基于車(chē)刀磨削裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法與研究

王曉

摘 要：車(chē)刀磨削裝置在大長(zhǎng)徑比內(nèi)孔車(chē)削中使用時(shí)，因?yàn)檎駝?dòng)作用而造成加工構(gòu)件表面粗糙程度變大，繼而影響構(gòu)件的質(zhì)量和作用。于是文章基于該問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型車(chē)刀磨削裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)減震效果。在設(shè)計(jì)過(guò)程中將沖擊阻尼器應(yīng)用到裝置中，通過(guò)對(duì)沖擊阻尼器進(jìn)行建模和優(yōu)化，目的在于得到相關(guān)參數(shù)，能夠更好的達(dá)到減震作用。最后將減震車(chē)刀磨削裝置應(yīng)用到實(shí)際的構(gòu)件加工中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，與無(wú)沖擊阻尼器的車(chē)刀磨削裝置相比，減震車(chē)刀磨削裝置具有更好的應(yīng)用性能。

關(guān)鍵詞：車(chē)刀磨削裝置;減震;沖擊阻尼器

中圖分類(lèi)號(hào)：TG580.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1001-5922（2020）10-0157-05

Abstract：When the turning tool grinding device is used in large-diameter ratio internal hole turning， the surface roughness of the processed component becomes larger due to vibration， which in turn affects the quality and function of the component. Therefore， based on this problem， the paper designs a new type of turning tool grinding device， which can achieve the shock absorption effect. In the design process， the impact damper is applied to the device. By modeling and optimizing the impact damper， the purpose is to obtain relevant parameters， which can better achieve the shock absorption effect. Finally， the vibration-damping turning tool grinding device is applied to the actual component processing for experimental research. The results show that the vibration-damping turning tool grinding device has better application performance compared with the impact damper-free turning tool grinding device.

Key words：turning tool grinding device; shock absorption; impact damper

0? ? ?引言

在航空領(lǐng)域中，存在大量的大長(zhǎng)徑比內(nèi)孔加工，于是就會(huì)需要使用到大長(zhǎng)徑比的車(chē)刀磨削裝置，但是在應(yīng)用過(guò)程中容易發(fā)生顫振，導(dǎo)致加工的構(gòu)件存在誤差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致刀具折斷[1]。為了降低車(chē)刀磨削裝置的顫振程度，需要采取一定的措施，當(dāng)前所使用的措施有優(yōu)化工藝參數(shù)、被動(dòng)阻尼減震等方式，在眾多措施中比較可靠、經(jīng)濟(jì)的方式就是被動(dòng)阻尼方式[2-4]。已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對(duì)沖擊阻尼器進(jìn)行了大量研究，研究結(jié)果表明其應(yīng)用到車(chē)刀磨削裝置中具有較好的減震效果[5-7]。然而在應(yīng)用過(guò)程也存在一個(gè)問(wèn)題，即該措施具有非線性特征，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中非常困難，于是文章針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)車(chē)刀磨削裝置進(jìn)行創(chuàng)新研究，使得沖擊阻尼器能夠發(fā)揮實(shí)際作用。

1? ? ?磨削振動(dòng)建模

車(chē)刀磨削裝置在應(yīng)用過(guò)程因?yàn)檎駝?dòng)會(huì)影響加工質(zhì)量，文章首先對(duì)車(chē)刀振動(dòng)進(jìn)行分析，看其對(duì)工件表面質(zhì)量的影響程度。

圖1表示的是刀具向x方向進(jìn)行振動(dòng)時(shí)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，圖2為刀具向y軸方向振動(dòng)時(shí)對(duì)工件質(zhì)量的影響，兩者都會(huì)對(duì)工件表面造成一定程度的粗糙度。設(shè)x（t）和y（t）分別為沿x軸和y軸方向的振動(dòng)量，于是可以得到不同方向的投影和，工件半徑用R進(jìn)行表示，如公式（1）所示。

其中Kr可以通過(guò)切削力系數(shù)辨識(shí)進(jìn)行獲取，于是可以將看為時(shí)常數(shù)。通過(guò)對(duì)上述公式進(jìn)行分析，可以得到R>y（t），。

于是刀具在x方向上振動(dòng)時(shí)對(duì)工件表面的影響更大，所以在設(shè)計(jì)減震時(shí)需要減低徑向切削方向的振動(dòng)。于是設(shè)計(jì)了如圖1所示的車(chē)刀磨削裝置，其中安裝了基于沖擊小球的阻尼器。需要對(duì)阻尼器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的在于提高車(chē)削穩(wěn)定性和臨界穩(wěn)定切深。該深度可以用下面公式進(jìn)行表示。

公式（2）中，Kf表示的含義為切削力系數(shù)，a表示方向系數(shù)，表示臨界穩(wěn)定切深，G（w）表示的含義是頻響函數(shù)實(shí)部，n表示的是主軸轉(zhuǎn)速。

2? ? ?沖擊阻尼建模和優(yōu)化

文章需要將刀桿簡(jiǎn)化為歐拉-伯努利，然后再進(jìn)行建模，且在建模過(guò)程中不需要考慮到截面繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性效應(yīng)和剪切變形，于是得到有阻尼梁的彎曲振動(dòng)如公式（3）所示。

另外，小球的振動(dòng)如公式（4）所示。

上述公式中，ρ、A和I表示的是梁的密度、截面和慣性矩，E表示的是楊氏模量，τ表示的是材料粘性阻尼系數(shù)，W（x，t）表示的是懸臂梁的位移，f（x，t）表示的是激振力，m2和z表示的是沖擊小球的質(zhì)量和位移，b表示的是小球運(yùn)動(dòng)的單側(cè)間隙。

W（x，t）可以用下面公式進(jìn)行表示，其中運(yùn)行到了模態(tài)疊加法，該公式中涉及到的模態(tài)坐標(biāo)用qj（t）進(jìn)行表示，模態(tài)振動(dòng)使用φj（x）進(jìn)行表示，其中j表示的是模態(tài)階數(shù)，且。

通過(guò)上述分析之后，就可以計(jì)算出模態(tài)振型和模態(tài)坐標(biāo)。

內(nèi)部沖擊小球會(huì)發(fā)生碰撞，于是根據(jù)碰撞理論和動(dòng)量守恒，得到如下所示的公式（6），其中r表示的是恢復(fù)力系數(shù)，“+”和“-”分別表示的是碰撞前和后。

再依據(jù)數(shù)學(xué)建模進(jìn)行仿真優(yōu)化，圖2即為沖擊阻尼設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化流程，然后得到圖3和圖4的仿真優(yōu)化結(jié)果，從圖3中可以看出，切削力與最優(yōu)單側(cè)間隙成正比關(guān)系，從圖4中可以看出，當(dāng)切削力不斷變大時(shí)，最優(yōu)主模態(tài)負(fù)實(shí)部沒(méi)有非常明顯的變化。

切削力的計(jì)算如公式（7）所示。

公式（7）中K代表的是系數(shù)，h和a為切削厚度和深度，f表示的是進(jìn)給量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程和仿真得到的切削力范圍基本一致[8]。

3 減震車(chē)刀設(shè)計(jì)

根據(jù)上述建模與仿真分析之后，然后再對(duì)阻尼器和車(chē)刀的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。減震車(chē)刀磨削裝置如圖5所示，從圖中可以看出相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，其中刀桿設(shè)計(jì)總懸長(zhǎng)為175mm，長(zhǎng)徑比設(shè)置為7。刀片厚度設(shè)置為3.969mm，后角為7°，屬于三特維克專(zhuān)用刀片。所設(shè)計(jì)的導(dǎo)向孔直徑為12.5mm，其中存在1個(gè)小球，該小球的直徑為12mm，小球?qū)?huì)沿x軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需要調(diào)節(jié)單側(cè)間隙大小時(shí)可以使用增加或者減少墊片數(shù)量的方式。

4 車(chē)刀磨削裝置的測(cè)試

為了驗(yàn)證減震車(chē)刀磨削裝置的效果，對(duì)圓柱工件進(jìn)行內(nèi)圓車(chē)削實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用工業(yè)麥克風(fēng)收集振動(dòng)噪聲信號(hào)，使用哈量2205型測(cè)量?jī)x檢測(cè)工件表面粗糙程度。表1即為沖擊阻尼器的相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)分為兩組，一組為不適用阻尼器的車(chē)刀磨削裝置，另1組為減震車(chē)刀磨削裝置，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究，驗(yàn)證減震車(chē)刀磨削裝置的性能。然后會(huì)選擇3組切削參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1）切深ap=0.2mm，轉(zhuǎn)速n=400r/min。在該參數(shù)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到的結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明，與無(wú)阻尼器車(chē)刀磨削裝置相比，減震車(chē)刀磨削裝置的振動(dòng)加速度、振動(dòng)噪音和工作表面粗糙度都有所下降，通過(guò)計(jì)算之后，得到這3者的降幅分別為43.6%、25%和62%。

2）切深ap=0.2mm、轉(zhuǎn)速n=550r/min。在該參數(shù)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到的結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明，與無(wú)阻尼器車(chē)刀磨削裝置相比，減震車(chē)刀磨削裝置的振動(dòng)加速度、振動(dòng)噪音和工作表面粗糙度都有所下降，通過(guò)計(jì)算之后，得到這3者的降幅分別為42%、65%和57.8%。

3）切深ap=0.4mm、轉(zhuǎn)速n=400r/min。在該參數(shù)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到的結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明，與無(wú)阻尼器車(chē)刀磨削裝置相比，減震車(chē)刀磨削裝置的振動(dòng)加速度、振動(dòng)噪音和工作表面粗糙度都有所下降，通過(guò)計(jì)算之后，得到這3者的降幅分別為57.6%、64.2%和62.9%。

通過(guò)上述三種實(shí)驗(yàn)的分析，與沒(méi)有阻尼器相比，減震車(chē)刀磨削裝置能夠達(dá)到較大幅度的降振作用，所以在應(yīng)用過(guò)程中有更好的穩(wěn)定性能。當(dāng)切深相同時(shí)，轉(zhuǎn)速更大車(chē)刀具有更好的減震效果;當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，切深較大的車(chē)刀具有更好的減震效果。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于當(dāng)轉(zhuǎn)速和切深都比較小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致壓力不夠穩(wěn)定，于是就會(huì)增加振動(dòng)幅度。

5? ? ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所示，文章所設(shè)計(jì)的減震車(chē)刀磨削裝置能夠用于大長(zhǎng)徑比內(nèi)孔的加工，并且具有較好的應(yīng)用效果，通過(guò)所示研究表明，車(chē)刀磨削裝置在應(yīng)用過(guò)程中刀具徑向振動(dòng)對(duì)工件的質(zhì)量影響對(duì)大，于是所設(shè)計(jì)的減震裝置主要針對(duì)該方向進(jìn)行減震。與無(wú)阻尼器車(chē)刀磨削裝置相比，文章所設(shè)計(jì)的裝置能夠降低車(chē)刀加速度、振動(dòng)噪音和表面粗糙度。所以文章所研究的車(chē)刀磨削裝置具有更加廣泛的應(yīng)用和性能。

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