立式銑床直齒銑刀固有頻率研究*

王天任 張玲利 李 鶴 聞邦椿

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立式銑床直齒銑刀固有頻率研究*

王天任 張玲利 李 鶴 聞邦椿

（東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 遼寧沈陽110819）

銑床刀桿的振動(dòng)情況直接影響零件的加工質(zhì)量。將刀桿簡化為歐拉梁模型，分別計(jì)算了刀桿在不考慮陀螺效應(yīng)和考慮陀螺效應(yīng)時(shí)的固有頻率，并研究了不同的刀桿轉(zhuǎn)速對固有頻率的影響。同時(shí)考慮了刀桿的懸臂長度和刀桿直徑對其固有頻率的影響。研究結(jié)果表明，在不考慮陀螺效應(yīng)時(shí)，懸臂刀桿的固有頻率不會隨著刀桿轉(zhuǎn)速而變化。在考慮陀螺效應(yīng)時(shí)，隨著刀桿轉(zhuǎn)速的增大，正進(jìn)動(dòng)的固有頻率會變大而反進(jìn)動(dòng)的固有頻率會降低。刀桿的各階固有頻率會隨著刀桿懸伸長度的減小而增大，隨著直徑的變大而變大。

銑刀 固有頻率 陀螺效應(yīng) 刀桿懸伸長度 刀桿直徑

伴隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，銑削成為一種越來越重要的加工方式。銑削加工已不斷的被應(yīng)用于航空、汽車、船舶及核電等工業(yè)領(lǐng)域[1]。但是在實(shí)際的銑削過程中，由于刀具和工件的剛性作用，實(shí)際的加工過程中會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象[2-3]，這種不穩(wěn)定性會嚴(yán)重影響加工的精度和效率。銑床在加工中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象主要指的是銑削過程中出現(xiàn)的刀具振動(dòng)現(xiàn)象。因此對于銑床銑刀固有頻率的研究意義可見一斑。

本文利用懸臂歐拉梁[4]簡化銑刀刀桿，分別計(jì)算了在不考慮陀螺效應(yīng)[5,6]和考慮陀螺效應(yīng)時(shí)刀桿的固有頻率。并研究了刀桿的懸伸長度和刀桿直徑對其固有頻率的影響。研究結(jié)果將為銑床刀具的使用和選擇提供理論基礎(chǔ)。

1 理論模型

1.1 不考慮陀螺效應(yīng)時(shí)懸臂刀桿的固有頻率

根據(jù)銑刀的幾何形狀和工作形態(tài)，將立式直齒銑刀刀桿簡化成等徑懸臂梁，將刀桿固定端定為坐標(biāo)系原點(diǎn)，軸向?yàn)檫M(jìn)給方向，軸為刀軸線，如圖1所示。

在不考慮陀螺效應(yīng)影響時(shí)，懸臂刀桿可以視為歐拉梁，它的振動(dòng)齊次微分方程為：

式中：v(z,t)為懸臂梁的撓度函數(shù)；E為刀桿材料的彈性模量；I為刀桿截面慣性矩；A為刀桿截面積；ρ為刀桿材料密度。

懸臂梁的邊界條件為：固定端：該端點(diǎn)被完全固定，因此有位移與轉(zhuǎn)角為零，即：

自由端：該端點(diǎn)可以任何方向的運(yùn)動(dòng)都不受限制，因此彎矩與剪力等于零即：

將()代入懸臂梁條件[7]，得到懸臂梁的固有頻率方程為：

根據(jù)式(3)求解式(1)，得到懸臂梁的各階固有頻率為：

其中：為刀桿懸深長度。根據(jù)式（4）可知，在不考慮陀螺效應(yīng)時(shí)，刀桿的各階固有頻率是定值，不隨主軸轉(zhuǎn)速的變化而變化。

1.2 考慮陀螺效應(yīng)時(shí)懸臂刀桿的固有頻率

當(dāng)考慮陀螺效應(yīng)的影響時(shí)，刀桿的振動(dòng)齊次微分方程要加入陀螺力矩，加入陀螺力矩后刀具正進(jìn)動(dòng)微分方程為：

反進(jìn)動(dòng)微分方程為：

式中：為單位長度的刀桿關(guān)于直徑的回轉(zhuǎn)半徑；為刀桿懸伸長度；E表示刀桿的楊氏模量；A為振型系數(shù)：

A1=3.515;A2=22.034;A3=61.7;A4=120.91；

2 刀桿參數(shù)對固有頻率的影響

2.1 懸臂刀桿參數(shù)

表1中給出了懸臂刀桿參數(shù)，采用Matlab仿真的方法計(jì)算出在考慮陀螺力矩時(shí)，刀桿的每階固有頻率隨著轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。

表1 懸臂刀桿參數(shù)

2.2 刀桿的懸伸長度對固有頻率的影響

刀桿的懸伸長度是其工作時(shí)的一項(xiàng)重要參數(shù)，它對刀桿的固有頻率具有很大的影響。因此本文通過控制刀桿直徑為Φ10 mm時(shí)，研究了懸伸長度分別為100 mm和80 mm時(shí)，刀桿的固有頻率隨刀桿轉(zhuǎn)速的變化。通過MATLAB仿真，結(jié)果如圖2和圖3所示。結(jié)論表明，在刀桿直徑固定時(shí)，對于相同的刀桿轉(zhuǎn)速，刀桿的各階固有頻率會隨著刀桿懸伸長度的減小而增大。

圖2 前兩階固有頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線示意圖

圖3 前兩階固有頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線示意圖

2.3 刀桿直徑對固有頻率的影響

刀桿直徑影響加工前對工具的選擇，因此研究刀桿直徑對固有頻率的影響也是非常必要的。本文通過控制刀桿的懸伸長度為100mm時(shí)，研究了刀桿直徑分別為10mm和12mm時(shí)，刀桿的固有頻率隨刀桿轉(zhuǎn)速的變化。通過MATLAB仿真，結(jié)果如圖3和圖4所示。結(jié)論表明，當(dāng)懸伸長度一樣時(shí)，對于相同的刀桿轉(zhuǎn)速，刀桿的直徑越大刀桿的各階固有頻率會越大。

圖4 前兩階固有頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線示意圖

3 結(jié)語

將刀桿簡化為懸臂歐拉梁模型，分別建立了考慮陀螺力矩和不考慮力陀螺矩時(shí)刀桿的振動(dòng)微分方程，并得到刀桿的固有頻率。分別研究了轉(zhuǎn)速、刀桿懸伸長度、刀桿直徑對其固有頻率的影響。研究結(jié)論為（1）在不考慮陀螺效應(yīng)時(shí)，刀桿的各階固有頻率是定值，不隨主軸轉(zhuǎn)速的變化而變化。（2）考慮陀螺力矩時(shí)，在刀桿轉(zhuǎn)速相同的情況下，刀桿的各階固有頻率會隨著刀桿懸伸長度的減小而增大，隨著刀桿直徑的變大而變大。這些將為銑削系統(tǒng)刀桿的使用和選擇提供理論依據(jù)。

[1] Tlusty.J.ManufacturingProcessanEquipment[M].Engle -wood Cliffs, Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2000.

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[4] 劉彥,周進(jìn)華.基于歐拉梁理論的管路縱向波功率流簡化模型誤差分析[J].中國艦船研究，2012.2(5)：13-16.

[5] 胡騰，殷國富等.基于離心力和陀螺力矩效應(yīng)的“主軸－軸承”系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究[J].振動(dòng)與沖擊,2014.8(33):100-108.

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*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目

編號：51175071