约束阻尼型镗杆的优化及减振性能.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAs”OnauticaSinicaJun252016V01．37No．61992—2002ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu．cahkxb@buaa．edu．crlDoI：10．7527／S1000—6893．2015．0241约束阻尼型镗杆的优化及减振性能刘洋，刘战强*，宋清华山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南250061摘要：孑L加工过程中镗杆的切削颤振影响着表面加工质量和加工精度，约束阻尼型镗杆可有效抑制这种切削振动，但其作用机理未被完全研究清楚，导致其抑

2、制振动的效果一般。对约束阻尼型镗杆的结构优化、材料优选及减振性能进行了理论和实验研究。首先，根据Kelvin—Voigt粘弹性力学模型理论建立了镗杆的动力学模型，研究证实增大镗杆的静刚度和结构损耗因子能提高其减振性能从而提高孑L加工质量；其次，基于建立的约束阻尼型镗杆静刚度和结构损耗因子理论公式，对其进行结构优化、材料优选。结果显示：存在一个最佳尺寸范围可减小镗杆在主要工作频域段上的振动．同时所选用的阻尼层应具有较小的弹性模量和较大的材料损耗因子，约束层材料应具有较大的弹性模量；最后，设计制造4种不同材料的约束阻尼型镗杆，通过模态实验获得静刚度、结构损耗因子，并与理论计算结果进

3、行对比分析，同时研究切削过程中约束阻尼型镗杆的材料及切削参数对减振性能的影响。结果显示：约束阻尼型镗杆能有效减小径向振动以提高加工质量，不同材料的约束阻尼型镗杆在切削过程中径向振动差别较大。优化后的钢一PMMA一硬质合金镗杆在不同切深及转速下的径向振动加速度较小且更加稳定。关键词：约束阻尼；损耗因子；结构优化；模态实验；切削稳定性中图分类号：V26l；TG713+．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)06—1992—11在深孔镗削过程中，由于镗杆悬伸过长导致刚性相对减小，不稳定的切削过程导致工件表面产生振痕、加快刀具磨损与破损及产生过大的噪声等问题[1]，从

4、而降低了加工质量和加工精度。对于深孑LJJIJ工的振动抑制问题，国内外的研究人员在高性能减振镗杆的设计开发上，已开展了相关研究工作，采用的方法从振动控制角度可分为主动控制和被动控制[2]。主动控制将反馈控制原理应用于频率低的大型镗杆，Akesson等口]设计开发了压电驱动自适应控制的抑振镗杆；刘鹏[4]利用压电陶瓷的正负压电效应，将感知压电片得到的电信号反向放大后加到执行压电片上，产生反向振动来抑制切削颤振。被动控制通过动力结构、冲击结构以及阻尼结构等将振动能转换为热能等其他形式的能量来达到减振效果，如Hahn[5]把高密度质量块置放在刀具空腔里，并在空腔内注入重油来提高镗杆动

5、刚度，此方法已用来设计大长径比减振刀杆；Ema和MaruiE61利用质量块加间隙结构设计出冲击阻尼器并安装在镗杆后刀面上，有效减小了镗杆径向振动；Hwang和Kim[73利用高刚度碳纤维环氧复合材料制成阻尼结构镗杆，在大悬伸条件下应用未发生明显的颤振。其中阻尼结构由于具收稿日期：2015-07—17；退修日期：2015—08—05；录用日期：2015-08．28；网络出版时间：2015—09—0716：18网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929．V201509071618．004htmI基金项目：国家自然科学基金(51425503，51375

6、272，U1201245)；高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(2015ZX04005008)；泰山学者专项(TS20130922)*通讯作者Tel．：0531—88393206E-mail：melius@sdu．edu．cn}

7、用椿武{胡洋，瓤战强，采清华，约束阻尼型镗杆的优化及减振性能!JI．航空学报．2016，37(6)：1992-2002iLIUY．L

8、UZQ。SONGQH．Optimizationanddampingperformanceofconstraineddampingbor加gbarfJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSin

9、ica，2016．37(6)：1992—2802刘洋，等：约束阻尼型镗杆的优化及减振性能有振动损耗能力强及结构简单的特点，目前已广泛应用于工程实际中，尤其是航空领域[8]。综上分析发现：减振镗杆当前的研究重点是通过提高镗杆的刚度或阻尼性能达到减振效果凹‘11

10、，很少将两者结合起来分析研究。事实上，要提高镗削稳定性及镗孑L加工精度，必须综合提高镗杆的静刚度和阻尼性能，尤其对于高速镗孑L或难加工材料的镗削加工。对约束阻尼型镗杆进行结构优化和材料优选，能够解决增大镗杆阻尼性能的同时造成刚度损失的问