（机械制造及其自动化专业论文）陶瓷金属复合结构内圆磨接杆的设计与性能研究.pdf

摘要 摘要 在对深孔进行内圆磨削时，内圆磨接杆( 简称磨杆) 呈细长结构，这样必 然存在刀具系统的刚度不足问题。静刚度不足会使刀具系统变形加大，影 响加工精度；动刚度不足会导致刀具的颤振，影晌表面加工质量，甚至使 加工无法进行，加工中不得不降低切削参数，从而严重影响了加工效率。 因此，以提高刚度为目的的陶瓷一金属复合结构磨杆的研制有很大的理论和 实际意义。 本文采用有限元方法，使用a n s y s 软件，对该磨杆的结构和动静态特 性进行了理论与试验研究，具体内容包括： ( 1 ) 分析了磨杆的结构特点及其对动静态特性的影响，并从满足其动静 态特性的角度，对磨杆的结构进行了设计。 ( 2 ) 对该磨杆进行二维有限元建模，并经a n s y s 计算，得出其静刚度。 ( 3 ) 对该磨杆进行三维有限元建模，经a n s y s 计算分析，得出其模态 和谐响应特性，研究了陶瓷金属复合结构磨杆的固有频率和临界转速，通 过跟普通磨杆的对比，从理论上验证了其结构设计的合理性。 ( 4 ) 对加工出的陶瓷一金属复合结构磨杆样品进行动态响应实验，与相同 规格的普通磨杆进行对比，分析实验结果，从实际上验证该结构对磨杆刚 度提高的有效性。 关键词磨杆；有限元分析；动态特性；a n s y s ：静态特性 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i ni n t e r n a lg r i n d i n go fd e e p h o l e ，t h ei n t e r n a lg r i n d e rs p i n d l ep r e s e n t s s l e n d e rs t r u c t u r e ，t h u st h es t i f f n e s sa st h ep r o b l e mo ft h em a c h i n et o o ls y s t e m a r i s e s t h el a c ko fs t a t i cs t i f f n e s si n c r e a s e st h ed i s t o r t i o no ft h em a c h i n et o o l s y s t e m , w h i c hm a d et h ec u t t i n gp r e c i s i o nd e c r e a s e s i n s u f f i c i e n c yo fd y n a m i c s t i f f n e s sc a u s e st h ec h a t t e ro ft h em a c h i n et o o ls y s t e m , w h i c hi sh a r m f u lt ot h e q u a l i t yo f t h es u r f a c eo f t h ew o r kp i e c e ；s o m e t i m e si tc a l le v e nm a k et h ec u t t i n g p r o c e s si m p o s s i b l et ob ec a r r i e do n t h ep a r a m e t e r si nc u t t i n gp r o c e s sm u s tb e l o w e r , h o w e v e r , t h i sc a u s e st h ed e c r e a s eo fe f f i c i e n c y t h e r e f o r et h es t u d yo f c e r a m i c m e t a lc o m p o s i t es t r u c t u r ei n t e r n a lg r i n d e r s p i n d l e ，w h i c ha l m sa t i n e a s i n gs t i f f n e s s ，i so f g r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i st h e s i s ，t h es t r u c t u r e ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s p i n d l ea r es t u d i e dt h o r o u g h l yu s i n ga n s y ss o f t w a r eb yf e m t h es t u d yi 1 1 d e t a i li sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t r u c t u r eo f t h es p i n d l ea n dt h ei n f l u e n c e so nt h es t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e so ft h es p i n d l ea r es t u d i e d , a n dt h es t r u c t u r eo ft h es p i n d l ei s d e s i g n e db a s e do ns a t i s l y i n gt h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s ( 2 ) at w o d i m e n s i o n a lf e mm o d e lo f t h es p i n d l ei sb u i l tw i t ha n s y s ，t h u s t h es t a t i cs t i f f n e s so f i ti sl e a m e d ( 3 ) am o r ea c c u r a t et h r e e d i m e n s i o n a lf e mm o d e lo ft h es p i n d l ei s e s t a b l i s h e d b a s e do nt h em o d e l ，t h em o d a la n dr e s p o u s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s p i n d l ea r ea n a l y z e d t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h el i m i t e ds p e e da r es t u d i e d b yc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a ls p i n d l e ，t h ec o n c l u s i o nt h a tc e r a m i c m e t a l s t r u c t u r ei se f f i c a c i o u st oi m p r o v es p i n d l e ss t i f f n e s si nt h e o r yi sc o n f r m e d ( 4 ) c a r r yo nt h ed y n a m i cr e s p o n s ee x p e r i m e mw i t hp r o t o t y p eo ft h es p i n d l e ， c o m p a r ei tw i t ht h et r a d i t i o n a ls p i n d l ew i t ht h es a m es i z e ，a n a l y s i st h er e s u l t s ， a n dg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tc e r a m i c - m e t a ls t r u c t u r ei se f f i c a c i o u st oi m p r o v e i i a b s t r a c t s p i n d l e ss t i f f n e s se x p e r i m e n t a l l y k e y w o r d si m e m a lg r i n d e rs p i n d l e ；f e m ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e ；a n s y s s t a t i cp e r f o n n a n c e i l l 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文陶瓷金属复合结构内圆 磨接杆的设计与性能研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完 全由本人承担。 作者签字弛最 日期= 椰触肭日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 陶瓷- 金属复合结构内圆磨接杆的设计与性能研究系本人在燕山大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关 人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密彤 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 托武 珑 日期6 年中胃阳日 日期：2 0d 6 年斗月2 0 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 首先，汽车行业的发展对刀具系统提出了更严格的要求。从8 0 年代起， 我国相继从德国，美国，法国，日本等制造工业发达国家引进了较先进的 车型和相应的数控自动生产线，这使我国的汽车制造工业得到了空前的发 展。在汽车制造工业中，决定汽车主要性能和技术水平的大多数关键零部 件是通过切削加工最终完成的，并且，切削刀具的性能已经成为提高汽车 零部件自动生产线加工工艺技术水平，生产效率，加工精度，制造成本的 重要保证【l 】。同样，在加工航空航天及一些军火产品时，为了提高产品的 综合性能或使产品达到某些特殊性能要求，需要一次成型，所利用的刀具 必须实现特殊功能。 另外，高速加工作为切削加工的一个发展趋势，其发展也是以刀具的 性能提高为前提的【2 】。高速加工技术是继数控加工技术之后，给机械制造 业带来革命性变化的又一项先进技术，实践证明，在高速切削过程中，切 削力小，工件热变形小，表面质量较高，有利于保证零件的精度，而且工 艺系统振动小，材料切除率高，有利于提高加工效率。另外，高速加工技 术还扩展了些工艺方法的加工范围【3 】。9 0 年代后期，商品化高速切削机 床大量涌现，2 1 世纪初，高速加工技术在工业发达国家得到普遍应用，正 成为切削加工的主流技术。目前，对于高速铣削和镗削，加工铝合金已达 到2 0 0 0 7 5 0 0 “m i i l ；铸铁为9 0 0 5 0 0 0 n d m m ；钥为6 0 0 3 0 0 0 耐m 纽【4 】； 耐热镍基合金达5 0 0 m m i n ；钛合金达1 5 0 1 0 0 0 i n m _ i i l 【5 】；纤维增强塑料为 2 0 0 0 9 0 0 0 m m i n 。对于高速、超高速外圆磨削，在日本，德国，美国， 瑞士等工业发达国家，1 2 0 0 0 2 0 0 0 0 m m i n 的加工线速度已经发展的比较 成熟，对于内圆磨削，实际应用中的最大线速度在4 8 0 0 6 0 0 0 m m m 左右， 内圆磨具的转速能达到1 0 0 0 0 0 r p m 以上【“，用普通砂轮高效磨削淬硬低碳 钢4 2 c r m 0 4 ，材料切除率可以超过2 0 0 m m 3 m m s ，是正常磨削时的十多倍。 燕山大学工学硕士学位论文 实现高速加工，是提高加工效率和加工精度，降低加工成本的有效途 径，但同时也对工艺系统的各个环节提出了更加苛刻的要求，这些环节主 要包括主轴( 电主轴) 的性能，机床整体刚度和刀具的剐度，采用的切削工 艺等。在对深孔进行磨削加工时，内圆磨接杆( 后文简称磨杆) 呈细长外伸 梁结构，这就使磨杆的动刚度严重不足，在加工过程中容易发生颤振，严 重影响了加工精度和n t 效率i7 。”，因此，高性能磨杆的研制是非常必要的。 在内圆磨削加工过程中，由于磨削的作用，磨杆会产生弯曲和颤振， 在一定力的作用下，磨杆的弯曲程度主要取决于它的静刚度，而磨杆颤振 的幅度和频率主要取决于它的动刚度，对于一般的刀杆和磨杆，在长径比 超过4 时，刀具自身将产生颤振，使加工无法继续进行。也就是说，在磨 杆的长径比大于4 时，磨杆本身的刚度已经明显达不到加工要求，其变形 量由公式6 爿c 3 e i 给出( 其中占为磨杆的弯曲变形量，f 为切削力，l 为 磨杆的悬伸长度，e 为磨杆的弹性模量，i 为磨杆的截面惯性矩) ，根据此 公式可知，减少磨杆的悬伸长度和增加其直径可以达到减少磨杆变形量的 目的，但由于加工工件尺寸的限制，改变这两个量是不现实的，目前，德 国和日本的一些厂家通过用硬质合金代替钢材制作磨杆以提高刚度【9 1 。硬 质合金具有较高的弹性模量和比钢材略大的阻尼系数，能有效提高磨杆静 刚度，但由于其密度较大，不能提高动磨杆动态性能，在使用硬质合金磨 杆加工高强度难加工材料时，效果并不理想【1o 】。由此看来，我们要想有效 地提高磨杆的性能，必须要从改变其结构下手。为了解决此类问题，本文 将提出一种新的方法，本方法利用陶瓷金属的复合结构能有效的提高磨杆 的动刚度和静刚度。 有关结构陶瓷方面的研究，也受到了大多数工业发达国家的重视，从 美国n a s a 公司1 9 7 2 年研制成功第一套陶瓷轴承开始，瑞典的s k f 、法 国的圣戈班戒、日本的n s k 、k o y o 等世界知名陶瓷企业一直致力于相关 领域的研究，先后开发出陶瓷电主轴，陶瓷发动机等产品。陶瓷材料具有 高的弹性模量和较低的密度，成本相对低廉，是磨杆理想的可选材料，但 是其抗拉强度和断裂韧性低 1 ，虽然现在陶瓷增韧技术有了很大的提高， 某些增韧陶瓷材料( 如日本的n r z 陶瓷) 的抗拉强度已经接近或达到了常用 2 第1 章绪论 金属材料的水平，但是其断裂韧性和金属材料还不在一个数量等级f 1 引，所 以我们不能直接用陶瓷做成磨杆，而是用金属与之结合，使双方各自发挥 自己的优点，做成陶瓷金属的复合结构。 本文针对陶瓷材料的应用现状和磨杆性能方面的需求，开始陶瓷一金属 复合结构磨杆的研究工作；目前尚未发现陶瓷金属复合结构在该方面应用 的公开报道，该结构具有一定的创新性；且此研究基于实际应用，设计成 果将在实际生产中发挥作用，为内圆磨床加工精度和加工效率的提高做出 了贡献，促进我国高速磨削的发展。 1 2 陶瓷材料在机械行业的应用情况 陶瓷是指由金属和半金属元素的氧化物、碳化物、氮化物，硼化物、 硫化物、硅化物及其复合化合物所构成的材料。陶瓷按其用途可以分为日 用陶瓷和工程陶瓷两种，而工程陶瓷按其性能又可以分为结构陶瓷和功能 陶瓷两种，本文研究所涉及到的陶瓷，如无说明，统指工程结构陶瓷材料。 我门常见的工程结构陶瓷包括氧化物陶瓷，碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷， 复合材料陶瓷等几种。 表i - i 氧化物陶瓷的应用 t a b l e1 - 1 a p p l i c a t i o no f o x i d ec e r a m i c s 应用领域制品名称利用特征 球磨机内衬，介质球， 粉碎装置 高强度，高硬度，耐磨性 研体，粉碎机 机械装置注射成型磨具 成型机械耐磨性，尺寸稳定性 粉末成型 加工工具轴承，轮叶片耐磨性，尺寸稳定性 喷嘴装甲板耐磨性，耐腐蚀性 其它 刀具 高硬度，高强度 电磁i c 基扳，半导体，压电电性能 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 氧化物n 瓷( o x i d ec e r a m i c s ) 。氧化物陶瓷是发展较早的陶瓷材料， 主要包括赳2 0 3 ，z r 0 2 ，m g o。作为传统陶瓷，a 1 2 0 3 场质在工艺瓷、 日用瓷、电子陶瓷方面己普遍应用 1 3 。表1 1 是氧化物陶瓷的应用范围。 化1 碳化硅陶瓷( s i cc e r a m i c s ) 。碳化硅陶瓷是近十几年才发展的材料， 但由于其具有特别优良的高温性能，很快得到了开发应用，至今成为主要 的陶瓷材料。表1 - 2 【1 5 ) 列出了碳化硅陶瓷的应用范围。 表1 - 2 碳化硅陶瓷的应用 t a b l e1 - 2 a p p l i c a t i o no f s i cc e r a m i c s 应用领域 使用环境 用途 主要优点 石油工业 高温高压研磨性物质喷嘴，轴承，阀片耐磨耗，耐热 电子工业大功率散热封裟材料，基片高热导，高绝缘 化学工业强酸，强碱密封，轴承，泵套筒耐磨，耐腐蚀 汽车工业高温燃烧器，涡轮增压器部件低摩擦，高强度 航空航天高温各种叶片，火箭喷嘴低密度，热强度高 激光大功率，高温反射屏高刚度，稳定性 喷沙嚣高速研削喷嘴耐磨损 造纸工业 强碱纸浆溶液 密封件套管轴承衬垫 耐磨损，低摩擦 矿业研削 内衬，泵部件耐磨损 原于能高温，辐射密封，轴套耐放射性 其它 加工工程拉丝成型模具 耐磨，耐腐蚀 耐火材料高温窑炉栅板，支架，梁耐高温 ( 3 ) 氮化硅陶瓷( c e r a m i c s ) 。氮化硅陶瓷主要应用在气体涡轮发动机的 定子叶片、气体涡轮中热流通道的元件、涡轮增压器转子、内燃发动机零 州、汽车热反应器和先进的燃烧室【1 7 1 、腐蚀性环境中的高温结构部件、 火箭喷嘴、切割工具、轴承、核材料的支架和隔板等零部件上口8 1 ，各种氮 化硅陶瓷的物理性能如表1 3 所示。 ( 4 ) 复合材料陶瓷( c o m p o s i t es t r u c t u r ec e r a m i c ) 。复合材料陶瓷是根据 两种或多种材料的可溶性，利用特定的技术手段，将各种组成材料的优良 4 第1 蕈绪论 性能集于一体，以改善材料的性能，例如，s i c 陶瓷虽然有较高的强度和 硬度，但同时这两种材料的韧性较差，提高陶瓷材料的韧性是陶瓷材料研 究的目标之一【”】。目前已经研究开发的陶瓷复合材料有氧化镁增韧氧化锆 f m g p s z ) 、氧化钇增韧氧化锆f m g - t z p ) 、以及作为高温结构陶瓷的氮化硅 结合碳化硅( s i c s i ，n 。) 等1 2 。 表1 - 3 氮化硅陶瓷的性能 项目反应烧结氮化硅热压氮化硅无压烧结氮化硅 体积密度( g c m ) 25 5 2 7 33 17 343 2 显气孔率( ) 1 0 2 0 3 5 0 0 弹性模量( g p a ) 1 6 03 0 03 0 0 断裂韧性( h 口a m “) 28 55 5 65 热膨胀系数n 0 _ 6 c 。) 2 72 9 53 2 工程陶瓷材料的品种很多，但从已经开发的应用看，下面几种材料将 重点发展。 ( 1 ) 碳化硅陶瓷。包括冷压烧结、热压烧结、自结合碳化硅和重结晶碳 化硅材料( r e - s i c ) 。 ( 2 ) 氮化硅陶瓷。包括超高压烧结，反应烧结和重结晶材料。 ( 3 ) 氧化铝陶瓷。包括热压烧结、常压烧结和反应烧结氧化铝材料，这 种材料可以作为熔融金属钳祸、保护管、真空蒸镀用容器。 ( 4 ) 氮化硼陶瓷。包括六方b n ( h b n ) 和立方氮化硼( c b n ) 。 工程陶瓷材料零件应用的主要障碍来自价格和可靠性两个方面。目前 陶瓷零件的价格远比金属零件高，如陶瓷活塞销和气门的计划生产成本为 相同金属件的2 5 倍；影响陶瓷零件工作可靠性的因素主要是制造时可能 产生的内部裂纹，这种裂纹的尺寸、形状和方向是随机的，有时可因裂纹 5 燕山大学工学硕士学位论文 扩展而造成脆性破坏，所以其强度具有随机性质。陶瓷零件的强度波动较 大，高温时强度有所下降。针对陶瓷的可靠性问题，研究重点是改善陶瓷 材料的脆性以及强化与增韧。克服陶瓷材料价格高和可靠性难以保证的缺 陷需要一个时间过程，机械零件陶瓷材料的应用只能从小到大，从易到难， 从减摩耐磨到绝热，从零件到整机，逐步发展。 在各种工程结构陶瓷材料中，氧化铝是应用最广泛的，其生产成本也 较其它陶瓷低，氧化铝有跟金属较为接近的热胀系数，弹性模量比较大， 密度比较低，如能合理地设计结构，避开其断裂韧性低的缺点，是理想的 磨杆侯选材料。 1 3国内外高刚度刀杆的研究现状 在实际加工中，一般钢质材料刀杆只适用于长径比小于4 的情况，硬 质合金材质的刀杆的最大长径比能达到6 左右，钢和硬质合金材质的阻尼 刀杆的最大长径比分别为1 0 和1 4 2 1 1 2 3 1 。 以瑞典，美国，日本为首的加工制造业比较发达的国家一直致力于减 振刀杆的研制工作，但总的来说，减振刀杆的研究和发展是比较缓慢的， 到目前为止，世界上只有为数不多的几家厂商能生产出性价比比较好的刀 具。这些刀具按减振原理的不同大致可以分为三种 2 4 。2 6 】： 第一种是通过采用新材料来增加刀杆的静刚度或减轻刀杆的重量。这 些材料主要包括硬质合金，减振合金，高强度铝合金等。美国肯纳公司生 产的高刚度刀杆，采用了特殊的大弹性模量材料，最大长径比l d = 8 ，这 种方法有效地提高了刀杆的静刚度，但其动态性能并没有很大的提高。国 外一些厂家也开发出铝合金刀杆，这种材质的刀杆重量比较轻，有效地减 少了回转中自身的惯性力，从而提高了刀杆的动态性能。如山特维克公司 的c o r o m a a t5 9 0 面铣刀、住友公司的r f 型面铣刀等产品。这些铝合金刀 体面铣0 3 在高速回转直径8 0 r a m 的刀具转速为1 7 0 0 0 r m i n ) 时，具有很高 的抗离心力特性，但是铝合金材料的弹性模量比较小，其静刚度较差，所 以在加工时产生的静变形也比较大，这种材料一般都在转速比较高，直径 比较大的刀杆中使用。 6 第1 苹绪论 一般情况下，单纯通过采用新材料只能单方面地提高刀杆动态性能或 静态性能，并且由于现有材料性能的限制，刀杆的长径比不可能做的很大。 第二种是通过采用新的结构提高刀杆的抗振性能，其中比较有代表性 的是日本三菱公司和东芝公司的产品【2 7j 如图1 - 1 所示。 图1 - 1 三菱减振刀杆 f i g 1 - 1 m i t s u b i s h iv i b r a t i o na b s o r b i n gs h a f t 日本的三菱公司已经有系列化的产品，其刀杆最大长径比l d = 6 ，设 计思想是对刀头进行优化，采用独特的断面形状，使作用在刀头上的主切 削力、背向力平衡良好，减少切削时产生的不良外力，并在保证刀杆强度 要求的前提下尽量减轻其头部重量以改善刀具的性能。这种刀杆具有刚性 好、高阻尼以及减震效果良好等优点，三菱公司的f s c l 型减振镗杆头部 重量仅4 9 7 克，振动停止时间仅为1 5 8 毫秒，而过去的产品头部重量为 7 9 1 克，振动停止时间为2 0 毫秒，由于受力情况的改善，该镗杆在加工时 挠曲量为2 8 。3 9 m ，而普通钢结构的镗杆为3 0 9 m 。但是这种刀杆头部形状 复杂，加工困难，对于长径比比较大的情况减振作用不是很好，而且应用 范围有限，该结构在磨杆上不易实现。东芝公司研制的刀杆最大长径比 l d = 6 ，是在刀杆的两边平行地切掉一部分，再用弹性模量比较大的材料 ( 通常是硬质合金) 嵌在这两部分上，这种结构的刀杆结构简单，也有很好 的减振效果，但是同样在长径比很大时减振效果一般，并且两种材料之间 接触的紧密程度严重影响着刀杆的性能。 总的来说，单纯依靠采用新结构一般只能提高刀杆的动态性能，而且 由于在刀杆中广泛采用了镂空结构以减轻重量和改善动平衡条件，刀杆的 整体静刚度会有所降低。 第三种方法是通过在刀杆中加阻尼系统来实现被动减振【2 引，山特维克 7 燕山大学工学硕士学位论文 公司是生产此类减振刀杆的代表性企业。瑞典山特维克公司生产的减振刀 杆是目前世界上最先进的减振刀杆之一，如图1 2 所示。其最大长径比 l d = 1 6 ，采用被动阻尼减振系统，在刀杆靠近刀具端加入内阻尼系统，有 效地提高了刀杆的动态性能。该公司的深孔加工刀具在世界上占有很大的 份额，技术比较成熟，产品规格比较全，其最小的减振刀具产品为1 2 倍悬 伸的l o m m 减振镗杆。国外的一些期刊中也有关于采用金属外圈，中间为 一种低密度，高弹性模量材料，内嵌阻尼系统的减振镗杆的报道，见图1 3 ， 其长径比可以达到1 0 以上 2 ”。 图i - 2 山特维克减振刀杆 f i g 1 2 s a n d v i es i l e n tm a c h i n et o o l s 图1 - 3 复合结构镗杆 f i g 1 - 3c o m p o s i t e b o r i n g b a r 这种类型的减振刀杆减振效果好，但结构比较复杂，成本高。而且这 种结构在磨杆上很难实现。 在国内，一些高校对减振刀杆展开了的研究，如长春理工大学的于化 东老师对阻尼镗杆进行了分析，沈阳理工大学和上海工程技术大学，东北 大学等一些高校的学报上也有相关的资料，但这些研究主要是借鉴国外的 经验，开发出的新产品大多是针对国外一些大公司的减振刀杆做一部分改 进，并没有取得实质性的进展。 目前国内的一些厂家生产的减振刀杆大部分是采用硬质合金等弹性模 8 第1 苹绪论 量比较大的材料的普通结构刀杆，这只提高刀杆的静刚度，由于这些材料 密度大，在高速切削时，该类型刀杆的动态性能反而不是很好。也有采用 削扁结构提高镗杆动态性能的，即在镗刀杆上铣出2 个平面，使镗刀杆截面 上相互垂直的2 个方向的刚度不同，利用振型的藕荷，可有效消除镗杆的自 激振动。但是这些刀杆的长径比仍然不能做的很大。也有一些国内公司生 产被动阻尼减振刀杆，成都的一家公司生产的减振镗杆宣称最大长径比可 以达到1 3 ，但是总的来说，国产的大长径l l ( l d 6 ) 减振刀杆市场占有量仍 然比较低。在加工实践中，一般的工厂往往是改变加工工艺参数和工艺方 法来减小刀杆的颤振，但这都是以牺牲加工效率为代价的，无形中增加了 加工的成本。由此看来，设计出性能更好，性价比更高的减振刀杆有很高 的社会价值。 对于磨杆，目前提高其刚度的主流方法仍然是采用高弹性模量重金属 材料，用陶瓷材料来提高其静，动态性能的方法具有一定的创新性和很高 的实用价值。 1 4 本文研究的主要内容 本课题的主要研究任务是陶瓷金属复合结构磨杆的结构设计、优化设 计及性能分析。具体内容如下： ( 1 ) 根据要求进行磨杆的结构设计，其中包括磨杆的具体结构设计，陶 瓷件材料，过渡层材料和金属件材料的选择等。并通过a n s y s 对其结构 进行优化设计，得出最优结构。 ( 2 ) 对设计出的磨杆进行性能分析，主要包括理论分析和有限元仿真计 算。在理论分析中，建立磨杆的参数化模型，研究其结构对静刚度和固有 频率的影响。在有限元仿真计算中，利用a n s y s 建立磨杆的有限元模型， 对磨杆整体进行静刚度计算，对磨杆进行固有频率计算和谐响应分析，通 过对磨杆施加各种频率的激振力，得出其动态响应，计算出其动刚度。研 究结构参数变化对机构剐度和固有频率的影响，最后综合以上分析结果， 跟传统的磨杆进行对比分析。 ( 3 ) 进行动态响应实验。 9 燕山大学工学硕士学位论文 有限元模型可以预测结构在各种载荷与边界条件下的动态特性，但有 限元方法作为一种工程研究的理论方法，计算结果往往跟实际有些偏差， 因此，本人通过动态响应实验对设计成果进行进一步的分析，整理实验所 得的数据，并分析各种因素对实验结果的影响。 1 0 第2 章陶瓷，金属复合结构内圆磨接杆的结构与优化设计 第2 章陶瓷一金属复合结构内圆磨接杆的 结构与优化设计 2 1内圆磨接杆的结构设计 2 1 1 性能要求与设计时应注意的问题 磨杆在加工过程中受冲击载荷比较少，但仍承受几十到几百牛顿的磨 削力，为了保证加工精度，磨杆的静刚度要高；高速加工用磨杆的转速一 般都在每分钟数万转甚至更高，为了在加工过程中避开其临界转速，磨杆 要有较高的固有频率；磨杆在工作中的变形、振动情况跟其在各个频率激 振力下的响应特性直接相关，所以高性能磨杆应该具有好的动态响应特性， 动刚度要高。 在该磨杆的设计过程中，需要注意以下几点： 首先，陶瓷材料的弹性模量比较大，相对金属有较小的密度，但陶瓷 材料抗热冲击性能比较差，韧性低，其强度分布比较分散，同一批陶瓷零 件中强度最好的和最差的性能差别通常比较大，甚至不在同一个数量级上， 并且陶瓷材料的断裂机理决定了其内部缺陷的不可逆转性，这就要求我们 在设计陶瓷材料相关零件时，有些性能指标的计算要采用很高的安全系数， 并采取有效措施防止陶瓷材料零件的失效以及在结构上保证在陶瓷材料零 件失效时机构不会产生严重的后果。这就决定用陶瓷材料制造出的整根磨 杆无法在工程中应用，必须从结构上加以改善，和金属材料配合使用。 陶瓷材料和金属材料的连接问题也是该磨杆设计中的一个比较重要 的问题。大部分陶瓷材料的热膨胀系数比金属低，在我国重工业比较发达 的北方地区，冬天的和夏天的温差一般都在4 0 度以上，要采取相应的措施 防止由于陶瓷、金属热变形差异造成陶瓷件的胀裂。 另外，由悬臂梁受力的弯矩图( 图2 - 1 ) 可以看出，磨杆的最大弯矩出现 在磨杆和内圆磨具的连接处，并且该处的弯曲反映在砂轮端的径向误差最 燕山大学工学硕士学位论文 大，所以应把陶瓷件放在该处，使其最大限度的减少磨杆的变形。根据以 往的设计经验，悬臂梁的动态特性对悬伸端的质量比较敏感，对紧固端的 刚度比较敏感，对横截面上外圈的材料特性比较敏感。综上所述，应采用 陶瓷管金属芯轴的结构，陶瓷管应安放在远离砂轮端。 图2 1 悬臂梁弯矩图 f 培2 - 1 b e n d i n g - m o m e n td i a g r a mo f c a n t i l e v e r 2 1 2 结构设计 2 1 2 1 内圆磨接杆的结构设计与可行性分析第一种结构如图2 2 所示。 在这种结构中，金属芯轴左端的锥度是主要定位面之一，用来平衡陶瓷内 圈和金属芯轴外圈由于热胀系数差异造成的配合的过盈量，在受热时，金 属的变形大于陶瓷，所以金属芯轴轴向伸长比较大，陶瓷管相对于金属芯 轴左端面右移，两零件在锥度上的配合变松，从而达到防止陶瓷管胀裂的 作用。 这种方法有效的解决了金属零件和陶瓷零件的连接问题，但是这种结 构提高了陶瓷零件和金属零件的加工难度，要在内表面加工出精度比较高 的锥度对陶瓷零件来说是比较困难的，并且要通过调整垫片2 的厚度来改 善金属芯轴左端面和陶瓷管的配合，装配难度比较大。另外，这种结构不 能有太大的预紧力，否则在装配时锥度上的径向分力会直接胀裂陶瓷管， 这样，陶瓷管和其他零件的局部接触刚度就比较低，整个磨杆的刚度也会 降低。没有预紧力的存在，磨杆工作时陶瓷管内部将产生很大的拉应力， 增加了陶瓷管失效的可能。 1 2 第2 章陶瓷金属复合结构内圆磨接杆的结构与优化设计 牛7叫。，一x!xxxxxxxxxu 繁 1 一金属芯轴2 一铜垫片3 一陶甓外蒯4 一铜垫片 5 一预紧金属件6 一砂轮7 一挡圈和螺母 图2 2 第一种结构示意图 f i g 2 - 2 s c h e m a t i cd r a w i n go f t y p eo r l e 第二种结构如图2 3 所示。在这种结构中，我们把磨杆与陶瓷管连接 部分做成类似于花键的形式，金属芯轴的最前端带有左旋的螺纹，用来连 接金属预紧件并对陶瓷管施加一个预紧力，使磨杆在正常工作情况下，陶 瓷管内部一直都只有压应力存在或者只存在很小的拉应力。 这种结构的设计思想是：在这种结构下，金属芯轴和陶瓷内圈的接触 近似为线接触或小平面接触，由于金属芯轴在与陶瓷内圈的配合处接触刚 度比较低，在受热时容易发生变形以抵消对陶瓷管内表面的张力。 这种结构也有效的解决了金属芯轴和陶瓷管的连接问题，同时又改进 了上一种结构的许多不足之处，陶瓷管主要定位面除陶瓷内圈外还包括两 个端面，这样，可以通过对其两端面施加预紧力的方法提高各个零件之间 的接触刚度，增大磨杆的整体刚度，同时也等于给陶瓷管一个轴向的压应 力，使磨杆在工作时陶瓷管内部所有点合应力为压应力或只存在很小的拉 应力，从而保护了陶瓷管。 但是这种结构金属芯轴的加工比较困难，生产成本比较高。 第三种结构如图2 - 4 所示，是第二种结构的改进型。在这种结构中， 我们在陶瓷内圈和金属芯轴的结合部分采用了过渡层，用来缓解整个磨杆 在受热膨胀时由陶瓷和金属的热膨胀系数差异所造成的附加应力，同时过 渡层可以选用高阻尼材料以吸收磨削加工时的振动。在这种结构中也可以 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 a a a a 图2 3 第二种结构示意图 f i g 2 - 3 s c h e m a t i cd r a w i n go f t y p et w o 234567 1 一金属苍轴2 一钢垫片3 一陶瓷外圈4 一铜垫片 5 一预紧金属件6 一砂轮7 一挡圈和螺母 图2 4 第三种结构示意图 f i g 2 - 4 s c h e m a t i cd r a w i n go f t y p et h r e e 1 4 第2 章陶瓷金属复合结构内圆磨接杆的结构与优化设计 对陶瓷管施加一定的预紧力以保证磨杆局部接触刚度和为陶瓷管提供 良好的受力环境。这种结构使金属芯轴的加工难度大大降低，过渡层的存 在也增加了一些装配上的难度，但这t p , 力n m 花键轴成本要低很多，而由于 过渡层的阻尼特性，整个磨杆的动态性能优于以上各种结构，具有很高的 生产价值。 综上所述，第三种方案具有很高的经济性，并且在静刚度和动态性能 上较以往传统的磨杆有较明显的提高，故采用第三种方案。 2 1 2 2 内圆磨接杆的具体结构设计该陶瓷金属复合结构磨杆的具体 结构见图2 5 。 图2 - 5 磨杆结构简图 f i g 2 5 s c h e m a t i cd r a w i n go f t h es p i n d l e ss t r u c t u r e ( 1 ) 材料的选择过渡层材料：过渡层对金属和陶瓷材料的变形起到了 缓冲作用，并要吸收一部分磨杆的振动能量，所以过渡层要有一定的弹性， 且弹性模量不能太大，要有很好的阻尼特性，要有一定的强度，与金属材 料和陶瓷材料都有比较好的亲和力。根据对各种方案的分析和对比，以及 借鉴陶瓷柱塞和陶瓷轧辊中陶瓷，金属的连接工艺，选择有机胶粘剂作为 过渡层对金属芯轴和陶瓷材料进行胶接或直接在陶瓷管内表面喷涂阻尼材 料。 在对金属芯轴和陶瓷管进行胶接时，为了防止高温时因两材料热膨胀 系数相差悬殊而产生内应力，胶黏剂应选用固化温度较低，韧性较好的环 氧树脂胶黏剂，最好是室温固化。也可选用室温固化、韧性较好的快固丙 烯酸酯胶黏剂【3 0 】。 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 本人拟采用某公司生产的改性丙烯酸酯胶，这种环氧树脂类胶为结构 胶粘剂，主要用于刚性粘接，可用于钢、铁、铝、铝合金、钛、不锈钢、 a b s 、p v c 、尼龙f 聚酰氨) 、聚碳酸酯、有机玻璃( 聚甲基丙烯酸酯) 、钢化 玻璃、聚酯树脂、聚氨酯、水泥、陶瓷、木材、层压板等同种或异种之间 的粘接，该胶有以下突出的优点： 第一，室温快迅固化，5 1 0 分钟定位，3 0 分钟可达使用强度，2 4 小 时后达最高强度，可进行油面粘接；只需打磨，无需脱脂，强度无明显降 低，减小了装配的难度。 第二，剪切、冲击、剥离强度高，综合性能好，钢、陶瓷连接常温拉 剪强度 2 0 m p a ；冲击强度 2 0 k j m 2 。这就确保了陶瓷金属连接的强度。 第三，耐酸碱介质性好，耐水性好，耐油性甚佳。耐湿热和大气老化， 耐久性好。充分固化2 4 小时后，在一6 0 至1 2 0 c 下均可使用，这就保证 了连接的可靠性。 目前该产品也普遍地应用在陶瓷柱塞的粘接上，技术比较成熟【3 ”。 金属芯轴材料：金属芯轴内部在工作时受很大的拉应力和频率很高的 交变应力，并且其失效会产生比较严重的事故，因此要采用抗拉强度、断 裂韧性等综合力学性能比较好的材料来制造，另外，为了提高磨杆的静态 和动态性能，要尽量采用弹性模量比较大，密度比较小的材料，现采用4 0 c r 合金钢，其弹性模量2 0 0 6 p a ，密度7 8 9 c m 3 ，淬火和回火后强度和屈服 点都比4 5 钢高很多，淬透性也比较好【3 2 】，但是如果零件形状比较复杂， 在冷水中淬火易形成裂纹，故在油中淬火比较适宜p ”4 1 ，对其进行调质处 理以改善综合力学性能。 金属预紧件材料：因为金属预紧件在工作时内部不会产生很大的应力， 因此在选择材料时对其断裂韧性，抗拉强度等一些性能要求相对较低，主 要选择原则是尽可能多地增加其静刚度和改善其动态性能，即在减少密度 和增大弹性模量之间找一个平衡点。根据以上要求，钛合金和4 0 c r 合金钢 可以作为侯选材料【3 5 】。 陶瓷管材料：陶瓷管材料要有比较高的弹性模量和比较低的密度，要 有很好的经济性，常见的几种陶瓷材料的性能列表见表2 1 。 1 6 第2 章陶瓷金属复合结构内圆磨接杆的结构与优化设计 从表中可以看出，碳化硅的弹性模量最大，密度最小，是理想的陶瓷管材 料，但是氧化铝在该领域应用比较普遍，国内大部分陶瓷生产加工厂家都 能烧结出机械性能好，质量稳定的氧化铝陶瓷，其生产成本低，密度和弹 性模量与碳化硅不相上下，而国内碳化硅陶瓷的烧结和加工工艺水平远不 如氧化铝，考虑到工艺上的原因，选用氧化铝作为陶瓷管材料p 。 ( 2 ) 具体结构的设计为了便于生产加工试验，该磨杆是根据学校现有 设备m 1 4 3 2 a 设计，磨杆左端是莫氏3 号锥度，锥度后端有m 1 4 左旋螺纹 用来紧固磨杆，在锥度的右端铣出两个小平面，以方便磨杆的拆卸和陶瓷 表2 - 1 几种陶瓷材料性能 t 曲l e2 1p e r f o r m a n c eo f s o m ec e r a m i c s 种类 单位氧化铝增韧氧化铝氧化锆氮化硅碳化硅 蒯 符号 9 9 a 1 2 03 z t a 2 0 z r 0 2 s i ，n 。 s i c 密度 g c m 3 7 3 9 95 56 03 23 2 硬度h vk m m 2 3 0 0 2 7 0 01 4 7 1 ) 1 5 0 01 3 0 0 1 5 0 0”0 02 3 5 0 2 4 5 0 抗弯强度a 3 0 0 4 0 07 0 01 0 0 0 1 5 0 09 0 0 4 5 0 8 0 0 抗压强度m p a2 8 0 0 3 5 0 02 0 0 02 0 0 0 3 5 0 0 2 2 5 0 3 0 0 0 断裂韧性 m p am 0 2 2 45 61 1 07 04 5 弹性模数g p a4 0 72 6 02 1 0 3 2 0 4 1 0 泊松比0 20 2 30 30 2 60 1 6 热涨系数1 0 呻c 。 6 5 8 69 41 0 53 24 3 管的预紧。金属芯轴前端圆柱要加工出用于对中金属预紧件的余量，金属 预紧件的内螺纹孔可以钻的深一些，这样由于头部重量的减轻可以提高整 个磨杆的动态性能。 2 2内圆磨接杆的优化设计 上一节给出了陶瓷金属复合结构磨杆的基本结构，本节将针对这种结 构对磨杆的一些尺寸和材料的选择进行优化。 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 2 2 1陶瓷管内径和预紧力的计算 2 2 1 1 磨削力的计算磨削力的公式3 7 】表示如下 c = c f 圪s , s i v o + c c = ( c f v j r b i v o ) t g c t 二 式中e ，c 一分别为切向和径向磨削力，n 圪一工件速度，m s 矿一砂轮速度，r r d s ，一径向进给量，r n n l b 一磨削宽度，i n l n “一工件和砂轮间摩擦系数 g 一切除单位面积的切屑所需的力，n r a m 2 a 假设磨粒为圆锥形时的锥顶半角( 具体数值见表2 - 2 ) 表2 - 2c f 值 工件材料花冈岩硅纯铁铸铁高速钢 c r ( n r a m 2 ) 4 3 0 05 5 0 02 8 0 04 9 0 01 8 0 0 0 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 事实上，磨削时每颗磨粒有多个顶尖，因而会出现多个顶锥角，按统 计规律知，顶锥角2 在8 0 01 4 5 0 之间变动。 针对本课题设计的磨杆典型的应用情况，在磨削铸铁时，取值如下： c f = 4 9 0 0 n r a m 2 ；匕= 4 8 m m i n = 0 8 m s ；，- - 0 0 1 r a m ；b = 3 0 r a m ； v = 3 0 r e s ：岱2 4 5 。；“卸1 6 。 计算得，e = 6 2 n ；f = 4 9 n ；两个力的合力f = 8 0 n 。 2 2 1 2 最小陶瓷管内径的确定和预紧力计算给陶瓷管施加预紧力的目 的是使陶瓷管在正常工作受力情况下，内部不存在或只存在很小的拉应力， 因此，预紧力的大小跟陶瓷管的危险横截面的受力情况来确定。 陶瓷管在工作时的危险截面是陶瓷管受弯矩最大的横截面，即远离砂 轮端那个截面，我们在磨杆的靠近砂轮那端施加8 0 n 的径向力，以模拟磨 1 8 星! 要堕鋈：垒星墨盒堑塑塑婴壁茎笪塑丝塑兰垡垡垄生 杆所受切削力，则在危险截面受到的弯矩为 m = f 三