.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（8）：2177-2181.

[5]秦柏，邵俊鵬.動(dòng)力減振鏜桿中環(huán)形橡膠徑向剛度有限元分析. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2008，24（4）：90-92.

作者簡(jiǎn)介

秦柏，男，漢，黑龍江哈爾濱，副教授，主要從事機(jī)械加工振動(dòng)控制黑龍江省教育廳2011年度科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：12511086