切削参数对内置式减振镗杆振动影响的研究

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Research on the Vibration Influence of the Cuting Parameterson Built-In Damping Boring BarZHANG Hai-sheng，ZHOU Li-ping，LIU Xiao-ying，XIANG Wen-ying(School of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Sichuan Chengdu 610039，China)Abstract：In the deep hole cuttingprocess，chatter ofboring bar seriouslyycts the suorace quality ofthe hole.However，thecutingp(u'ameters have a great influence on the vibration ofbuih-in damping boring bar.In order to solve this problem，withsIress lmutings，the simulation model ofbuilt-in damping boring bar is built up in thefnite element analysis software ANSYS。

using singlewtor analysis method，the e cs of cutting pararneters on the maximum ribration amplitude of buih-indmnping boring barpoint in boring process ∞ studied here.The amplitude frequency characteristic eurye of diferentcutingparameters on the buih-in damping boring bar tool was obtained From the CUI"ue，the rule and efort ofthe cuttingp(Lrarneters on the built-in damping boring bar 傩summed t .The conclusion provides a reference for the actual applicationofbuilt-in damping boring bar in boringfinish machining。

Key W ords：Built-In Damping Boring Bar；Cuting Parameters；Amplitude Frequency Characteristic；Model Analysisl 了l商在镗削加 1二过程中，-般镗杆长径比(L/D)超过 4倍时，镗杆I身刚度不足，难以达到所需加工精度。为了降低镗杆的振动，圈内外学者对内置式减振镗杆做了大量设计研究，主要对减振器参数进行优化，并验证模型的可行性I I。目前对内置式减振镗杆的理沦研究已经比较成熟。

似在镗削加工加T过程中，切削参数对减振镗杆振动影响的研究尚有待深入开展。为此，针对生产中常用的硬质合金刀具镩削加I 45#碳素结构钢T件的动态特性进行了研究，为实际生产加T提供依据2建立ANSYS参数化模型为J 研究镗削加- 过程中主要的切削参数对减振镗杆振动的影响，选择常用的硬质台金刀具加工 45#碳素结构钢工件，镗朴总K为 180ram、直径为 20ram、长径比为9。利用简化的镗杆动力学模型I81，运用减振系统振动方程，采用成熟的 ANSYS优化仿真方法，得到仿真参数如下：镗杆杆体的集中质量 m 0.3I8kg.减振系统减振块的质量0.0636kg，镗杆杆体的等效刚度系数 1.33e6 N/m，橡胶支撑的弹性刚度 ：1.85e5 N/m，减振块的密度为 21816kg/m，，橡胶支撑的弹性模量E7.9313e5 N/m ，阻尼元件的阻尼系数 c1 8.889；以此为基从载减振镗杆有限元模型，片进行网格划分，划分结果，如图 1所示。

图 1减振镗杆网格划分图Fig.1 The Meshed Sketch of Vibration Absoq)tion Boring Bar来稿日期：2012-07-10作者简介：张海生，(1986-)，男，河南许昌人，硕士研究 ，主要研究方向：制造过程的数值仿真技术周利平，(1964-)，男，ILI)，I成都人 ，教授， 学硕士，主要研究方向：机械制造及n动化第5期 张海生等：切削参数对内置式减振镗杆振动影响的研究 793切削参数对内置式减振镗杆减震性的影 响切削参数和切削力大小密切相关 ，切削参数变化直接影响切削力的大小 ，进而对减振镗杆的动态特性产生影响。利用前面所建立的有限元分析模型对切削速度、进给量、背吃刀量对减振镗杆刀尖的振动影响进行了分析。利用切削力的经验公式计算不同切削参数下的切削力，然后将切削力加载到有限元模型中分析减振镗杆的动态特性。切削力公式如下I 0；公式中的指数与系数根据切削条件查的结果，如表 l所示。

表 1公式中的指数与系数Tab.1 The lndex and C：oeficient in FOrmuIa不同加： 条件对切削分力的影响修正系数，都取 l。

主切削力：F9.81Cm ， (6o ) Kn (1)切深抗力：：9.c 广 (60V)81 K (2) 进给抗力：：9.81c，j 户(60V) (3)、/ (Ⅳ) (4)3.1切削速度对减振镗杆减振性能的影响及结果分析设计仿真条件：镗刀的背吃刀量 0.3ram与进给量fo.2mm/r恒定，切削速度为 60m/rain.70m/min，lOOm/min。根据式(1)到式(3)得出相应切削速度，镗杆所受切削力，结果如表 2所示～所得分别施加于 ANSYS减振镗杆模型，进行谐响应分析，得到三个切削速度下刀尖的最大振动幅值如表 3所示，减振镗杆刀尖径向幅频响应曲线如图 2 图4所示。然后再对这三个谐响应幅频特性曲线图进行综合分析，得Il切削速度与刀尖最大振动幅值的关 系，如图 5所示表 2不同切削速度条件下镗杆所受载荷Tab.2 The Loads of Boring Bar in DifferentCutting Speed Conditions表 3减振镗杆刀尖的最大振动幅值Tab.3 The Maximum Vibration Amplitude ofVibration Absorption Boring-BarPoint10 )i ll / 1 10o 300 500 700 900 l1o0200 4OO 600 800 1000FREQ图2幅频杼 曲线(v60m/min)Fig.2 Amplitude-Frequency Curve(v60m/min)(x10 lt l /。 ，- 图3幅频特性曲线( 70m/rain)Fig.3 Ampltude-Frequency Curve(v70m/mit1)(×1n。广] HHi H 至：00 300 5o0 700 900 I100图 4幅频特性曲线(v100m/min)Fig.4 Amplitude-Frequency Curve(vlOOrdmin)图5切削速度与刀尖最大振动幅值的关系图Fig.5 The Relation Diagam Between Points MimumVdration Amplitude and Cuting Speed分析结果：随着切削速度的增大，减振镗杆刀尖处的最大振动幅值不断的减校根据实际加工的需要，在镗削加工的过程中，当背吃刀机械 设 计 与制 造NO.5Mav.2013量与进给量-定的情况下，尽量选择较大的切削速度进行加工。

32进给量对减振镗杆减振性能的影响及结果分析采用与切削速度研究方法相同的分析步骤。

设计仿真条件：镗刀的切削深度aT0.3mm与切削速度v60m/min恒定，进给量 厂为0.2mm/r，0.25mm/r，0.3mm/r。算得镗杆应加载的载荷，如表 4所示。谐响应分析三种进给量情况下的刀尖最大振动幅值，如表 5所示，减振镗杆刀尖径向幅频响应曲线，如图 6～图 8所示▲给量与刀尖最大振动幅值的关系，如图9所示。

表4不同进给量条件下镗杆所受载荷Tab.4 The Loads of Boring-Bar inDifferent Feeding Conditions表 5减振镗杆刀尖的最大振动幅值Tab.5 The Maximum Vibration Amplitudeof Vibration Absorption Boring-BarPointxl0l I t/ 。

-- x] 3o0 500 700200 400 6(时 80oFREQ图6幅频特性曲线(户O.2ram/r)Fig.6 Amplitude-Fr。quency Curve 0 0.2mm/r)X10 ll r / 。 图7幅频特性曲 0.25mm/r)ng.7 Amplitude-frequency curve 3.25mm/r)(×10 /，- - - 。

lo0 3xl 5o0 700 9o0 ll200 4OO 6O0 8 ) l00(FR O图8幅频特性曲线( .3mndr)Fig.8 Amplitude-Frequen y Curve 0.3mm/r)/ .，，图9进给量与刀尖最大振动幅值的关系图Fig.9 The Relation Diagram Between Points MaximumVibration Amplitude and Feeding分析结果：在切削速度与背吃刀量-定的情况下，随着进给量的 断增大，刀尖处的振动幅值也相应的成比例的增大。为r降低振动幅值 ，在实际精加工的时候 ，应尽量的选择较小的进给量进行加工。避免共振时被加工零件的精度无法达到要求。

3.3背吃刀量对减振镗杆减振性能的影响及结果分析采用与切削速度研究方法相同的分析步骤。设计仿真条件 ：镗刀的进给量f-o.2mlrdr与切削速度v60m/min恒定，背吃刀量为0.3mm，0.4ram，0.6ram。算得镗杆模型应加载的载荷，如表 6所示。谐响应分析谐响应分析三种背吃刀量情况下刀尖最大振动幅值，如表7所示。幅频响应曲线，如图 10～图 l2所示。背吃刀量与刀尖最大振动幅值的关系，如图 13所示。

表 6不同背吃刀量条件下镗杆所受载荷Tab.6 The Loads of Boring-Bar in DiferentBack Cuting Depth Conditions表 7减振镗杆刀尖的最大振动幅值Tab.7 The Maximum Vibration Amplitude ofVibration Absorption Boring-bar。PointNO.5Mav.201 3 机械 设 计 与制 造43.63.22 82.4 2> I 6I 2840(×10-/ 、、 l / l， 00 3o0 500 700 900 11CO 20o 4o0 600 800 10CO 图 10幅频特性曲线(ap0.3ram)Fig.10 Amplitude-Frequency Curve( O.3mm)43 63.22 82 4；：>1 6l 2840×10 、、I l //， 1/ 00 300 500 700 900 11CO 2加 400 600 8o0 10CO FREQ图 1 1幅频特性曲线(or0.4ram)Fig.1 1 Amplitude-Frequency Curve(ap-O.4mm)87 2645 64.8；3 22 41.680×l0 l l /。 / oo 3130 5130 7o0 90O 11o02xl 4OO 600 800 l0CO FREQ图 l2幅频特性曲线(o-o.6mm)Fig.12 Amplitude-Frequency Curve(n 0.6ram)/// r u u 1 0 2 O 3 O4 05 0.6 O 7图 13背吃刀量与刀尖最大振动幅值的关系图Fig.13 The Relation Diagram Between Points MaximumVibration Amplitude and Back Cutting Depth分析结果：在切削速度与进给量-定的情况下，随着背吃刀量的不断增大，刀尖处的振动幅值也相应的成正比的增大。因此，在实际镗削精加T时，应尽量的选择较小的背吃 量进行加上，从而达到加工的要求。

4结束语借助有限元仿真软件 ANSYS采用单因素分析法，对减振镗杆进行了不同切削参数情况下的谐响应分析。得到了内置式减振镗杆在不同切削参数情况下的幅频响应曲线和对应切削参数对减振镗杆幅频特性曲线的影响规律。从仿真分析的结果可以看出在满足精加工的允许的切削条件下，应旧能的提高切削速度，减续给量，降低背吃刀量，以到达降低刀尖径向振动幅值的目的。在实际生产中，有效利用有限元仿真分析技术，可在开发阶段预测出所设计的减振镗杆动力学性能，再进-步对这些性能进行参数的优化，即可达到提高产品的性能、缩短开发的时间、减少开发的费用的目的。但此次仿真分析是基于单因素分析法分析，对于多目标切削参数的分析有待进-步的分析研究。