顆粒阻尼銑刀減振分析與試驗研究

張恒明　龐學慧

(中北大學機械與動力工程學院, 山西 太原 030051)

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顆粒阻尼銑刀減振分析與試驗研究

張恒明龐學慧

(中北大學機械與動力工程學院, 山西 太原 030051)

研究了多種阻尼顆粒在不同填充參數(shù)下對顆粒阻尼銑刀減振效果的影響。對顆粒阻尼銑刀進行錘擊實驗以測得刀桿阻尼比，進行銑削實驗以測得工件表面粗糙度。比較了顆粒粒徑、密度、填充率對減振效果的影響，發(fā)現(xiàn)了較優(yōu)的填充顆粒參數(shù)。實驗結(jié)果表明：填充顆粒直徑越小，密度越大、減振效果越好，當填充率為70%時，減振效果最佳；選取合理填充顆粒參數(shù)時，刀桿阻尼比最高達到4.35%，銑削后的工件表面粗糙度值最低為1.392 μm，相比于實心銑刀降低了50.09%；球粉混合填充模型有待進一步研究。

顆粒阻尼; 銑刀; 阻尼比; 表面粗糙度

在機械制造領(lǐng)域，銑削加工因加工效率高而得到廣泛應(yīng)用，同時由于銑削加工斷續(xù)切削、有沖擊，振動現(xiàn)象比較復雜[1]。切削加工中受切削力影響刀具振動是不可避免的，在具備一定條件下就會產(chǎn)生顫振，降低零件加工精度，增加刀具疲勞和磨損，嚴重時產(chǎn)生崩刀，導致加工無法進行[2]。

顆粒阻尼銑刀是基于NOPD(非阻塞性顆粒阻尼，non-obstructive particle damping)技術(shù)，在銑刀的實心刀桿中加工出一定形狀、大小的空腔，然后在空腔中填充阻尼顆粒進行封裝。其減振原理主要是當銑刀旋轉(zhuǎn)銑削時，填充在空腔中的顆粒與顆粒之間、顆粒與腔壁不斷發(fā)生碰撞與摩擦，通過碰撞與摩擦兩種主要的耗能方式來消耗銑刀的振動能量，從而使銑刀銑削時刀具的振幅減小，提高工件的表面加工質(zhì)量。Panossian H V.[3-5]提出了一種非阻塞型顆粒阻尼器概念，并通過試驗驗證了該型顆粒阻尼器良好的減振控制效果。夏兆旺[6]進行了懸臂梁的顆粒阻尼實驗，研究結(jié)果表明：顆粒阻尼可以使得梁的阻尼比大幅提高，在振幅較大的位置打孔洞填入顆粒材料時,顆粒減振效果較好。這些研究成果都表明顆粒阻尼器能夠大量地消耗系統(tǒng)的振動能量，起到減振的作用。

本文以填充阻尼顆粒的中空銑刀為研究對象，進行了大量的阻尼比測試實驗和銑削工件實驗，主要研究了阻尼顆粒對銑刀振動的抑制效果及影響規(guī)律。

1　顆粒阻尼銑刀桿的錘擊實驗

1.1錘擊實驗的原理與裝置

在刀桿的空腔中填充阻尼顆粒并進行密封。通過錘擊刀桿，利用安裝在刀頭處(振幅最大處)的加速度傳感器獲取銑刀的加速度時間歷程信號并傳給與之連接的信號采集分析儀，通過計算機上的DASP軟件分析加速度歷程信號，再利用時域信號衰減法，計算出刀桿的阻尼比。

錘擊實驗采用如圖1所示的實驗裝置，其中刀桿材料為9SiCr低合金工具鋼，密度為7.8×103kg/m3，彈性模量為210×109Pa，懸伸長度為200 mm?？涨汇姷督Y(jié)構(gòu)如圖2所示，刀桿總長L=230 mm，直徑D=25 mm，其中刀頭長度為L1=35 mm，空腔長度為L2=115 mm，空腔直徑為D1=17.5 mm。

1.2顆粒填充方案與實驗數(shù)據(jù)處理

顆粒阻尼銑刀所選用的填充材料為：YG8球(直徑5 mm)、YG8粉(200目)、鉛球(直徑5 mm、2 mm各一組)、鎢粉(200目)、超細鎢粉(3 μm)、碳化硅粉(200目)、球粉混合(硬質(zhì)合金球(5 mm)與20%鎢粉(200目)混合)。由于阻尼顆粒填充率較低時，減振效果較差，所以本次實驗的每種材料的填充率分別為：50%、60%、70%、80%、90%。如圖3給出了空腔銑刀桿以及填充率為50%、70%、90%的200目鎢粉的加速度時間歷程圖。

時域信號衰減法是當系統(tǒng)受到初始位移后突然去掉約束，根據(jù)其時域內(nèi)的衰減信號求得系統(tǒng)的阻尼比[6]。

所以對數(shù)衰減率表示為

(1)

式中：Ai為振幅衰 減曲線的第i個峰值，j為所間隔的振動周期數(shù)。

由弗里斯公式可以看出，對于弱信號檢測系統(tǒng)來說低噪聲前置放大器的設(shè)計尤其重要。實際處理中，采用集成運放構(gòu)建適應(yīng)于不同場合的儀表放大器，是設(shè)計低噪聲前置放大電路的重要方法。儀表放大電路是一種精密電壓差分放大的電路結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于高精密測量的前端，具有共模抑制比高和輸入阻抗高的低噪聲性能[4]。常用儀表放大器有單運放、雙運放及三運放3種方法構(gòu)成。考慮到電路空間及可靠性的限制，電路設(shè)計采用單運放的方式，一級放大電路設(shè)計如圖2所示。

當ξ較小時(ξ<0.2)，式(1)可近似為

δ≈2πξ

(2)

由此得到

(3)

受激振力和顆粒耗能影響，時域信號在最初的幾個周期內(nèi)衰減效果較明顯。取第一和第四個周期的峰值，可計算出在不同填充參數(shù)下銑刀桿的阻尼比，如表1所示。

表1不同填充參數(shù)下銑刀桿的阻尼比/%

阻尼顆粒填充率50%60%70%80%90%空腔銑刀1.20YG8球(5mm)2.462.933.252.902.62鉛球(5mm)2.542.813.162.612.53鉛球(2mm)2.833.503.883.193.14YG8粉(200目)3.854.114.353.942.97鎢粉(200目)3.493.534.103.612.86碳化硅粉(200目)2.292.583.182.532.31超細鎢粉(3μm)2.613.133.803.092.90球粉混合2.633.693.983.412.81

1.3實驗結(jié)果分析

從表1可知，空腔銑刀桿的阻尼比為1.20%，在填充阻尼顆粒的情況下，效果最好的是填充率為70%的YG8粉，刀桿阻尼比達到了4.35%，提高了2.63倍。填充其他顆粒，刀桿的阻尼比也有不同程度的提高。

(1)在顆粒密度方面，填充密度大的顆粒，刀桿的阻尼比較大，減振效果較好。如相同直徑下，由于ρYG8>ρ鉛，填充YG8球的效果好于鉛球，同樣對于粉體顆粒，ρYG8>ρ鎢>ρ碳化硅，因此YG8粉的效果好于鎢粉，碳化硅粉效果最差。因為密度大的顆粒運動時攜帶的能量和動量較大，發(fā)生碰撞時沖擊力較大，同時發(fā)生摩擦時，由于接觸力大顆粒表面摩擦更劇烈，因此耗能較多，減振效果較好。

(2)在顆粒直徑方面，顆粒直徑越小，減振效果越好。2 mm鉛球的減振效果好于5 mm鉛球，YG8粉的減振效果好于YG8球。在填充率相同的情況下，顆粒直徑越小，顆粒數(shù)量越多，同時顆粒之間的接觸面積增大，顆粒運動時，顆粒摩擦與碰撞的頻率增大，因此耗能較多，效果較好。

(3)在填充率方面，當填充率為70%時減振效果最好。填充率較低時，顆粒整體上數(shù)量較少。顆粒填充率較高時，顆粒沒有足夠的運動空間。填充率為70%時，保證了顆粒數(shù)量整體上較多，同時又有足夠的運動空間發(fā)生摩擦與碰撞。

(4)對于超細鎢粉而言，其減振效果差于鎢粉。雖然超細粉直徑小，填充率相同時數(shù)量較多，但是由于超細粉直徑太小，分子間作用力作用顯著，粉末聚集成團，不易散開，并且由力錘施加的激振力幅值較小，粉末顆粒運動受阻，顆粒與顆粒、腔壁之間的摩擦與碰撞較弱，因此超細粉減振效果并不太好。

(5)對于球粉混合填充方式，由于力錘施加的垂直激振力為單次作用，所以空腔中的粉末顆粒能夠充分填充在小球之間以及小球與腔壁之間。刀桿振動時，除了摩擦和碰撞作用消耗能量外，小球之間、小球與腔壁之間發(fā)生碰撞，沖擊、擠壓其間的粉末顆粒，使其發(fā)生塑性變形也消耗部分能量，雖受限于激振力的大小，使得粉末顆粒發(fā)生塑性變形有限，但球粉混合填充方式減振效果較好。

2　顆粒阻尼銑刀的銑削實驗

2.1實驗?zāi)康?/p>

為了檢驗顆粒阻尼銑刀的銑削性能，對其進行了銑削實驗。在實驗中測量了不同填充參數(shù)下顆粒阻尼銑刀以及同種刀具參數(shù)的實心銑刀所加工后的工件表面粗糙度。通過對工件表面粗糙度的分析，確定較好的銑削效果的顆粒參數(shù)，并與錘擊實驗結(jié)果進行對比，分析兩者之間的聯(lián)系。

2.2實驗設(shè)備與材料

2.3實驗結(jié)果與分析

本次銑削實驗所選用的顆粒填充參數(shù)與錘擊實驗一樣，在此不再贅述。圖5為實心銑刀和超細粉填充率為50%、70%、90%的顆粒阻尼銑刀銑削加工后的粗糙度測量數(shù)據(jù)。對銑削后工件的表面粗糙度進行匯總，如表2所示。

表2不同填充參數(shù)下工件表面粗糙度(Ra)/μm

阻尼顆粒填充率50%60%70%80%90%實心銑刀2.789空腔銑刀3.856YG8球(5mm)2.2102.0211.9502.0802.153鉛球(5mm)3.3973.0132.1172.6272.944鉛球(2mm)2.5962.2372.0962.4552.712YG8粉(200目)1.9981.7821.6871.7212.153鎢粉(200目)2.1392.0101.7981.8532.409碳化硅粉(200目)2.3852.4172.1492.1852.271超細鎢粉(3μm)1.8531.7971.3921.5722.000球粉混合2.6862.5022.2632.4753.273

從表2中可以看到，經(jīng)實心銑刀銑削后工件的表面粗糙度要比空心銑刀的低，由于空腔銑刀損失了部分靜剛度，使得在相同銑削力的作用下，刀頭的彎曲撓度增大，當銑刀振動時，刀尖的擺動幅值增大，工件表面粗糙度值增大，表面加工質(zhì)量降低。

根據(jù)表2及圖6可知，對于各種顆粒而言，當填充率為70%時，已加工工件表面粗糙度值最低，減振效果最好，其中以填充70%超細粉時，減振效果最佳，粗糙度數(shù)值相對于實心銑刀降低了50.09%。

(1)同種直徑，相同填充率下，總體而言，RaRG8球

(2)同種材料，填充率相同時，Ra鉛球2 mm

實驗中填充超細鎢粉時銑削效果最好。由于超細鎢粉粒徑小，顆粒受分子間作用力影響較大，顆粒之間存在粘連，聚集成團，不易散開，但在銑削工件時，銑刀高速旋轉(zhuǎn)，空腔中的顆粒處在劇烈的運動狀態(tài)中，銑刀的振動使粉末克服了分子間作用力的約束產(chǎn)生了運動，發(fā)生碰撞與摩擦耗能。由于克服分子間作用力所做的功也要消耗銑刀的振動能量，從而使得銑刀振動幅值和工件表面粗糙度值進一步降低。

(3)在阻尼顆粒填充率方面，總體來看，隨著填充率的增加，工件表面粗糙度先減小后增大，說明存在一個較好的填充率區(qū)間，阻尼顆粒才更好地發(fā)生摩擦與碰撞作用，起到更好的減振效果。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知，填充率在70%時粗糙度值明顯較低。實驗數(shù)據(jù)與錘擊實驗結(jié)論相一致。

(4)對于球粉混合填充模型，工件表面粗糙度值相對其他填充顆粒而言較高。由于銑刀高速旋轉(zhuǎn)銑削工件時，空腔中的顆粒在劇烈的運動狀態(tài)下，直徑小的粉末顆粒將逐漸堆積在空腔的底部，而小球則全部處在粉末的頂端，這就導致小球沖擊、擠壓粉末的作用面積大大減小，所產(chǎn)生的塑性變形有限；小球與粉末的分層，導致了顆粒相對填充率的改變，使得上下兩層無法處于較好的填充率下，所以導致減振效果變差。

3　結(jié)語

(1)實驗證實了顆粒阻尼銑刀的可行性，刀桿阻尼比最大達到了4.35%，銑削后工件表面粗糙度最低值為1.392 μm，相對于實心銑刀降低了50.09%。

(2)靜態(tài)錘擊實驗與動態(tài)銑削實驗共同表明：填充顆粒材料密度越大，直徑越小，銑刀減振效果越好，當顆粒填充率為70%時，銑刀的減振效果最佳。

(3)對于球粉混合填充模型，錘擊實驗中產(chǎn)生了較好的減振效果，銑削實驗時則較差，混合顆粒材料的選取、參數(shù)的搭配、填充時的配比及最大程度地減小顆粒分層對減振效果影響，值得深入研究。

[1]李滬曾,Gnter Spur.平面端銑切削振動試驗[J].振動，測試與診斷，1999,19(3):24-28.

[2]Kenkichi I, Keiichi Y, Tetsutaro H. Chatter control in screw thread turning by Spindle speed variation[J].Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part C，2004, 70(5): 1529-1534.

[3]Panossian H V. Non-obstructive particle damping tests on aluminum beams[C].Proceedings of Damping 91 Conference. San Diego, California, 1991: 13-15.

[4]Panossian H V. Non-obstructive particle damping performance under compaction forces[J]. Machinery Dynamics and Element Vibrations, 1991, 36: 44-48.

[5] Panossian H V. Structural damping enhancement via non-obstructive particle damping technique[J]. Journal of Vibration and Acoustics, 1992, 114(1): 101-105.

[6]夏兆旺,單穎春,劉獻棟.基于懸臂梁的顆粒阻尼試驗[J].航空動力學報，2007,22(10):1737-1741.

(編輯李靜)

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Vibration analysis and experimental research on particle damping milling cutter

ZHANG Hengming, PANG Xuehui

(School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, CHN)

The impact on damping effect of particle damping milling cutter produced by multiple particles was researched with different filling parameters. For particle damping milling cutter the hammering test was performed to measure the damping ratio of milling cutter arbor and the milling experiment was used to test the surface roughness. Compared with the influence of density, dimension and filling ratio of particles on the damping effect, the experiments presented the better parameters of particles. The test results showed that, the smaller diameter and the higher density particles has, the better damping effect milling cutter produces, the best damping effect occurs at the filling ratio of 70%; the highest damping ratio of milling cutter arbor reaches to 4.35% and the minimum of surface roughness of workpiece is 1.392μm after milling,which has been reduced by 50.09% compared with solid milling cutter,when selecting reasonable filling parameter; the hybrid filling model of sphere with powder needs further study.

particle damping; milling cutter; damping ratio; surface roughness

TG714

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.015

張恒明，男，1991年生，碩士研究生，研究方向為金屬切削理論與先進加工技術(shù)。

2015-10-27)

160631