阻尼合金在切削工具中的應(yīng)用仿真研究

霍桂臣 劉寶會(huì) 冀璞光 郄彥輝 王乃亮 殷福星

摘要 數(shù)控機(jī)床的外圓車刀在工作時(shí)振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響加工精度，降低車刀使用壽命?；谟邢拊獢?shù)值仿真，研究了在刀桿上添加錳銅阻尼合金材料來(lái)減小切削振動(dòng)的新方法，深入分析了不同添加方案。研究結(jié)果表明：刀桿上下兩面各添加1.5 mm阻尼合金層，在穩(wěn)定期減振效果最為顯著，輸出點(diǎn)穩(wěn)定期加速度均方根值降為原輸出值的30.86%，刀桿上下兩面各添加4.5 mm阻尼合金層，橫向貫穿邊長(zhǎng)為8 mm阻尼合金方柱時(shí)，輸出點(diǎn)衰減期加速度均方根值降為原輸出值的40.40%

關(guān) 鍵 詞 阻尼合金;有限元分析;減振;加工精度;車刀

中圖分類號(hào) TG145? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Application simulation of damping alloy in cutting tools

HUO Guichen1， LIU Baohui1， JI Puguang2，3，4， QIE Yanhui1，

WANG Nailiang5， YIN Fuxing2，3，6

（1. School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China; 2. Research Institute for Equipment Materials， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China; 3. Tianjin Key Laboratory of Materials Laminating Fabrication and Interface Control Technology， Tianjin 300130， China; 4. Cangzhou Hegong Science and Technology Park Construction and Investment Co Ltd，Cangzhou，Hebei 061000， China; 5. Tianjin Silvery Dragon Prestressed Materials Co Ltd， Tianjin 300400， China; 6. School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China）

Abstract The vibration of the outer circular lathe tool in the CNC machine will seriously affect the processing precision and reduce the service life of the lathe tool. Based on the finite element numerical simulation， a new method was proposed by adding Mn-Cu damping alloy on the cutter rod to circumvent the cutting vibration. Different additions are analyzed in depth. The results of the study are as follows： when 1.5 mm damping alloy layers are added to the upper and lower sides of the knife pole， the effect of vibration damping is the most remarkable in the stable period， and the root mean square value of the acceleration of the output point is reduced to 30.86% of the original output value; when 4.5 mm damping alloy layers are added to the upper and lower sides of the cutter bar， while the lateral penetration is 8 mm damping alloy square columns， the root mean square value of the acceleration of the output point is reduced to 40.40% of the original output value.

Key words damping alloy; finite element analysis; vibration damping; machining precision; lathe tool

0 引言

機(jī)械加工制造業(yè)的發(fā)展對(duì)加工精度的要求越來(lái)越高，為達(dá)成高質(zhì)量的切削工件，切削時(shí)的精度尤為關(guān)鍵。影響切削加工精度的主要原因之一就是切削振動(dòng)，如果能降低切削振動(dòng)，不僅能夠提高加工精度，并且還能延長(zhǎng)車刀的使用壽命，減少噪音改善工人的工作環(huán)境。為此各國(guó)工程技術(shù)人員開展了大量的理論與應(yīng)用研究工作，Bediaga等[1]通過改變切削控制參數(shù)來(lái)抑制切削振動(dòng)，此法對(duì)于機(jī)床電機(jī)及供電線路的負(fù)荷有較大要求，而且改變切削控制參數(shù)通常會(huì)降低機(jī)械加工效率。Altintas等[2]提出了一種振動(dòng)抑制算法，輸入整形濾波器避免了結(jié)構(gòu)模式的激發(fā)，但以增加跟蹤和輪廓誤差為代價(jià)。Zatarain[3]提出了機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速變化的頻域分析理論，但整個(gè)理論實(shí)用性較差。瑞典Sandvik公司在刀桿中加入阻尼動(dòng)力吸振器，在實(shí)際切削過程中已經(jīng)可以取得很好的效果，但是該裝置受工作頻率與環(huán)境溫度影響很大，而且使用壽命不長(zhǎng)。日本三菱公司在刀桿輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也推出了自己的減振刀桿，但在減振效果與應(yīng)用范圍都還達(dá)不到工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的要求。楊毅青等[4]用附加動(dòng)力吸振裝置來(lái)減少振動(dòng)，這種方法需要針對(duì)特定的加工過程建立合理的切削系統(tǒng)模型并精確地設(shè)計(jì)吸振器的參數(shù)來(lái)達(dá)到良好的減振效果，但這很難應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的切削過程。張永亮等[5]把智能材料磁流變液的流變特性應(yīng)用于車刀減振，效果顯著但是整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，造價(jià)昂貴[3]。周琳等[6]利用摩擦吸振設(shè)計(jì)了一種減振裝置，但該裝置不具有普適性。由于這些年材料科學(xué)的迅猛革新，材料減振在工程減振中應(yīng)用已成為工程熱點(diǎn)之一[7]，新型錳銅阻尼合金具有強(qiáng)度高和阻尼系數(shù)高的雙重優(yōu)點(diǎn)，故可在車刀減振中應(yīng)用研究。

隨著有限元及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工程系統(tǒng)的功能和計(jì)算精度都有很大的提高，Patran&Nastran軟件是專門用于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和數(shù)值仿真的有限元軟件，由其建立的有限元模型及仿真結(jié)果具有很高的可靠性。本文基于有限元方法利用Patran&Nastran軟件建立了刀桿有限元模型，通過數(shù)值模擬研究了在刀桿上添加錳銅阻尼合金材料對(duì)切削過程中振動(dòng)的影響，結(jié)果表明：在刀桿上添加錳銅阻尼合金材料，對(duì)車刀加工作業(yè)時(shí)進(jìn)行減振，通過這種方式減振效果顯著，造價(jià)低廉，添加簡(jiǎn)單方便，可大量生產(chǎn)制造。

1 阻尼合金減振機(jī)理

阻尼是指任何系統(tǒng)在振動(dòng)中，由于外界作用或系統(tǒng)本身固有的原因引起的振動(dòng)幅度逐漸下降的特性，其作用機(jī)理是把運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能或其它可以散耗能量的一種作用，是一種內(nèi)耗作用，阻尼系數(shù)是此特性的量化表征。

阻尼合金是具有阻尼系數(shù)大，能使振動(dòng)迅速衰減的特種金屬材料。常用的阻尼合金按其原理可分為：復(fù)相型、強(qiáng)磁型、錯(cuò)位型、孿晶型。目前技術(shù)成熟的阻尼合金材料有鋅鋁合金、鎂合金、灰口鑄鐵等數(shù)十種，由圖中可以看出主要阻尼合金的衰減性能和強(qiáng)度如圖1所示[8]，在圖中可以看出常溫情況下錳銅阻尼合金材料其衰減性能在50%～70%，抗拉強(qiáng)度在635～641 MPa。

圖2為錳銅阻尼合金時(shí)效10 h孿晶結(jié)構(gòu)的金相圖[9]，其工作機(jī)理主要是孿晶之間的摩擦從而增加能量的內(nèi)耗最終達(dá)到減振的目的。其熱處理前后阻尼系數(shù)隨溫度變化關(guān)系如圖3所示[7]。經(jīng)過熱處理后，在-20 ～30 ℃下錳銅阻尼合金阻尼系數(shù)可達(dá)0.03，數(shù)控機(jī)床的外圓車刀主要在常溫環(huán)境下工作，若降低車刀工作時(shí)的切削振動(dòng)，應(yīng)選用阻尼性能優(yōu)秀，材料強(qiáng)度高的阻尼合金材料，為此采用錳銅阻尼合金材料作為車刀減振材料能夠很好滿足這一要求。

2 有限元仿真模型建立

2.1 材料參數(shù)

材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

2.2 車刀刀桿有限元模型

用Patran&Nastran軟件[10-14]建立的刀桿有限元模型，如圖4a）所示，其中位于刀桿末端和距末端70 mm范圍內(nèi)，上下表面施加固定約束，在刀尖處施加頻率為3 500 Hz激振力，激振力的主切削力、進(jìn)給力和背向力為320 N、316 N和170 N。瞬態(tài)響應(yīng)輸出點(diǎn)A位于刀桿底面前部位置。如圖4b）所示，刀桿改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的有限元模型如圖5所示，分別研究位于刀桿上下表面及中間部分添加錳銅系阻尼合金材料對(duì)振動(dòng)的影響。

3 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

3.1 上下表面阻尼合金層對(duì)振動(dòng)影響

在刀桿上下表面同時(shí)添加厚度相同阻尼合金層，總厚度由1～10 mm增量為1 mm，在刀尖施加激勵(lì)即可獲得輸出點(diǎn)A的瞬態(tài)時(shí)間加速度曲線，如圖6所示，圖6為上下兩面添加7 mm阻尼合金層A點(diǎn)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間加速度曲線對(duì)比圖。由圖中可以看出，初始階段其加速度峰值迅速衰減經(jīng)過一段時(shí)間后逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。

為了區(qū)分衰減期和穩(wěn)定期，選取一段時(shí)間加速度圖像篩選出其峰谷值，求取這段時(shí)間內(nèi)加速度峰谷值的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差與這段時(shí)間內(nèi)加速度絕對(duì)值最大值的比值，如果比值小于等于15%則判定其已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定期。采用計(jì)算加速度均方根值的形式進(jìn)行量化可以分別獲得衰減期穩(wěn)定期加速度均方根柱狀圖，如圖7所示，其中柱狀圖上方百分比為有無(wú)阻尼合金圖層時(shí)，輸出點(diǎn)A加速度均方根值的比值，從圖7中可以看出上下表面總厚度為7 mm阻尼合金圖層A點(diǎn)在衰減期加速度均方根值降為58.35%，穩(wěn)定期加速度均方根值降為33.48%，采用上述方法繪制出隨著阻尼合金層的厚度增加，A點(diǎn)加速均方根值的曲線圖如圖8所示。

從圖8中可以看出，阻尼合金層對(duì)刀桿減振效果非常顯著，輸出點(diǎn)A衰減期加速度均方根值最大可降為原輸出值的56.53%，穩(wěn)定期加速度均方根值可降為30.86%。當(dāng)阻尼合金圖層厚度超過3 mm時(shí)衰減期加速度均方根值可略有下降，而穩(wěn)定期加速度均方根值趨于穩(wěn)定，由此說明，在衰減期隨著阻尼合金厚度的增加其振動(dòng)衰減仍有增加趨勢(shì)，而對(duì)穩(wěn)定期振動(dòng)影響不明顯。

3.2 刀桿內(nèi)部阻尼合金材料對(duì)振動(dòng)影響

不影響刀桿強(qiáng)度、剛度情況下，為了研究刀桿內(nèi)部添加阻尼合金材料對(duì)振動(dòng)的影響，選定在上下表面具有阻尼合金層總厚度分別為3 mm、6 mm、9 mm的刀桿其內(nèi)部貫穿邊長(zhǎng)8 mm的阻尼合金方柱，其位置如圖5所示，從而獲得上述3種方案與原始刀桿加速度均方根曲線圖如圖9所示。

由圖9中對(duì)比可以看出，內(nèi)部貫穿阻尼合金方柱后對(duì)穩(wěn)定期的影響不是很大，但是隨著阻尼合金層厚度增加對(duì)衰減期有了更明顯的減振趨勢(shì)。

通過上述研究當(dāng)上下兩面添加阻尼合金圖層后，A點(diǎn)衰減期加速度均方根值最大可降為原來(lái)的56.53%，而穩(wěn)定期加速度均方根值降為30.86%。對(duì)于既有阻尼合金層又有中間貫穿邊長(zhǎng)8 mm阻尼合金方柱時(shí)A點(diǎn)衰減期加速度均方根值最大降為原始刀桿的40.40%。

4 結(jié)論

數(shù)值仿真的結(jié)果表明，在不改變刀桿結(jié)構(gòu)尺寸基礎(chǔ)上，在適當(dāng)位置添加錳銅系阻尼合金材料層，可大幅降低刀桿工作時(shí)引起的振動(dòng)，從而可提高切削加工時(shí)的穩(wěn)定性及加工精度，在刀桿內(nèi)部某些關(guān)鍵位置增加阻尼合金材料可在衰減期有明顯減振效果，本文研究成果可為高精度刀具設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]? ? BEDIAGA I，MU?OA J，HERN?NDEZ J，et al. An automatic spindle speed selection strategy to obtain stability in high-speed milling[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2009，49（5）：384-394.

[2]? ? ALTINTAS Y，KHOSHDARREGI M R. Contour error control of CNC machine tools with vibration avoidance[J]. CIRP Annals，2012，61（1）：335-338.

[3]? ? ZATARAIN M，BEDIAGA I，MU?OA J，et al. Stability of milling processes with continuous spindle speed variation：Analysis in the frequency and time domains，and experimental correlation[J]. CIRP Annals，2008，57（1）：379-384.

[4]? ? 楊毅青，劉強(qiáng)，王民. 面向車削顫振抑制的多重阻尼器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2010，23（4）：468-474.

[5]? ? 張永亮，李郝林，劉軍，等. 外圓車削顫振的半主動(dòng)模糊控制[J]. 振動(dòng)與沖擊，2012，31（1）：101-105.

[6]? ? 周琳，楊硯青. 設(shè)計(jì)減振裝置消除車削振動(dòng)及噪聲[J]. 機(jī)械工程師，2014（8）：236-237.

[7]? ? 王乃亮，冀璞光，殷福星，等. M2052高阻尼合金在結(jié)構(gòu)件減振中的應(yīng)用研究[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，46（3）：88-93.

[8]? ? 殷福星. 實(shí)用M2052合金阻尼行為表征[J]. 金屬學(xué)報(bào)，2003，39（11）：1139-1144.

[9]? ? ZHONG Y， SAKAGUCHI T， YIN F X. Effects of transformation twin on Hall-Petch relationship in MnCu alloy[J]. Materials Science and Engineering：A，2008，492（1/2）：419-427.

[10]? 曾立平，陳豐峰，唐進(jìn)元. 刀具顫振抑制用機(jī)械阻尼器的理論分析及數(shù)值模擬[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（11）：197-199.

[11]? 胡晉，張根保，張新玉. 采用PATRAN/NASTRAN的滾刀主軸頻率響應(yīng)分析[J]. 現(xiàn)代制造工程，2010（4）：21-24.

[12]? 龍凱，賈長(zhǎng)治，李寶峰，等. Patran 2010與Nastran 2010有限元分析從入門到精通[M]. 第2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：322-328.

[13]? 馬愛軍，周傳月，王旭. Patran和Nastran有限元分析專業(yè)教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005：120-133.

[14]? 田利思，李相輝，馬越峰，等. MSC Nastran 動(dòng)力分析指南[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2012：84-93.

[責(zé)任編輯? ? 楊? ? 屹]