減振刀桿減振顆粒的試驗研究

王亞東, 龐學慧,張余升,鄭智貞

(1.中北大學 機械與動力工程學院,山西 太原 030051)(2.上海航天設備制造總廠，上海 200245)

減振刀桿減振顆粒的試驗研究

王亞東1, 龐學慧1,張余升2,鄭智貞1

(1.中北大學 機械與動力工程學院,山西 太原 030051)(2.上海航天設備制造總廠，上海 200245)

設計了一種基于顆粒阻尼的減振刀具，并建立了減振刀桿的力學模型。在減振刀桿空腔內(nèi)添加顆粒，并進行錘擊及切削試驗。得到以下結(jié)論：(1)刀桿空腔中添加顆粒后，刀桿的減振效果明顯；(2)填充率相同時，密度較大的顆粒會產(chǎn)生較好的減振效果；(3)填充率與減振效果有著很大關(guān)系，在填充量為70%左右時減振效果最好；(4)刀桿中添加混合顆粒的減振效果很好。

顫振；顆粒阻尼；摩擦耗能；振動

在工件的加工過程中，刀桿和工件之間往往會產(chǎn)生劇烈的振動，這種現(xiàn)象稱之為顫振[1]。通常，使用鋼材料的刀桿在長徑比超過5時，就會發(fā)生顫振。特別是當?shù)稐U的長徑比過大時，刀桿的顫振會更加明顯，表現(xiàn)為：(1)劇烈的振動會使工件表面產(chǎn)生劃痕，影響工件的加工質(zhì)量；(2)振動會影響切削力的變化，使刀具易于磨損，甚至造成崩刀，損壞刀具。

本文提出了一種基于顆粒阻尼的減振刀桿。顆粒阻尼減振刀桿是基于非阻塞性顆粒阻尼(Non-Obstructive Particle Damping，簡稱NOPD)減振技術(shù)[2]的刀桿。其工作原理是在刀桿空腔內(nèi)填充一定比例的顆粒。系統(tǒng)在振動時，顆粒與顆粒之間相互碰撞和摩擦、顆粒和空腔壁相互碰撞和摩擦消耗能量。顆粒阻尼減振刀桿的優(yōu)點是在惡劣條件下依然有很好的減振效果，并且具有抗老化、成本低、減振頻帶寬等優(yōu)點[3]。

1 建立減振刀桿的力學模型

本文設計的減振刀桿是在刀桿的空腔中加入一定比例的顆粒，可以將減振刀桿看作是一個由單個連續(xù)體和單個振動單元組成的減振系統(tǒng)[4]。將刀桿的刀尖作為振動的研究點，即將整個刀桿的質(zhì)量集中在刀尖，可以看作是一質(zhì)量塊等效地加在這點上，質(zhì)量塊的質(zhì)量為刀桿的質(zhì)量，減振刀桿力學模型如圖1所示。圖中：m1為空腔刀桿的質(zhì)量；k1為刀桿剛度；x1為m1相應產(chǎn)生的位移；m2為減振空腔內(nèi)添加顆粒的總質(zhì)量；c為減振顆粒的阻尼；k2為減振空腔與顆粒層接觸產(chǎn)生的接觸剛度；x2為m2產(chǎn)生的位移；Peiωt施加在m1上的激振力。

圖1 減振刀桿力學模型

這樣就把減振刀桿的減振系統(tǒng)簡化為具有2個自由度的阻尼振動系統(tǒng)。由m1，k1組成的系統(tǒng)為主系統(tǒng)，由m2，k2組成的系統(tǒng)為附加系統(tǒng)，即減振系統(tǒng)[5]。

該系統(tǒng)的動力學方程為

(1)

其穩(wěn)態(tài)響應為

(2)

可得到系統(tǒng)的解為：

(3)

2 減振刀桿的試驗研究

試驗選取不同粒徑的顆粒對刀桿的空腔進行填充。刀桿的振動試驗分別在錘擊和切削2種狀態(tài)下進行。在錘擊試驗中，在刀頭處對刀桿進行錘擊，刀頭處安裝應變片，利用DASP系統(tǒng)采集振動信號。切削試驗時，在車床CW6163上對預加工(直徑為40mm的孔)的45鋼進行加工，切削加工過程中保持刀具進給速度不變，主軸轉(zhuǎn)速不變，在靠近刀桿的加持部位安裝應變片進行數(shù)據(jù)采集。

2.1實體刀桿與減振刀桿對比

在錘擊狀態(tài)下對實體刀桿和減振刀桿(未在其空腔內(nèi)添加任何阻尼顆粒)進行測試，其測試結(jié)果如圖2所示。

比較圖2(a)、(b)可知，兩種刀桿的測試結(jié)果基本相同，說明減振刀桿可以用于本次試驗。

2.2減振刀桿中添加顆粒

a.空腔中添加單一顆粒。

在減振刀桿的空腔中添加同種材料的顆粒，添加方案見表1。

根據(jù)上述填充方案，對減振刀桿進行切削試驗，并對0～600Hz內(nèi)一階共振頻率附近的功率譜值進行測試，得到的試驗結(jié)果見表2。

圖2 功率譜密度圖

表1 單一顆粒的填充方案及材料性質(zhì)

表2 不同顆粒填充的功率譜值

圖3 不同情況下功率譜圖

根據(jù)試驗得到的結(jié)果繪制出刀桿空腔中添加不同顆粒的功率譜圖，如圖3所示，根據(jù)測試結(jié)果及圖2表明：未添加顆粒時刀桿的功率譜值為48.26，添加后刀桿的功率譜值最小為0.94，大約為原來的2%，說明刀桿內(nèi)添加顆粒后，無論添加方案如何，減振效果都很明顯。當空腔中添加硬質(zhì)合金球或鉛球時功率譜值隨著填充量的增大而逐漸減小，說明結(jié)構(gòu)的阻尼隨著填充量的增加而不斷增大。比較鎢粉、硬質(zhì)合金粉、超細粉可以看出，在試驗范圍內(nèi)，3種粉體的變化趨勢基本相同：刀桿空腔中粉體顆粒的填充量為70%時，其功率譜值最小，說明此時系統(tǒng)的阻尼最大，減振效果最好。

(1)當空腔中添加顆粒后，系統(tǒng)的功率譜值都有所減小，說明顆粒阻尼應用于減振刀桿可以獲得很好的效果。

(2)分析比較空腔中添加鉛球及硬質(zhì)合金球的頻率譜值可知：空腔當中添加4個顆粒時，減振效果明顯優(yōu)于添加3個時的減振效果。這是因為球體的半徑為8mm，且表面較為光滑，系統(tǒng)受迫振動時，腔體內(nèi)部球體和球體、球體和腔壁之間發(fā)生劇烈的運動，能量消耗的方式以碰撞為主，在相同的激振條件下，4個球之間彼此碰撞或與腔壁碰撞的次數(shù)會多于3個球的碰撞次數(shù)，因此會消耗更多的能量。由圖可知，硬質(zhì)合金球的減振效果要好于鉛球的減振效果，這是因為硬質(zhì)合金球密度大、彈性系數(shù)大，球體在振動中會發(fā)生更多次碰撞，因此消耗的能量更多，鉛球雖然塑性大，但彼此碰撞次數(shù)會比硬質(zhì)合金球少很多，所以比硬質(zhì)合金球的減振效果相對差些。

(3)在空腔當中添加粉體顆粒時，減振效果非常明顯：硬質(zhì)合金粉的減振效果要比鎢粉的減振效果好，超細粉的減振效果不如硬質(zhì)合金粉和鉛粉，甚至不如硬質(zhì)合金球。振動時，由于粉體顆粒的直徑很小，大大增加了顆粒間彼此接觸的面積，此時系統(tǒng)的主要耗能方式為摩擦耗能。由圖3可知，這3種粉體在填充量不超過70%時，系統(tǒng)的功率譜值隨著填充量的增大而減小，70%之后，隨著填充量的進一步增大，功率譜值反而增大，說明填充量在70%左右時減振效果最好，因為在此條件下，腔體內(nèi)粉體發(fā)生充分的振動，彼此間接觸面積最大，摩擦耗能的效果最為顯著。超細粉的減振效果不如硬質(zhì)合金粉和鉛粉，甚至不如硬質(zhì)合金球，這是因為超細粉的直徑非常小(d<1μm)，雖然顆粒間接觸面積大大增加，但顆粒表面能也隨之增加，超細粉顆粒會發(fā)生堆積聚團的現(xiàn)象，使顆粒不能發(fā)生充分的振動，影響減振效果。

(4)當腔體內(nèi)填充率相同時，可以看出硬質(zhì)合金粉的減振效果最好。因為硬質(zhì)合金粉的密度甚至會大于硬質(zhì)合金球的密度，在固定的空腔體積內(nèi)，質(zhì)量比增大，減振效果更加明顯。

b.空腔中添加混合顆粒。

在空腔當中添加混合顆粒，添加方案及試驗結(jié)果見表3。

表3 添加混合顆粒功率譜值

當?shù)稐U空腔中加入鎢粉和硬質(zhì)合金球或鉛球的混合顆粒后，減振效果十分明顯。對比6組數(shù)據(jù)，空腔中添加20%的鎢粉和2個硬質(zhì)合金球混合時，減振效果最差，但與未添加顆粒的空腔刀桿相比，功率譜值下降了80%左右；4個鉛球與30%的鎢粉混合時，減振效果最好，與未添加顆粒的空腔刀桿相比，功率譜下降了91%左右。

對比表2及表3可得到如下結(jié)論：

(1)空腔中添加粉體顆粒和球體顆粒的混合顆粒后，減振效果十分明顯。例如，只添加3個鉛球(表2)和添加3個鉛球及30%的鎢粉(表3)，比較可知添加鎢粉后，功率譜值由20.76降為3.89，下降了81%，可以說明由于添加了粉體顆粒，使得減振效果非常明顯。造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的：首先，試驗采用一種硬度相對大的球體顆粒和硬度較小的粉體顆?；旌希芷日駝訒r，粉體顆粒包裹在球體顆粒的表面上，球體運動時相互碰撞消耗能量，同時在碰撞的過程中夾擊粉體顆粒，使粉體顆粒產(chǎn)生塑性變形，永久消耗能量，同時在鋼球表面和腔體內(nèi)壁表面的粉體相當于形成了一層緩沖層；其次，加入粉體顆粒增加了顆粒間的接觸面積，增加了摩擦耗能；另外，由于粉體的粒徑很小，因此顆粒質(zhì)量較小，動能很小，在顆粒表面能的作用下，粉體顆?？赡軙逊e結(jié)塊，混合顆粒在相互作用的過程中，動能較大的球體顆粒撞擊結(jié)塊的粉體顆粒，使其又成為小的顆粒，之后再重復聚團又粉碎的過程，通過這樣的循壞也會消耗一部分能量。

(2)鎢球的減振效果明顯好于其他5組結(jié)果。因為鎢的硬度較小，振動過程中更容易發(fā)生塑性變形，永久地消耗能量。

3 結(jié)論

本文設計了一種基于顆粒阻尼的減振刀具。在減振刀桿空腔內(nèi)添加顆粒，并進行錘擊及切削試驗。得到以下結(jié)論:

a.顆粒阻尼是實現(xiàn)刀桿減振的有效措施。無論哪種填充方案，刀桿空腔中添加顆粒后，刀桿的減振效果都十分明顯。

b.填充率相同時，密度較大的顆粒會產(chǎn)生較好的減振效果。顆粒密度較大，其質(zhì)量也較大，振動時顆粒之間相互碰撞和摩擦，會消耗更多的能量。但由于超細粉的粒徑非常小，振動過程會發(fā)生聚團堆積現(xiàn)象，反而會影響減振效果。

c.填充率與減振效果有著很大關(guān)系。在填充量不超過70%時，系統(tǒng)的功率譜值隨著填充量的增大而減小，70%之后，隨著填充量的進一步增大，功率譜值反而增大，說明填充量在70%左右時減振效果最好，因為在此條件下，腔體內(nèi)粉體發(fā)生充分的振動，彼此間接觸面積最大，摩擦耗能的效果最為顯著。因此選擇合適的比例填充空腔，可以獲得更好的減振效果。

d.腔中添加粉體顆粒和球體顆粒的混合顆粒后，減振效果十分明顯。刀桿中添加混合顆粒的減振效果大大優(yōu)于只添加單一顆粒的減振效果。因為在振動過程中，碰撞耗能和摩擦耗能同時起作用，粉體的塑性變形會消耗一部分能量，另外球體對聚團的粉體塊不斷沖擊使其粉碎，也會消耗一部分能量。

致謝：論文得到中北大學校科學基金和上海航天設備制造總廠課題“基于復合顆粒阻尼的大長徑比減振刀具技術(shù)研究”的支持，特此致謝。

[1] 王躍輝，王民.金屬切削過程顫振控制技術(shù)的研究進展[J].機械工程學報，2010，46(7)：166-174.

[2] 夏兆旺，單穎春，劉獻棟，等．顆粒阻尼應用于平板葉片減振試驗[J]．振動、測試與診斷，2008，28(3)：269-272.

[3] 毛寬民,陳天寧,黃協(xié)清. 懸臂梁的非阻塞性微顆粒阻尼減振模型研究[J]. 西安交通大學學報，1999，33(10):68-72

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[5] 倪振華. 振動力學[M].西安：西安交通大學出版社,1990.

ExperimentalResearchontheVibrationDampingParticleandtoolsCutter

WANG Yadong1,PANG Xuehui1,ZHANG Yusheng2,ZHENG Zhizhen1

(1.North University of China,Shanxi Taiyuan 030051,China)(2.Shanghai Aerospace Equipment's Manufacturer, Shanghai 200245,China)

It introduces the design of tool based on particle vibration damping and mechanical model. The holder cavity vibration damping particles are added, and the hammer and cutting test. The experimental test shows: (1) 'After the shank cavity adds particles, damping effects Arbor obvious; (2) fill rate is the same, the density of the larger particles produce a better damping effect; (3) fill rate and damping effect have a very great relationship,in the filling is about 70% of the best damping effect; (4) adding and mixing the particles Arbor damping effect than add only a single particle.

Chatter；Particle Damping; Friction Energy Dissipation; Vibration

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.009

2014-08-02

王亞東(1990—)，男，山西太原人，中北大學碩士研究生，主要研究方向為先進刀具技術(shù)。

O328

A

2095-509X(2014)09-0036-04