（机械制造及其自动化专业论文）减振镗杆的动力学仿真及其参数优化.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢 的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不 包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：卡祆指导教师签名：户目p 1 手 日期：口lol 、多l 口日期爷il 、r p 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者签名：牛彳j 乏 日期：9 。ot ( 多上口 指导教师签名：阀邓手 日期 厂、训 西华大学硕士学位论文 摘要 随着机械制造工业的不断向前发展，制造行业所涉及的领域越来越广。与此同时， 由于市场竞争的不断加剧，对机械加工质量和加工效率的要求不断提高。在各种各样加 工内容中，孔加工特别是深而且1 ：3 径小的孔的加工是一种经常碰见的加工内容。对于采 用镗削加工方法进行的深孔加工，由于其加工的环境比较特殊，通常情况下要求镗孔用 的镗杆细而且长，一旦镗杆的长径比超过4 倍后，镗杆的刚度会快速的降低。镗杆刚度 的降低，使得镗杆在进行镗孔加工时产生较大的振动，从而使孔的加工质量无法满足加 工要求，甚至使加工无法进行。因此，采取怎样的措施来减小大长径比镗杆在镗削过程 中的振动已经是急需想法解决的一个问题。 关于镗削过程的研究，传统方法是建立镗杆减振系统的数学模型，列出响应的动力 学方程，通过数学的手段来进行镗杆的振动性能分析，但这种分析方法运算复杂，效率 较低。本课题采用能解决复杂工程问题的有限元法来对问题进行分析，同时借助目前应 用得比较厂卜泛的通用有限元软件a n s y s 来进行相关的分析计算。通过使用有限元分析软 件a n s y s 可以对机械振动系统进行动力学仿真并进行准确求解，预测出镗杆的动力学性 能，实现对影响镗杆振动的情况的相关因素的分析，通过对相关的影响因素进行参数优 化，达到最佳的减振效果，这样不仅可以提高产品的性能、缩短研发的时间，同时也能 减少产品的开发费用，减少材料的浪费。 在本课题的研究中，广泛查阅了国外的先进的减振镗杆的结构设计，认真分析其减 振理论，通过对比分析，最终选择借鉴瑞典s a n d v i k 公司所设计的内置式动力减振镗杆 的结构来作为所设计的减振镗杆的主要参考结构，再结合国内生产制造的实情进行局部 改进，完成了减振镗杆的设计。在进行减振镗杆的减振系统动力学分析时，首先使用理 论的方法，应用数学手段初步得出可行的减振系统中各参数的初始值，然后在有限元分 析软件a n s y s 中建立所设计的减振镗杆的有限元模型，使用a n s y s 对减振镗杆进行动力 学仿真，得出镗杆的相关动态特性参数。在此基础上以刀尖径向振动幅值最小为目标， 利用有限元软件a n s y s 的优化分析功能对所选择的主要参数进行优化，得到减振系统的 最优参数值。 通过本文的研究分析，可以为内置式的动力减振镗杆的设计和改进提供可靠的依据， 解决了用传统方法很难精确求解减振镗杆动态性能参数的难题，对内置式动力减振镗杆 的研发有重要的指导意义。 关键词：动力减振；动力学理论分析；a n s y s 动力学仿真；参数优化 减振镗杆的动力学仿真及其参数优化 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , t h ed o m a i n sr e l a t e dt o m a n u f a c t u r ea r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ew i d e l y i nt h em e a n t i m e ，t h er e q u i r e m e n t sa b o u t p r o c e s s i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c ya r ei m p r o v i n gs t e a d i l yd u e t ot h ei n t e n s em a r k e tc o m p e t i t i o n h o l em a c h i n i n g ，e s p e c i a l l yt h ep r o c e s s i n go ft h eh o l ew i t hl a r g ed e p t ha n ds m a l ld i a m e t e r , a r e v e r yc o n l l l l o ni nv a r i o u sp r o c e s s i n gm e t h o d s i fb o r i n go p e r a t i o n sa r eu s e dt om a c h i n i n gt h i s k i n do f d e e ph o l e ，t h eb o r i n gb a rm u s t b es p i n d l ef o rt h es p e c i a lp r o c e s s i n ge n v i r o n m e n t o n c e t h el e n g t h d i a m e t e rr a t i oo fb o r i n g - b a ri sm o r et h a nf o u rt i m e s ，t h es t i t b 6 1 e s so fi tw i l ld r o p q u i c k l y c o n s e q u e n t l y , t h ev i b r a t i o no ft h eb o r i n g - b a r w i l lb e c o m es e v e r e ，a n dt h e nt h e p r o c e s s i n gq u a l i t yo fh o l ei sd i f f i c u l tt og u a r a n t e e s o m e t i m e s ，s e v e r ev i b r a t i o nw i l ll e a dt o s h u td o w n t h e r e f o r e ，h o wt or e d u c et h ev i b r a t i o no f t h eb o r i n g - b a rw i t hl a r g el e n g t h - d i a m e t e r r a t i oi sa l r e a d ya p r o b l e mw eu r g e n t l yn e e dt os o l v e t r a d i t i o n a l l y , i nt h es t u d yo fb o r i n gp r o c e s s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ev i b r a t i o n a b s o r p t i o ns y s t e mo f b o r i n g - b a ri se s t a b l i s h e df i r s t l ya n dt h e nt h ed y n a m i ce q u a t i o ni s l i s t e d t h ev i b r a t i o np e r f o r m a n c ea n a l y s i so fb o r i n g - b a ri sr e a l i z e dt h r o u g hm a t h e m a t i c a lm e t h o d s t o t a l l y b u tt h i sm e t h o di sc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t ya n di n e f f i c i e n c y i nt h i st h e s i s ，t h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d , w h i c hc a l ls o l v ec o m p l e xe n g i n e e r i n gp r o b l e m ，i sa d o p t e dt oa n a l y z et h e v i b r a t i o np e r f o r m a n c eo fb o r i n g - b a rw i t hv i b r a t i o na b s o r p t i o ns y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h e g e n e r a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y si sa p p l i e dt oh e l pc a l c u l a t et h ep r o b l e m t h r o u g ht h i s s o f t w a r e ，d y n a m i c ss i m u l a t i o no fb o r i n g b a rc a nb ed o n ea n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sc a nh e l p t h ed e s i g n e rp r e d i c tt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i e s ，a n dt h e nr e l e v a n tf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e v i b r a t i o np e r f o r m a n c ec a nb ec o n f i r m e d t h r o u g ho p t i m i z i n gt h e s ef a c t o r s ，t h ed a m p i n g e f f e c to fb o r i n g - b a rr e a c hp e a k o b v i o u s l y ，t h i sm e a n sn o to n l yc a ns h o r t e nt h et i m ef o r d e v e l o p m e n t , b u ta l s oc a n r e d u c ep r o d u c td e v e l o p m e n tc o s t sa n dr e d u c et h ew a s t e o f m a t e r i a l i nt h i sr e s e a r c h ，t h r o u g hc o n s u l t i n ga n dc o m p a r i n gm a n ya d v a n c e dv i b r a t i o na b s o r p t i o n s t r u c t u r e ，t h eb o r i n g b a rw i t hb u i l t i nd y n a m i cv i b r a t i o na b s o r p t i o nd e s i g n e db ys a n d v i k c o m p a n yi s s e l e c t e da st h em a i nr e f e r e n c eo b j e c t t a k i n gi n t o a c c o u n tt h ea c t u a l m a n u f a c t u r i n g s i t u a t i o no fd o m e s t i ci n d u s t r y ，s o m el o c a li m p r o v e m e n ti sd o n et ot h es t r u c t u r e i nt h ed y n a m i c sa n a l y s i so f v i b r a t i o na b s o r p t i o ns y s t e m ，f i r s t l y , u s et h em a t h e m a t i c a lt h e o r yt o g e tt h ei n i t i a lv a l u eo fr e d u c i n gv i b r a t i o ns y s t e mp a r a m e t e r s s e c o n d l y ，e s t a b l i s ht h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo f b u i l t i nd y n a m i cv i b r a t i o na b s o r p t i o nb o r i n g - b a ri ns o f t w a r ea n s y s t h e nu s e s o f t w a r ea n s y st od ot h es i m u l a t i o no fd y n a m i c sa n a l y s i s o nt h eb a s i so ft h i ss t e p ，t h eo p t i m a l i i f u n c t i o no f a n s y sc a r lb eu s et oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r so f t h ev i b r a t i o na b s o r p t i o ns y s t e ma n d g e tt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so fv i b r a t i o na b s o r p t i o ns y s t e mt h a tw eh a v ed e s i g n e d t h i sa n a l y s i sc a nb ea st h eb a s i sf o rt h ed e s i g na n di m p r o v e m e n to fb u i l t i nd y n a m i c v i b r a t i o na b s o r p t i o nb o r i n g b a r , a n dc a l ls o l v et h ep r o b l e mt h a tw ec a l l tg e taa c c u r a t er e s u l t o f b o r i n g - b a r sd y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c su s i n gat r a d i t i o n a lm e a n s t h i sm a yb et h ei m p o r t a n t g u i d a n c ef o rt h er e s e a r c ho f b u i l t - i nd y n a m i cv i b r a t i o na b s o r p t i o nb o r i n gb a r k e y w o r d s ：d y n a m i ca b s o r p t i o n ；d y n a m i ca n a l y s i st h e o r y ； d y n a m i cs i m u l a t i o nw i t ha n s y s ；p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n i i i 减振镗杆的动力学仿真及其参数优化 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1引言l 1 1 课题研究的背景：1 1 2 减振镗杆国内外研究情况1 1 3 课题的研究内容及方法2 1 4 课题研究的意义及预期实现的效果3 2 振动的分析_ 4 2 1 振动的产生过程4 2 1 1运转机械的不平衡4 2 1 2 受到外界的激励载荷作用产生的振动4 2 2 振动的分析方法4 2 3 振动系统的分析模型划分5 2 4 机械加工过程中常见的振动类型及产生的原因分析5 2 4 1 自由振动5 2 4 2 受迫振动。6 2 4 3 自激振动6 2 4 4各类型振动对机械加工质量的影响6 2 5 镗杆镗削振动的各种控制方法及原理6 2 5 1被动的减振方法7 2 5 2主动的减振方法8 2 6 本章小结8 3动力减振镗杆的结构设计及其动力学理论分析9 3 1 动力减振系统简述及相关原理9 3 2 动力减振镗杆的详细结构方案1 0 3 2 1 减振方案的选择1 0 3 2 2 镗杆的结构设计1 0 3 2 3 阻尼器的设计和选择：1 1 3 2 4 弹性元件的选择11 3 2 5 减振块的选择1 1 3 3 动力减振系统的动力学分析1 2 3 3 1 动力减振系统的力学模型1 2 3 3 2 广义坐标系的建立1 4 i v 西华大学硕士学位论文 3 3 3 建立动力减振系统的动力学分析模型一1 4 3 3 4镗杆减振系统的动力学理论分析。1 5 3 4 本章小结1 9 4 建立动力减振镗杆虚拟样机平台2 0 4 1 有限元法简介2 0 4 1 1 有限元的产生历史2 0 4 1 2有限元分析的原理2 0 4 1 3 有限元法求解的基本思路2 0 4 2a n s y s 软件的使用介绍2 1 4 2 1 a n s y s 软件简介2 1 4 2 2 使用a n s y s 进行问题分析的步骤2 1 4 3 在a n s y s 中建立减振镗杆有限元模型0 2 2 4 3 1 减振镗杆模型的简化处理2 2 4 3 2 有限元模型的建立及相关属性的设置：2 2 4 4 本章小结3 5 5动力减振镗杆的动力学仿真及参数优化3 6 5 1 用a n s y s 对减振镗杆进行模态分析3 6 5 1 1模态分析简介3 6 5 1 2模态分析的任务3 6 5 1 3模态分析的任务3 6 5 1 4 a n s y s 模态提取方法介绍3 6 5 1 5 用a n s y s 对减振镗杆进行模态仿真及其结构分析3 7 5 2 用a n s y s 对减振镗杆进行谐响应分析3 9 5 2 1 谐响应分析任务及其理论一3 9 5 2 2 a n s y s 中谐响应分析的求解方法3 9 5 2 3 a n s y s 谐响应分析求解步骤4 0 5 2 4谐响应分析初始参数确定4 0 5 2 5减振镗杆的谐响应仿真及结果分析4 2 5 2 6 减振镗杆内部各材料参数对减振效果的影响的分析4 6 5 3 减振系统参数的优化5 1 5 3 1 a n s y s 优化分析简介5 1 5 3 2 a n s y s 优化分析的主要工作内容5 1 5 3 3 a n s y s 优化算法介绍5 1 5 3 4 a n s y s 优化分析流程5 2 v 减振镗杆的动力学仿真及其参数优化 5 3 5 设置a n s y s 优化分析变量5 3 5 3 6 使用a n s y s 优化功能对减振镗杆进行优化分析5 7 5 3 7 优化结果分析。j 5 9 5 4 本章小结6 l 结论6 2 展 望6 3 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 6 致谢：6 7 v i 西华大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题研究的背景 金属切削加工能力很大程度上决定了一个国家的机械加工制造能力，在未来的很多 年里，很可能金属切削加工仍然会作为机械制造的主要加工方法。当今，金属的切削加 工仍然在很多领域被广泛应用，而且随着所制造产品涉及的领域进一步扩大，对产品的 精密度要求越来越高，这样对机械加工的加工质量和精度的要求也是不断的提高。在这 种情况下，为了能够满足相应的加工要求，除了采取更先进的加工手段外，对加工所用 的刀具的性能也提出了更高的要求，这在航空航天和当下大力发展的核电制造领域体现 得尤为的明显。很多制造水平很强的国家，诸如德国，日本等国家，除在制造系统上都 具有各自的优势，在先进刀具的开发上都各有其特长。因此积极地开发新的，性能更好 的刀具也是提高机械加工质量的重要一环。 在众多的机械加工内容中，对内孔的加工所占的比例是比较大的，而在内孔的加工 中，对深孔的加工是经常会面对的一个加工难题。对于深孔的加工，通常是采用镗削加 工的方法，但是当镗杆的长径比过大时，镗杆的动刚度就会快速下降，使得镗削过程中 产生振动，这样孔的加工质量就会大大降低，甚至会达不到所要的加工质量要求。 一般的当镗杆的长径比小于4 时，在加工时一般不会产生振动。但是当长径比大于 4 时，振动的趋势就会逐渐快速地变得明显起来。特别地，当镗杆的长径比达到1 0 时， 镗杆在镗削过程中产生的变形量将会是镗杆的长径比为4 时产生的变形量的1 6 倍，同 时当镗杆的长径比从1 0 增加到1 2 时，镗杆所产生的变形量又将会增加7 0 【。在这样 的情况下，实际镗杆本身的刚度已经不能满足相应的加工要求。为了能够获得足够的工 艺稳定性，一般会采用降低材料去除率或者单纯提高镗杆静刚度的方法，但是，在实际 的加工中，这样将导致m - r 效率太低或者受其他的一些局限性影响而无法实现，因此， 这些方法往往是不可取的。要解决这个问题最根本的方法还是应该要采取一定措施来消 除振动，减振镗杆的提出就是为了能有效的解决这个问题 2 】。 为了能减小镗杆在加工中产生的振动，应该考虑采取措施提高镗杆的动刚度【3 1 。在 本文中设计了一种内置式的动力减振结构置于镗杆内部来减小大长径比镗杆的振动，通 过对大长径比镗杆采用相应的减振装置，使得加工中振动大大减小，不仅能提高所镗孔 的表面加工质量，同时也能在保证加工效率的基础上达到对深孔加工的质量要求。 1 2 减振镗杆国内外研究情况 减振刀杆在机械行业的研究中已经有很长的历史。其中比较成功的有日本的 t o s h h 3 a 和三菱公司，瑞典的s a n d v i k 公司，美国的k e n a m e t a l 公司。日本和美国研究 减振镗杆的动力学仿真及其参数优化 历史较长一些，但瑞典的s a n d v i k 公司所制造的减振镗杆最先进，长径比能够达到1 6 ， 这种减振镗杆是采取在镗杆内部加减振器的方法来获取镗杆较大的动刚度【4 】。目前对减 振镗杆，国内也有一些研究，如镍基重合金防振刀具，带复合混泥土内核的镗杆等【5 j ， 黄宏彪，赵永成将挤压液膜阻尼的技术应用于镗杆的减振研究中【6 1 。叶伟昌等在镗杆的 内部放置一重质量块，该质量块放置在阻尼液中，同时被支撑在两个弹簧中间，在镗削 过程中通过质量块连续不断的上下运动，产生一种吸收振动的阻尼摩擦来减小镗杆的振 动【7 1 。还有就是着重于研究如何在工艺上进行改良来减小镗削振动，如王振成，高明宪 等通过提高切削刚度和机构刚度方法来减小镗削过程的振动【8 】。但这些方法的减振效果 和产品化的程度远远低于国外的水平。到目前为止，对大长径比镗杆的减振研究总的来 说可以分为两大类：振动控制方法和调整切削参数控制方法。调整切削参数控制方法主 要是通过减少切削用量来降低切削力达到减少刀杆变形量目的，但这样势必会导致生产 效率下降，而且在某些情况下，即使减小切削力也可能达不到加工的要求，所以这种方 法不是一种很好的方法。振动控制方法是现在主要的研究方向，根据振动控制执行装置 性质的不同分为主动控制方法和被动控制方法。被动控制方法主要通过在系统中加入吸 振部件来达到减振的效果；而主动控制方法是通过采用反馈控制原理，检出系统的某一 状态量的变动，然后把与状态量同频率、同幅度但反相的控制量加到这个状态量上去。 由于被动控制不需要附加能源，减振器的工作取决于振动系统的振动作用，其结构 简单、工作可靠，得到了广泛的应用。被动控制的方法很多，包括应用新材料、动力减 振、冲击减振、阻尼减振等方法p j 。 1 3 课题的研究内容及方法 本课题针对具有内冷功能的深孔镗削加工要求，借鉴国外减振镗杆结构设计的成 功经验，使用有限元分析软件中的动力学分析模块，对大长径比的减振镗杆进行了动力 学特性分析，并对其主要参数进行了优化。具体开展了以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 查阅国内外关于减振镗杆研究的相关资料，了解减振镗杆技术的研究现状，学习 并吸收别人关于镗杆减振方面的先进设计思想，初步设计一种减振镗杆。 ( 2 ) 建立所设计减振镗杆减振系统的数学模型，根据数学模型建立相应的动力学方 程，对系统的动力学特性进行定性理论分析。 ( 3 ) 对所设计的减振镗杆在c a d 软件中建立其对应的三维模型，并把模型导入有限 元分析软件a n s y s 中，在有限元软件a n s y s 中建立减振镗杆的有限元模型。 ( 4 ) 根据前面对减振系统数学模型的理论分析，确定对减振镗杆进行动力学仿真分析 的初始参数，再使用有限元分析软件中的动力学分析模块，对减振系统进行动力学仿真， 得出减振镗杆的相关动态特性。 ( 5 ) 选取镗杆减振系统的相关参数，使用a n s y s 软件的优化分析功能，对减振系统的 2 西华大学硕士学位论文 相关参数进行优化，最后得到最优的减振系统参数，通过对比分析，得出所设计的减振 镗杆的减振效果。 1 4 课题研究的意义及预期实现的效果 在机械加工中内孔加工是一种常见而应用广泛的加工方法，而深孔加工往往是内孔 加工中一个最大的难点。深孔加工由于通常采用细长的车刀或者大长径比的镗杆，这样 往往出现加工刀具的动刚度太低，在进行加工时，很容易发生切削颤振而无法满足加工 要求。一般来说当镗杆的长径比小于4 时，在加工过程中不会产生振动或者振动一般不 会对加工质量造成影响。但当长径比大于4 时，镗杆在镗削过程中将产生颤振，对加工 产生影响甚至造成加工根本无法进行。目前国内对大长径比镗杆仍然主要通过从国外引 进，国内虽有较多理论研究，但尚未见成熟产品上市，这对于许多机床、工具行业为了 降低成本，提高产品的竞争力，必须解决这个重要问题。本课题拟在分析镗杆的颤振控 制方法在国内外发展现状和镗杆各种抑振手段的技术特点的基础上，将虚拟样机技术应 用到动力减振镗杆动态特性的分析和结构参数的优化设计中，利用三维c a d 软件和有限 元分析软件建立镗杆减振系统的动力学虚拟样机，运用虚拟样机技术对模型进行动力学 分析，得出其相关动态特性，再通过优化分析手段，得到减振系统的最优参数。将该技 术应用到动力减振镗杆的实际设计当中，可在研究阶段预测镗杆的动力学性能，对这些 性能进行优化，达到提高产品性能，缩短开发时间，减少开发费用的目的。 本课题的主要目标在于对带内冷装置的减振镗杆进行结构设计，使用有限元分析软 件建立镗杆振动动力学仿真的虚拟样机平台，通过使用虚拟样机技术对减振镗杆进行动 力学仿真分析，验证镗杆的减振效果。使用虚拟样机技术对减振镗杆进行优化分析，得 到镗杆系统各参数对系统的影响，以镗杆刀刃径向跳动量最小为目标，对减振系统相关 参数进行优化分析，得到镗杆系统的优化参数。 3 减振镗杆的动力学仿真及其参数优化 2 振动的分析 2 1 振动的产生过程 引起机械振动的原因是多方面的，最典型的振动根源如下： 2 1 1 运转机械的不平衡 一般的机械运动可以分为回转式机械和往复式机械两类。机械在运转时完全平衡几 乎是不可能的，因此在机器运转时或多或少的存在着周期性的扰动力，一般的由机械的 不平衡所引起的振动具有明显的规律性。 2 1 2 受到外界的激励载荷作用产生的振动 当一个系统在在受到外界振动时，根据外界激励是否具有确定性，其所引起的振动 又可分为确定性振动和随机振动，随机振动通常是由非确定性激励引起的，这种振动通 常具有如下特点： 一振动没有一个固定的周期，不能通过函数来表达其振动的规律 一无法预测某一时刻t 的振动幅值 一在相同条件下进行振动测试，各次测试结果不可能一致 2 2 振动的分析方法 在振动的研究中，通常把所研究的振动对象看作一个振动系统，把外界对系统的作 用称为激励或输入。把振动系统在外界的作用下产生的动态行为称为响应或输出，振动 问题所涉及的研究内容可用如下框图表示【l o 】： 图2 1 振动分析简图 f i g 2 1 t h ea n a l y s i ss k e t c ho fv i b r a t i o n 在上图中，对振动的分析的一种研究对象就是对响应( 输出) 进行分析。响应分析 是在己知系统参数及外乔激励的条件下求系统的响应，包括振动系统的位移、速度、加 速度和力的响应，在此基础上可进一步分析机械结构的强度、刚度和允许的振动能量水 平。不满足动态设计要求时，需要对结构进行修改，直到得到满意的结构为止。 4 西华大学硕士学位论文 在求解系统动力响应时，其最成功最实用的方法要数有限元的分析法( f e m ) 。通 过对振动结构的离散化处理后，考虑结构的边界条件和连接条件，这样可以很容易的求 得各种复杂结构在复杂的外界激励作用下的响应【1 1 1 。特别地当有限元模型建立得合理， 一般还能够得到比较好的结果。因此，有限元法应用于振动问题的分析，可以使振动理 论能够进一步的用于对振动问题的研究。更甚至的还可以用于根据振动的相关动态振动 情况，通过使用振动理论就能够快速对振动结构进行有针对性的修改。 对于振动问题的研究，还有一种情况就是在已知激励和响应的情况下，求振动系统 的相关参数。因为在已知振动系统所受的外界的激励的情况下，振动系统产生的响应并 不符合我们想要的结果，在这种情况下就需要对振动系统的相关参数进行调整或者对系 统的结构进行修改。如果没有相关理论进行辅助分析，这时对系统的修改往往只是凭借 经验进行，带有很大的盲目性。不仅仅效果常常不满意。而且效率也常常很低，通常要 经常反复多次修改，多次实验才能得到基本满意的结果。在这种情况下也可以应用有限 元法来进行结构修改，但是在应用有限元法进行问题分析时，最大的难点在于有限元模 型的准确度，这需要通过实验或者理论分析数据来验证有限元模型是否在允许的误差范 围内。 2 3 振动系统的分析模型划分 在研究振动系统时，通常把振动系统模型分为三种【1 2 】： ( 1 ) 物理参数模型 物理参数模型是以质量、刚度、阻尼为基本构成的数学模型，这三种结构参数可完 全确定一个振动系统。 ( 2 ) 模态参数模型 模态参数模型是以模态频率、模态矢量( 振型) 和衰减系数为特征参数的数学模型。 或者也可以是由模态质量、模态刚度、模态阻尼、模态矢量组成的模态参数模型。这两 种模态参数模型都可以完整的描述一个振动系统。 ( 3 ) 非参数模型 非参数模型主要包括频响函数、脉冲函数，这两种函数是反映振动系统特性的非参 数模型。 2 4 机械加工过程中常见的振动类型及产生的原因分析： 2 4 1 自由振动 自由振动主要是由于在机床一工件一刀具所组成的工艺系统中在切削加工过程中产 生了脉冲性的干扰力而导致的。对自由振动而言通常都是成衰减特性的，因此自由振动 的产生对加工质量的影响不会很大，一般不会是我们在加工过程中主要设法要消除或减 减振镗杆的动力学仿真及其参数优化 低的振动类型。 2 4 2 受迫振动 受迫振动通常是由于外界的周期性的外力施加在物体上而导致物体产生的振动。在 机械切削加工中，受迫振动通常是由于刀具切削金属时产生的周期性的、连续性的交变 切屑力而导致的机床一工件一刀具工艺系统产生振动。通常产生这些交变激励力的原因 包括：机床自身由于回转件的动不平衡性产生了离心力的作用；还有就是机床在切削加 工过程中由于切削的不均匀性而产生的呈周期性变化的切削力；再就是机床运动部件在 运动方向突然发生改变时产生的惯性力。对于受迫振动而言，只有在外界干扰力消除后 振动才会停止，而且受迫振动对应的振幅大小与干扰力大小和频率有关，同时还与机械 加工工艺系统的刚度和其自身的阻尼大小有关。 2 4 3 自激振动 自激振动通常是由于振动系统自身的振动导致激发产生了交变力从而引起的一种不 衰减的振动【1 3 】。因此对于振动系统，即使它不受其他的外界的激励力的作用，只要系统 有振动，自激振动也会发生。对于自激振动而言，其振动的频率通常最接近于振动系统 的固有频率。对于自激振动的振幅大小，一般是由振动系统振动所具有的能量来决定， 同时也与振动系统的阻尼大小有关。 2 4 4 各类型振动对机械加工质量的影响 通过上面的分析可知，系统的自由振动都是呈衰减的，对机械加工的加工质量影响 不会太大。受追振动是由于外界激励力引起的，与激励力的大小和频率有关，一般情况 下都是持续性的振动，对机械加工过程的影响比较大，是要设法控制的一种振动类型。 对于自激振动由于是振动系统自身的振动所造成的，因此这种振动也是具有持续性的特 点，对加工过程也具有有害影响，因此也是必须要控制的一种振动类型。 2 5 镗杆镗削振动的各种控制方法及原理 镗杆镗削过程中所产生的振动主要为自由振动，同时随着自由振动的加剧，也会产 生自激振动。根据上面对这两种振动类型的分析可知，这两种振动是无法消除的，而且 它们对加工所造成的影响也是最大的，因此必须要减小这两种振动所造成危害。要减小 这两种振动就应该通过对镗杆采取一定的吸振措施，减小镗削过程中的自由振动，当自 由振动减小后，也同时可使得自激振动减小。就镗杆减振措施，目前在使用上主要有两 大类，一是被动的控制方法，二是主动的控制方法。被动的控制方法主要是在镗杆上装 入吸振部件或是采取抑制振动的部件来控制振动；主动的控制方法主要是在减振系统中 加入了反馈控制系统，通过反馈系统检测出振动系统中产生振动的相关状态量的变化， 由反馈系统调节减振系统中的相关控制振动的结构参数，从而在外界环境不断发生变化 情况下，也能够使减振系统控制振动结构，使振动结构的振动响应保持最小、最稳定。 6 西华大学硕士学位论文 2 5 1 被动的减振方法 现在主要的措施有：减小切削刚度或是提高加工系统的结构刚度【l l 】；使用新型材料 提高镗杆的静刚度；还有就是使用冲击耗能的方法来减振，包括动力作用减振、摩擦作 用减振、冲击减振、阻尼减振等。 ( 1 ) 减小切削刚度或提高加工系统的结构刚度 减小切削刚度就是通过改变切削参数的方法来减小切削力，从而达到降低振动作用 的效果。如通过减小背吃刀量，增大刀具前角的方法可以使得切削过程中切削力的大小 比较稳定，如再使用较大的主偏角使吃刀抗力减小，这样振动将会明显减小。 提高加工系统的结构刚度主要包括提高镗杆的紧固刚度，如改善机床上夹持镗杆用 的夹持机构。还有就是减小工艺系统中各个结合面的间隙，如机床的导轨、主轴轴承等 的接触间隙，提高工件夹持的稳定性等等。 ( 2 ) n 用新型材料减振 在国外利用新型材料提高镗杆静刚度的方法减振作的比较好的是日本三菱公司和东 芝公司，日本三菱公司主要是通过减轻镗杆头部质量，同时使用高强度硬质合金来保证 镗杆强度要求的方法来达到减小镗削过程中振动的作用【4 】。它主要是利用细长杠杆的端 部应力的边缘效应，当杠杆受到垂直于杠杆的作用力时，杠杆端部内应力比较小，这样 在减小端部的强度的情况下，不会对镗杆头部的强度产生太大的影响，而减小镗杆镗削 头部重量时，镗杆的在镗削过程中的振动阻尼性能也得到了提高。由于镗杆柄部使用硬 质合金，由于硬质合金的弹性模量为钢的3 倍以上，因此其抗振颤的性能比较好，经过 具体实验，使用这种方法制造的镗杆，其伸出长度约为普通镗杆伸出长度的2 到3 倍， 是一种比较实用的减振镗杆。 ( 3 ) 摩擦减振 摩擦减振原理主要是通过摩擦作用来消耗振动能量的方法来达到减小振动的作用。 这种方法减振的主要原理是：在镗杆内部放置一质量块，质量块由两弹簧上下支撑质量 块由高密度的材料制成，质量块包围在阻尼液中，当镗杆振动时带动质量块不断的运动， 质量块运动时与阻尼液的摩擦不断消耗振动的能量从而达到减小振动的效果【9 】。 ( 4 ) 动力减振 动力减振的原理主要是利用减振质量块的动力作用，通过弹性元件作用到主系统的 力尽量与干扰力平衡从而来减弱振动。对于动力减振器，减振块的质量和阻尼比要根据 主系统所受的激励的频率来选择【4 】。 ( 5 ) 冲击减振 冲击减振器是利用物体相互撞击作用来消耗能量的方法来实现减小振动的【1 4 】。冲击 减振器可以有多种构造结构，包括同心形式的减振器和环形形式的减振器。对于冲击式 减振器，冲击块在材料的选择上通常要选择密度比较大的材料来制作，从而使在空间有 减振镗杆的动力学仿真及其参数优化 限的情况下能够保证质量块尽可能大的质量要求。其次，对于冲击式减振器，冲击块与 孔壁之间的间隙大小的控制需要根据外界激励情况来定，如果间隙过大，可能不仅达不 到减振效果，同时还会使振动加强，因此间隙的大小选择对于减振效果影响比较大，需 要根据具体情况，得到一种最优的间隙值。冲击减振器的结构一般比较简单，减振器的 相关参数取用得合理的话，减振效果一般还是比较好的，但是冲击减振器存在的最大的 缺点就是在质量块间碰撞时，往往会产生很大的噪声。 ( 6 ) 阻尼减振 阻尼减振主要是通过增大系统的阻尼系数使得振动的能量加速损耗，达到振幅迅速 衰减的目的，如h m h n 等曾使用把质量块放在靠近刀具的一端的空腔里，注入油介质并 保证质量块和孔壁之间的径向间隙和轴向间隙，通过介质来减振。何将三等从弹性力学 基本理论出发，讨论了复合阻尼镗杆的结构和动力学模型，镗杆发生机械振动时，粘附 的阻尼层随镗杆作弯曲振动，阻尼材料产生交变的拉压应力和应变，使结构的振动能量 得到损耗而达到减振效果。 2 5 2 主动的减振方法 主动控制减振器主要是利用了反馈控制的原理，其原理就是在被动减振系统的基础 上增加了反馈控制系统，通过反馈控制系统检测出系统某个状态变量的变动，然后反馈 控制系统控制作动器产生一个与状态变量同频率、同幅度但反相的控制量加到这个状态 量上，从而抵消掉状态量的变化【1 5 】。由于主动控制减振器能够根据外界激励的变化调整 减振体统的相关参数，使减振系统总能针对外界情况自动进行调节，保持住最好的减振 效果，因而相对被动减振器，主动减振器更具有智能化和更能适应外界