半主动动力吸振镗杆系统的颤振抑制机理-论文.pdf

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1、第27卷第3期石家庄铁道大学学报(自然科学版)V。1．27N。．32014年9月JOURNALOFSHIJIAZHUANGTIEDAOUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Sep．2014半主动动力吸振镗杆系统的颤振抑制机理杨月婷，高国生，张作良(石家庄铁道大学机械工程学院，洞北石家庄050043)摘要：深孔镗削过程中，针对影响工件加工精度和表面质量的颤振现象，建立单自由度切削颤振系统的动力学模型，利用谐波平衡法求得机床主轴转速与极限切削宽度的关系式，并绘制了机床主轴转速与极限切削宽度的稳定性图，结合半主动动力吸振镗杆刚度和阻尼系数的可控性，分析了机床

2、结构刚度及阻尼系数大小对颤振抑制的影响。研究结果表明：机床颤振频率随着主轴转速呈分段线性变化，增大机床结构的刚度和阻尼，系统的稳定性区域在一定范围内相应的增大。为今后进行半主动动力吸振镗杆具体模型的建立和相关参数的选取提供了理论依据，具有实际意义。关键词：镗杆；颤振；机床；抑制；稳定性中图分类号：TG502．14文献标志码：A文章编号：2095—0373(2014)03—0055—040引言随着目前在航空航天、汽车产业、军工制造等领域上对于一些关键的、结构复杂的零部件的加工质量要求越来越高，而在深孔镗削过程中，受到孔的尺寸限制切削颤振容易发生，因此越来越多的国内外专

3、家对其产生机理进行了研究H4。，其中刘习军、陈予恕建立了刀架弹性子系统、工件弹性子系统的多自由度速度型切削颤振理论模型，解释了速度型颤振发生的振动机理。孔繁森等提出以压电振动干扰抑制镗削振动的设想，建立了含有压电控制单元的镗削振动系统动力学模型，基于该模型设计了实验装置。然而针对使用磁流变液材料的半主动减振系统的颤振抑制分析并不见多，通过建立再生型镗杆颤振的振动模型，结合磁流变液的特性，对其颤振机理及相关参数进行了分析。1物理模型的建立内置式减振镗杆的刀杆是由一个连续体和一个吸振单元组成的，本文采用磁流变液来代替阻尼液，将被动式动力吸振变为半主动动力吸振，磁流变液在

4、磁场的作用下，可由牛顿流体瞬间转变为Bing-ham流体，磁流变液。。。集流体流动性和固体塑性于一体，其弹性系数和阻尼系数随着外加磁场强度的改变而改变。所以，由于半主动吸振镗杆的刚度、阻尼系数的可控性，通过研究机床颤振的机理，分析镗杆系统刚度、阻尼等相关参数与颤振的关系，优化半主动吸振镗杆的设计尺寸和控制参数。考虑刀刃运动轨迹在工件之上，动态切削力是由切削厚度和切入率的再生效应而引起的，在小振幅的情形下，为简化分析，建图1机床切削颤振的物理模型立线性理论下的单自由度再生型颤振的切削系统的物理模型，如图1示。其数学模型为DOI：10．13319／j．cnki．sjzt

5、ddxxbzrb．2014．03．12收稿日期：2013—05—31作者简介：杨月婷女1987年出生硕士研究生基金项目：国家自然科学基金(1172184)；河北省高等学校科学技术研究重点项目(ZD2010111)56石家庄铁道大学学报(自然科学版)第27卷m互+c+kx=一P(1)式中，m为机床系统的质量；c为机床系统的阻尼；．i}为系统的刚度；F为动态切削力。动态切削力是由相邻两次切削振动位移的相位差不同引起的，在线性理论范围内，假设本次切削的振动轨迹为。，上次切削的轨迹为。，相邻两个刀齿的切痕之间的相位差为卢，其中卢：一2可，：1，2，⋯，n(2)o=acos(

6、tot)，l=acos(tot一)(3)△s=0一=acos(f)一acos(tot一)=(1一c0s)+(4)在小振幅的情况下，可以认为动态切削力正比于切削厚度，则切削力可表示成F=bAs(5)将式(5)代人式(1)中，并将粘性阻尼作为结构阻尼来处理，令C=h／w，可以得到，+一(h+

7、j}bsiq)+(k+后b(1一co))=0(6)2模型的稳定性分析采用谐波平衡法，可设=acos(wt)，则=一alosin(tot)，互=一amCOS(tot)(7)将式(7)代人式(6)，由k=mio可得到系统稳定性方程组h+bk。sinfl=0(8)一it)一bk(1一co

8、)／=0(9)计算机仿真数据取值为：h=2488N／ram，k=12320N／mm，。=178Hz，k=2331．9N／mm，将切削系统的相关参数代入上式，可求得=1，2，3，⋯时所对应的临界切削宽度与机床主轴转速之间的函数关系，通过数值仿真绘出以临界稳定切削宽度b为纵坐标，以主轴转速n为横坐标的切削系统稳定性图，如图2所示。由图2知，临界切削宽度曲线之上为系统的不稳定区域，临界切削宽度曲线之下是切削系统的稳定区域。只有在一定的切削宽度和主轴转速范围内，切削系统才是稳定的。当切削宽度一定时，随着主轴转速的变化，切削加工系统在稳定区与不稳定区变换，即改变主轴转速，