1 绪论
1.1 引言
1.1.1 应用背景
21世纪是我国制造行业发展的黄金时期，尤其在航空领域的发展规模更是空前的。例如各种卫星和神州飞船不断的发射，它预示着我国不仅加大了对宇宙空间开发力度而且也要加快其开发步伐；在军事方面我国也在积极研制新型现代化武器，歼20以及隐形轰炸机试飞就是例证。它们大多采用新型复合材料，并且它们所使用零件的形状比较复杂以及对各部件加工精度要求非常高，这就给制造加工提出了特殊要求。在切削加工领域，可以通过增加刀具刚度和阻尼来抑制其自身振动，从而提高加工精度。本文以镗削为例，研究大长径比镗削加工过程中应用颗粒阻尼减振技术后的加工效果。
1.1.2 镗刀工作特点
镗刀对孔的镗削加工过程不仅能在镗床上进行，也可以在车床或者数控车削加工中心上完成。镗刀在进行孔加工的时候，其整个加工过程是在被加工的工件内完成的，因此镗刀的尺寸和形状都会有一定程度上的限制，使镗刀自身的整体刚度下降，尤其在加工长径比比较大（孔径较小、孔深值比较大）的情况下，镗刀杆的刚度会变的很小。现在以镗刀在车床上的镗孔为例进行具体分析。
在图1.1中可以看到，镗刀杆会受到来自三个不同方向的作用力，通过材料力学中对悬臂梁受力特性分析可知三个力对位移会有什么样的影响，其中轴向作用力Ff以及切向力Fc产生的扭矩对镗杆的产生的径向位移量比较小，可以忽略。而径向力Fp和切向力Fc对镗杆所产生的径向位移比较大，并且镗刀在镗孔加工的过程中影响其表面加工质量的主要因素就为刀具在径向产生的跳动量，所以本文只会考虑径向力Fp以及切向力Fc所产生的镗杆的弯曲。[1]
通常情况下，按照其振动所产生的机理会把在加工过程中所产生的振动分为三种：受迫振动、自由振动、自激振动。其中受迫振动是系统受到外界周期性干扰力所产生的振动，可以通过尽量减小外界干扰力来降低振动；自由振动属于阻尼衰减振动，是初始系统受到外界的干扰力所致；自激振动又叫做切削颤振，是指在进行切削加工过程时，机床自身的调节环节把来自外界的固定能源的能量转变为振动的激振力，进而引起持续的周期性振动。维持切削颤振的激振力所需要的能量是由切削系统在加工过程中提供的，因此可以看出自激振动是切削加工系统自行激励时的受迫振动，其中切削系统所固有的参数决定了振动频率的大小，是完全不可避免的，只能通过调整切削加工系统本身的参数来降低。本文所要研究的就是要削弱镗削加工过程中镗刀系统的自激振动。[1]
现对镗刀镗削内孔时产生的振动进行分析。镗刀在对零件加工时产生切削力，并且随着切屑的不断生成亦或是断裂，切削力会由大到小不断的变化，因此形成正弦波动镗削力F（F是动态的），F的大小和方向也是一直做着有规律的变化，当切削力的频率变化到等于或接近刀具加工系统的固有频率时会引起共振，进而也就产生镗削振动[2]。细长的镗杆可以看做是一个质量块和弹簧的组合体，是一个具有一定固有频率的质量体，只不过其产生共振的固有频率相对较低，并且镗刀的长径比值越大其固有频率就越低
综上所述当刀具存在以下几个条件时就会发生切削振动：第一是由于整个加工系统的工艺系统刚性不足导致的自身固有频率较低；第二是切削加工时要产生一个足够大的外在激振力；第三是所产生的外在激振力的频率与工艺系统的自身固有频率相同时产生的共振[2]。
2 减振镗杆结构设计及力学模型和振动分析
2.1 引言
对于刀具加工尤其是在深孔镗削加工过程中，由于长径比很大使刀具自身刚性变的不足，特别是当转速超过某一限度时，便出现加工颤振现象，使得金属切削加工中产品表面质量下降、并且也降低刀具的使用寿命。在刀具减振技术中使用提高静刚度的方法有很大的局限性，所以提高刀杆动刚度是未来发展的趋势。本章所设计的镗杆是通过增大镗杆内部阻尼来提高刀杆动刚度进而实现减振的目的，在接近刀头部分去除一部分用来提高振荡频率，并且去除部分可添加颗粒，通过其碰撞吸收能量来提高动刚度。如图2.1 所示：
3 刀杆阻尼减振技术及阻尼材料选择............. 21
3.1 引言 ..............21
3.2 混合颗粒阻尼减振原理分析 ...........22
3.2.1 不完全振动状态下的颗粒阻尼 ...........23
3.2.2 完全振动状态下的颗粒阻尼 ..........25
3.3 同种填充颗粒阻尼碰撞分析 .............26
3.4 颗粒碰撞仿真及其颗粒材料选择 ...............31
3.5 本章小结 .............33
4 ANSYS LSDYNA 颗粒碰撞仿真 ..............34
4.1 引言 ...............34
4.2 ANSYSLSDYNA 简介...........35
4.3 ANSYSLSDYNA 模拟颗粒碰撞耗能分析...............36
4.4 本章小结..............43
5 颗粒减振刀杆的实验研究.............44
5.1 引言 ..............44
5.2 锤击实验结果分析 .............46
5.3 切削实验结果分析 ...............49
5.4 本章小结...........52
结论
本文以填充颗粒的镗刀杆为研究对象，通过理论分析和加工实验对颗粒碰撞耗能进行了研究。对减振刀杆进行了设计，初步确定了减振空腔的大小，并在已有颗粒碰撞理论基础上进行 ANSYS LSDYNA 动态碰撞模拟,对几种碰撞形式进行了研究。
（1）设计了减振镗刀杆外形，并对其力学模型和特殊振动进行了分析
本文首先给出镗刀杆整体结构，并对镗刀杆空腔尺寸进行了计算分析，确定了空腔尺寸。并对镗刀杆进行了力学模型分析。其中静力学模型分析了镗刀杆受力情况，而动力学模型则计算得出了受迫振幅的公式。通过该公式可以看出一方面增加镗刀的静刚度会减小受迫振动的振幅，另一方面提高镗刀的阻尼也会使受迫振动的振幅变小，而空腔内填充颗粒就是增大镗刀的内部阻尼。分析了镗刀杆振动的特殊振动问题。平衡失稳的情况发生在共振区附近，所以要尽量避免在共振频率附近进行切削加工，并且给出了已设计刀杆的前五阶固有频率。
（2）分析选用颗粒减振技术的合理性，并对颗粒材料进行初步确定
本文给出了刀具所使用的几种减振方法的局限性，也给出了带颗粒减振阻尼技术的一些优越性。并通过对不完全振动状态下的颗粒接触和耗能形式以及完全振动碰撞下的颗粒接触和碰撞耗能进行了分析，分析了减振机理。本文给出了几种材料的常见属性，并对其中几种材料进行了材料变形仿真分析。得出各种材料变形情况，确定各种材料的适用性。
（3）模拟动态碰撞，得出颗粒耗能变化的影响因素
碰撞颗粒质量不同时，质量越大在碰撞的时候颗粒碰撞接触面所受到的接触力越大，所损耗掉的能量就越多，减振效果就越好。当碰撞颗粒速度不同，而其它参数相同时，速度（是被动控制量）越大，损耗因子越大，自然耗能就会增加。碰撞颗粒采用不同材料时，会各有优缺点，可搭配使用。颗粒的碰撞次数与耗能正相关；颗粒碰撞的次数越多，其所消耗的能量也就越多。
（4）通过实验得出各因素对颗粒减振效果的影响
测试了锤击和切削加工时颗粒在不同参数下对镗杆的减振效果，通过锤击实验中对传递函数峰值的分析可以知道不完全振动时要选择塑性好和颗粒直径大的颗粒。对切削实验中功率谱密度的分析得出当填充粉体的时候，振幅可降低 6 倍左右，效果非常显著。对比不同的参数得出当颗粒粒径相同时，密度大的材料耗能大。材料相同时，粒径小的颗粒耗能大。同时发现填充比对于颗粒耗能的影响很大，70%时质量与间隙可以达到较好的平衡，效果最为明显。
参考文献:
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[2]李民.如何解决刀具振动问题（一）.刀具，2003，（1）：41-42
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[5]窦绘娟，张德远.振动切削刀杆参数化有限元设计研究[J].声学学报，2004，29（6）：516-520
[6]甘新基.镗削加工过程的颤振控制研究.[吉林大学硕士论文].2004
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[9]扈光涛，吴能章.基于 FEM 的镗刀几何建模与优化[J].西华大学学报，2005,24（3）：60-64
[10] Anon.Accuracy of cross-section shape in precision boring.Machines&Tooling,1997 ,48(3):36-38