（机械制造及其自动化专业论文）深孔镗床镗杆的静动态分析及优化.pdf

一 、1 ： - o t h es t a t i ca n dd y n a m i c a n a l y s i so ft h ed e e ph o l eb o r i n gs t e ma n d o p t i m i z a t i o n b y b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a nz h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rx mz h o u a p r i l ，2 0 1 1 76帅758眦8iiiiiy 1 i i 一_ 0 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者龋彩刍 日期：护，年石月夕日 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，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。本人授权兰州理工大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：彩勿古箴日期：阳，年6 月夕日 导师签名秘 眺刎r 6 月。c 日导师签名：秒 醐2 刎r 6 月c 日 r ， 州! - 兰州理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i i i 第1 章绪论l 1 1 课题背景l 1 2 国内外深孔加工镗杆减振研究现状和发展水平2 1 3 课题来源及主要研究内容5 第2 章深孔镗床镗削分析6 2 1 深孔拉镗机床介绍6 2 1 1 拉镗机床总体结构6 2 1 2 镗床工作流程6 ，2 2 金属切削振动对深孔镗削稳定性的影响一7 2 2 1 深孔镗削过程中的自激振动一8 2 2 2 深孔镗削过程稳定性分析9 2 3 深孔镗杆静力学理论分析1 2 2 4 深孔镗杆的振动力学理论分析1 3 2 5 本章小结l5 第3 章深孔镗削加工方式分析1 6 3 1 深孔镗削加工的分类1 6 3 1 1 推镗法1 6 3 1 2 拉镗法1 7 3 2 深孔镗削加工形式分析一1 7 3 2 1 工件固定，刀具旋转且同时做进给运动1 7 3 2 2 工件旋转，刀具只做进给运动而没有旋转。1 8 3 2 3 刀具与工件同时旋转，且刀具做进给运动1 9 3 3 镗杆在推镗和拉镗时的静力分析一1 9 3 3 1 有限元分析在镗杆设计中的应用一1 9 3 3 2 镗杆系统静力分析概述2 l 3 3 3a n s y s 线性静力分析的基本步骤2 l 3 3 4 镗杆静力分析2 2 3 4 镗杆在推镗和拉镗时的动力学分析。2 5 3 4 1 镗杆的模态分析2 6 ，t 一 深孔镗床镗杆的静动态分析及优化 3 4 2 镗杆的谐响应分析2 7 3 5 本章小结一2 9 第4 章镗杆直径和弹性支撑对深孔镗削的影响分析3 0 4 1 镗杆直径对横向振动的影响3 0 4 2 镗杆直径对扭转振动的影响3 2 4 3 弹性支撑对镗杆振动的影响3 3 4 4 深孔镗削振动的抑制方法3 4 4 5 镗杆和弹性支撑的静力分析3 5 4 5 1 基于a n s y s 的镗杆直径分析3 5 4 5 2 基于a n s y s 的弹性支撑分析3 9 4 6 本章小结4 2 第5 章基于a n s y s 的镗杆结构优化4 3 5 1 优化设计简介4 3 5 1 1 优化设计的相关概念4 3 5 1 2 优化设计的过程与步骤：4 4 5 2 镗杆结构的优化4 5 5 2 1 优化过程4 5 5 2 2 优化结果分析一4 6 5 3 本章小结4 7 结论及展望4 8 1 总结4 8 2 展望4 9 参考文献5 0 致谢5 3 附录a 攻读硕士研究生期间发表的论文5 4 一， 兰州理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，深孔加工技术广泛地应用于机械加工领域，并且要求 越来越高，特别是对加工精度的要求也愈来愈严格。深孔镗削是提高深孔加工精 度的一种方法，它能校正己有孔上的缺陷，如圆度误差、直线度误差，从而获得 良好的几何精度和表面粗糙度。但是，随着被加工孔长径比的增大，深孔镗削的 振动问题愈加尖锐，成为机械制造业的重要研究课题。 拉镗机床是加工深孔零件的重要设备之一，在深孑l 镗削过程中，由于深孔加 工特殊的加工环境，镗杆尺寸和形状都要受到一定的限制，造成刀具直径小、悬 伸长、刚性差，易产生振动，这将严重影响加工质量。 本文研究镗杆的切削过程，所选用镗杆的长径比为5 0 ( l d = 4 0 0 0 8 0 ) 。利用 软件a n s y s 对方程进行精确求解，具体包括： 首先从深孔镗削加工的分类、深孔镗削的运动形式等方面进行了研究。应用 有限元模型对镗杆进行了静力学分析，分析了镗杆在推镗和拉镗时的受力变形， 为推镗改拉镗提供了力学依据；并且对镗杆结构的动态特性进行研究，通过模态 分析得到前1 0 阶固有频率，在此基础上做谐响应分析，得出镗杆在受到外界激励 的作用下，产生共振的频率，为推镗改拉镗提供动力学依据。 其次分析了不同直径镗杆对横向振动和扭转振动的影响，再次利用有限元分 析软件a n s y s 对整个镗杆系统做静力分析，得到各个镗杆挠度以及应力的关系； 同时对弹性支撑的形状进行静力学分析，得到不同形状的弹性支撑件对深孔镗削 的影响。 最后利用a n s y s 参数设计语言对镗杆进行参数化建模，以空心镗杆截面内 外径为设计变量进行优化，得出最优解。 关键词：拉镗；推镗；振动分析；静动态分析；有限元；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 fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yo fd e e ph o l e p r o c e s s i n gi sw i d e l yu s e di nm e c h a n i c a lp r o c e s s i n gf i e l d ，a n dr e q u i r e sh i g h e rq u a l i t y , e s p e c i a l l yf o rm a c h i n i n ga c c u r a c y d e e p h o l eb o r i n gi saw a yt oi m p r o v e t h ep r e c l s l o n o ft h ed e e ph o l ep r o c e s s i n g ，w h i c hc a nc a l i b r a t eh o l e s d e f e c t sb yi t s e l f p u l l i n gb o r i n gm a c h i n ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t t om a n u f a c t u r e d e e ph o l ep a r t s d u r i n gt h ed e e ph o l eb o r i n g ，t h es p e c i a lm a c h i n i n g e n v i r o n m e n t r e s t r a i n sb o r i n gb a r ss i z ea n ds h a p e ，c a u s i n gs m a l ld i a m e t e r , l o n ge x t e n d e dl e n g t h ， b o r i n gb a f ，sr i g i d i t yw e a k n e s s ，a n de a s yv i b r a t i o ni n t h ep r o c e s s i n g ，w h i c hw i l l s e r i o u s l ya f f e c tm a c h i n i n gq u a l i t y t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ep r o c e s so fc u t t i n gt h eb o r i n gb a r , w h o s ed r a w r a t i oi s 5 0 t h ed y n a m i ce q u a t i o no ft h eb o r i n gb a rs y s t e mi ss o l v e da c c u r a t e l y ；i t sd y n a m l c s p e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da n di t ss t r u c t u r ei so p t i m i z e db y u s eo ft h es o f t w a r ea n s y s i n c l u d i n gb e l o w ： f i r s t l y ，t h i sp a p e r ，sr e s e a r c hb e g i n sf r o mt h ec l a s s i f i c a t i o n o fd e e ph o l e s p r o c e s s i n gs e r i e sa n di t sf o r m so f e x e r c i s e a na p p l i c a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l m a k e sa na n a l y s i so ft h eb o r i n gb a ro fs t a t i c s ，a n da n a l y z e st h es t r e s s e dd e f o r m a t i o n d u r i n gt h ep u l lb o r i n ga n dp u s hb o r i n gl e v e rt op r o v i d em e c h a n i c a lb a s i s f o rb o r i n gt o p u s hi n t op u l lb o r i n g ，a n dr e s e a r c h e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f b o r i n gr o d s t r u c t u r e t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h em o d a l ，w eg e tt o p10o r d e rn a t u r a lf r e q u e n c y w ea n a l v z eh a 眦o n i cr e s p o n s eo nb a s i so f i ta n dd r a wac o n c l u s i o nt h a tt h eb o r i n gb a r w i l lp r o d u c et h ea c t i o no ft h ef r e q u e n c yo fr e s o n a t i n gu n d e r e x t e r n a le x c i t a t i o nt o p r o v i d ed y n a m i cb a s i sf o rp u s h i n gb o r i n gi n t op u l l i n gb o r i n g s e c o n d l y , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ei m p a c to f d i f f e r e n td i a m e t e rb o r i n gb a rt o t o r s i o n a lv i b r a t i o na n dt r a n s v e r s ev i b r a t i o n ，u s i n gf i n i t ee l e m e n t t oa n a l y z es o f t w a r e a n s y sa g a i na n dt h es t a t i co ft h ew h o l eb o r i n gb a rs y s t e ma n dg e ta l lo fp o l e s d e f t e c t i o na n dr e l a t i o n so fs t r e s s ；m e a n w h i l ea n a l y z et h es h a p e so f e l a s t i cs u p p o r tb y s t a t i c s ，g e tt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n ts h a p e so fe l a s t i cs u p p o r ti nd e e ph o l et h i n g f i n a l l y ，t h eb o r i n gb a r sp a r a m e t e r i z a t i o nm o d e l i sb u i l tb yt h ea n s y s p a r a m e t r i cd e s i g n i n gl a n g u a g e ，a n dt h es e c t i o nd i a m e t e ro f h o l l o wb o r i n gb a ri s r e g a r d e da sad e s i g n v a r i a b l et oo p t i m i z ef o rg e t t i n gt h eb e s ts o l u t i o n k e vw o r d s ：p u l lb o r i n g ；p u s hb o r i n g ；v i b r a t i o na n a l y s i s ；s t a t i ca n dd y n a m i c a n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n t ；o p t i m i z a t i o n ， 兰州理工大学硕士学位论文 插图索引 图1 1 东芝公司的减振镗杆图。2 图1 2 三菱公司的镗杆图2 图1 3s a n d v i k 公司产品图一3 图2 1 拉镗床总体结构示意图6 图2 2 深孔镗削中自激振动示意图一8 图2 3 镗削过程示意图9 图2 4 深孔镗削系统控制作用框图1 0 图2 5 式( 2 8 ) 左侧和右侧在复平面上的轨迹1 l 图2 6 深孔镗削静力学分析示意图1 3 图2 7 深孔镗刀杆单元力学模型示意图。1 4 图3 1 推镗工作原理示意图1 6 图3 2 拉镗工作原理示意图1 7 图3 3 工件固定、刀具旋转的加工示意图1 8 图3 4 工件旋转、刀具固定的加工形式示意图1 9 图3 5 网格划分图2 0 图3 6 镗杆几何模型2 2 图3 7 镗杆的简化装配有限元模型2 2 图3 8 拉镗受力图2 4 图3 9 推镗受力图2 4 图3 1 0 在a n s y s 中拉镗受力图2 4 图3 1 1 在a n s y s 中推镗受力图2 4 图3 1 2 拉镗时镗杆的变形和等效应力图2 5 图3 1 3 推镗时镗杆的变形和等效应力图。2 5 图3 1 4 镗杆前十阶振动频率2 7 图3 1 5 推镗和拉镗时位移u x 响应振幅随时间变化的曲线。2 8 图3 1 6 推镗和拉镗时位移u y 响应振幅随时间变化的曲线2 8 图3 1 7 推镗和拉镗时位移u z 响应振幅随时间变化的曲线。2 9 图4 1 深孔镗杆在镗床上的结构示意图3 2 图4 2 镗刀结构图一3 3 图4 3 弹性支撑模型3 4 图4 4 不加载时镗杆受力简图3 5 图4 5 加载时镗杆受力简图3 5 图4 6 内外径为( 8 0 ，6 0 ) 镗杆的变形和等效应力图。3 6 m 。 j 深孔镗床镗杆的静动态分析及优化 图4 7 内外径为( 8 5 ，6 0 ) 镗杆的变形和等效应力图。3 6 图4 8 内外径为( 8 5 ，5 0 ) 镗杆的变形和等效应力图。3 7 图4 9 内外径为( 8 0 ，6 0 ) 镗杆的变形和等效应力3 7 图4 1 0 内外径为( 8 5 ，6 0 ) 镗杆的变形和等效应力图3 8 图4 1 1 内外径为( 8 5 ，5 0 ) 镗杆的变形和等效应力图3 9 图4 1 2 支撑件的形状4 0 图4 1 3 支撑杆的几何模型4 l 图4 1 4 弹性支撑的结构及受力示意图4 1 图4 1 5 支撑杆网格划分以及受力图4 l 图4 1 6 支撑杆l 变形和应力云图4 2 图4 1 7 支撑杆2 变形和应力云图4 2 图5 1 镗杆优化设计序列。4 6 图5 2 镗杆内外径r - s e tn u m b e r 关系曲线图一4 7 i v ，y 兰州理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 深孔加工是机械加工的一个重要分支，同时深孔加工工艺理论也是机械加工 研究的重要课题。二十世纪六十年代以前，深孔加工技术最初应用于国防军工制 造业，加工枪管和炮筒。随着科学技术的发展，深孔加工技术已经运用到各个机 械制造部门，如石油化工机械，航空工业，造船，冶金，发电设备等，特别是近 年来随着宇航制造业，原子能工业，电力工业等行业的迅速发展，对机器及其零 部件的综合性能提出了更高的要求。高、精、尖产品越来越成为加工业追求的目 标，在很多情况下，为了满足加工的要求，对刀具的性能提出了更高的要求，机 械加工中刀具的抗振成为机械制造业的重要课题，这种情况在深孔镗削技术上表 现的格外明显【l 】。 通常，长径比小于4 的镗杆在加工工件时不会产生振动。但是在许多应用中， 例如在车内螺纹和内表面开槽时，振动有可能在长径比为2 3 之间时就开始了1 2 j 。 当镗杆受到一个持续的切削力时，杆长从杆直径的4 倍增加到1 0 倍时偏差将增加 1 6 倍。在同样的切削力作用下，杆长进一步增加到杆直径的1 2 倍时，将增加另 外的7 0 的偏差。对于同样的切削力，保持镗杆的长度不变的情况下杆直径由2 5 m m 增加到3 2 m m 会减少6 2 的偏差。也就是说，在镗杆的长径比大于4 倍时，镗杆本 身的刚度已经明显达不到加工的要求1 3 4 j 。 由于深孔镗削是在封闭或半封闭的状况下进行，不能直接观察刀具的切削情 况，而且切削热不易传散，镗削排屑困难，工艺系统刚性差，因此切削效果不理 想。深孔镗削兼有普通镗削和深孔钻削的特点，镗削振动是普通镗削存在的主要 问题，并随着被加工孔长径比增大而愈加尖锐【5 j 。深孔镗削除了普通镗削存在的 振动问题外，由于被加工长径比较大，容易在被加工孔表面形成螺旋沟，严重影 响孑l 的加工精度，并对刀具的耐用度产生直接的影响。为了避免发生振动或减小 振动，有时不得不降低切削用量，致使机床、刀具的工作性能得不到充分发挥， 限制了机械加工生产效率的提高；加工中发生的高频振动，有时还会伴随产生一种 刺耳的尖叫声，造成噪声污染，危害操作者的身心健康。 以上问题均要求提高传统深孔加工方法的水平，开发新的制造技术与工艺方 法。因此，本文根据深孔加工的特点，对镗削机理进行研究，建立振动模型，分 析影响深孔镗削振动的主要因素：减小或抑制深孔镗削加工中的振动，避免螺旋沟 的产生；并对深孔镗杆的内外径进行优化，提高深孔镗削系统的抗振性，以提高深 深孔镗床镗杆的静动态分析及优化 孔镗削的技术水平。 1 2 国内外深孑l 加工镗杆减振研究现状和发展水平 随着深孔加工模型的建立与应用，深孔加工过程中产生的振动渐渐引入人们 的视线，国内外各个专家对减小振动做了各种尝试。就目前国内外的研究现状来 看，减小振动的一般措施有两种【6 l ：其一是提高刀杆的静刚度；其二是通过一些特 殊技术提高刀杆的动刚度。 提高刀杆的静刚度的措施一般是采用硬质合金材料来增加刀体的强度。日本 东芝公司的t s u p p ri ic h i b a n 镗杆【7 】就是采用硬质合金材料来增加刀体强度。图 1 1 为东芝公司开发的减振刀杆，具体措施是在刀杆的两边平行的嵌入刚度和强 度大的硬质合金材料。 图1 1 东芝公司的减振镗杆 这种刀具的原理很简单，但是由于受到两条加固材料的刚度、厚度以及它与 刀体粘结的紧密程度的影响，因此这类刀杆的长径比的值也受到一定得限制，一 般用于切削力比较小的场合。 提高刀体的动刚度有两种途径：一是优化刀体的几何形状；二是给刀杆内置 减振系统1 8 , 9 】。在优化刀体几何形状方面主要采取的方法是在不太影响刀体静刚度 的情况下，通过计算机模拟的方法进行优化设计来减轻刀头的重量，并采用特殊 结构。日本三菱公司【1 0 】的d a m p b a r 、f s c l p f 、s t u p 系列镗杆就是采用这种方法研 制的。其结构如图1 2 所示。 图1 2 三菱公司的镗杆 2 兰州理工大学硕士学位论文 从材料力学的角度进行分析可以知道，这种刀具利用了细长杠杆的端部应力 的边缘效应，即杠杆端部受垂直于杠杆的作用力时，杠杆端部靠上的那部分的内 应力比较小，因此可以忽略不计。当刀杆头部所受的作用力偏离中心时，头部远 离作用力的部分内应力比较小，同时刀杆的动刚度在很大程度上得到了改良。但 是应当指出的是这种刀具并不完善，采用头部切除法具有很大的局限性，其长径 比不可能达到很大。 在给刀杆内置减振系统方面，主要是在刀杆前端加装一个由弹性体和质量快 构成的冲击减振装置来达到减振的目的。最典型的产品就是瑞典s a n d v i k 公司研 制生产的5 7 0 - 2 c 、5 7 0 3 c 系列防振镗杆【1 1 。1 3 1 。 瑞典s a n d v i k 公司的减振刀具是目前世界上最先进的刀具( 刀杆最大长径比 l d = 1 6 ) ，其结构如图1 - 3 所示，它所采用的方法是给镗杆内置减震器，此镗杆虽 然提高了刀体的动刚度，但也有它的局限性，例如减振块材料密度的增加受到限 制，阻尼器的寿命严重影响这种刀具的使用寿命等【1 4 】。 图1 3s a n d v i k 公司产品图 美国的k e n a m e t a l 公司生产的减振刀具( 刀杆最大长径比l d = 8 ) 主要就是 采用特殊的材料制成，也是属于提高刀杆静刚度的那一种【1 5 1 。 日本京瓷于2 0 0 9 年3 月2 1 日上市了一款可以提高排屑性能的内径加工镗杆 “d y n a m i cb a rs d u c 型 ，将同类产品不到1 0 的排屑率提高到了9 5 以上【1 6 1 。 目前在国内，也有一些科研机构、专业的工具厂商正在针对减小镗杆振动的 理论和实践方面开展一些研究。江西量刃具厂、成都工具研究所、华北工学院、 西安理工大学、西安石油大学、北京科技大学、大连理工学院等单位在深孔加工 技术研究方面处于领先水平。大连理工学院应用有限元法对测力轴承的结构进行 校验和分析，找出最优结构，对深孔钻削加工检测进行了研究1 1 7 】。广西工学院研 3 深孔镗床镗杆的静动态分析及优化 制出一种用于数控机床的高效深孔钻【1 8 】，解决了数控机床上加工小直径深孔 ( 咖 2 0 ，5 t d 3 2 ) 的问题。西安石油大学深孔加工技术研究所研究设计了多尖齿 内折线深孔钻【1 9 】，它是在普通内排屑深孔钻头的基础上，对钻头的结构和刃型做 了有效地改进。 一汽大众和上海大众的轿车生产线，已经有百分之十的刀具使用的是国产刀 具。到目前为止，这些已经国产化的刀具设计采用的方法都是增加刀杆静刚度或 者提高刀片的刚度，还没有使用增加刀杆动刚度的方法【2 0 1 ，如我国一汽集团公司 工具研究所研制的z w 一9 3 钨基重合金深孔镗杆。 大连铁道学院的赵永成副教授【2 1 】等，在精镗孔中采用挤压液膜阻尼技术。该 技术是由阻尼套和被加工的孔构成的，利用阻尼套的外表面和加工孔的内表面形 成的间隙，让间隙充满液体。在主轴运转过程中，当镗杆作径向振动时，形成间隙 的两个表面相互趋近，使间隙内的液体受到挤压，从而形成挤压液膜。形成的挤压 液膜能产生阻碍阻尼器间隙变化的阻尼力，这种阻尼力的实质是纯液体摩擦，它能 够耗散镗杆的振动能量，减小其振动振幅，从而改善系统的动态性能，提高精镗孔 的加工质量。 梅德庆：孔天荣【2 2 , 2 3 】等发明了一种基于磁流变液的自抑振智能镗杆构件，根 据磁流变液材料可在液、固态之间进行快速、连续、可逆转化的特性，将其应用于 镗杆动态特性的调节过程，通过调节作用在磁流变液材料上的磁场强度，实时地 改变镗杆的动态特性，使镗杆固有频率能及时避开颤振频率区，有效的抑制镗削 过程颤振发生。 马秋成【2 4 】等对细长镗杆进行了研究，并通过有限元对镗杆进行了静态分析、 模态分析、谐响应分析找出最佳的刀杆设计方案，提高刀杆的抗振能力。 从模态耦合的角度，张红卫【2 5 】等分析了深孔镗削加工过程中自激振动产生的 原理，分析加工过程中切削颤振机理，迸一步总结出为避免切削颤振，镗杆应安 装的合理角度。 针对细长杆尤其是石油化工企业常用的裂解管加工，国内尚没有最佳报道， 但是据了解，烟台百事特和久保田两家企业采用技术改造的方法，因为技术保密， 具体结构还不太清楚。 纵观国内外发展现状，为了适应现代化工业的发展，提高深孔加工零件的质 量和性能，镗杆切削振动机理研究以及减振镗杆的研制与应用已成为国内外学者 们关注热点。然而，尽管目前大多学者在该领域中已做了大量的工作，但未能详 细研究深孔拉镗机床在工作时，镗杆的受力情况，进而降低了镗削振动理论的广 泛性以及减振镗杆的实用性。本课题将在现有的切削振动理论的基础上，针对非 传统镗削工艺拉镗机床，研究它在镗削过程中产生振动的机理，并提出可行的减 震措施。 4 兰州理工大学硕士学位论文 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于兰州石化实际应用项目，对现有的深孔镗床进行了改造，将推 镗机床改为拉镗机床，可以对孔径为巾1 0 0 m m - 由1 2 5 m m ，长4 0 0 0 m m 的细长管内孔 进行加工。 但是在改造过程中，镗杆直径的确定和弹性支撑件的长度、直径、结构以及 数量须进行进一步的深化研究以及优化。镗杆的长径比较大，静刚度较弱，当切 削力较大时，镗杆易产生振动。支撑件的形状和数量不同，对镗杆的振动影响也 不同。针对拉镗镗杆在深孔加工中存在的问题，本课对以下几方面进行了研究： ( 1 ) 分析了深孔镗削过称中的自激振动问题，并对深孔镗杆进行了静力学和动 力学理论分析，从对深孔镗杆的受力分析，可以得出深孔镗削加工振动的基本方 程公式，为深孔镗刀和镗杆的力学分析打下了基础，为进一步分析镗杆受外力和 扭矩做铺垫。 ( 2 ) 对推镗和拉镗两种加工形式下镗杆系统进行静动态仿真分析，从而为推镗 改拉镗的改造提供实验依据。 ( 3 ) 分析镗杆直径和弹性支撑形状对深孔镗削的影响，研究其应力应变，得出 镗杆直径和弹性支撑件形状对拉镗镗杆的振动的变化规律。 ( 4 ) 对镗杆系统进行优化分析，通过a n s y s 参数设计语言对镗杆进行参数化 建模，在此基础上，建立优化参数并计算，确定出最优的设计方案。在满足所有 设计要求的基础上，镗杆的所需的支出( 如重量，面积，体积等) 最小。 5 深孔镗床镗杆的静动态分析及优化 第2 章深孑l 镗床镗削分析 2 1 深孔拉镗机床介绍 2 1 1 拉镗机床总体结构 拉镗机床改造的总体设计简图如图2 1 所示。镗削过程中镗杆始终处于受拉 伸状态下进行工作，镗头沿镗杆前进的方向做进给运动；采用双动力头分别驱动 工件和镗杆，根据不同类型管件加工要求，选择不同的运动方式，以保证加工精 度：设计弹性浮动支撑，镗刀采用五片刀刃专用刀具，五片刀刃同时切削，提高 加工效率。 图2 1 拉镗机床总体结构示意图 1 一主轴箱；2 一镗刀；3 一弹性支撑；4 一工件；5 一工件支架：6 一授油器前支撑； 7 一授油器；8 一授油器后支撑；9 一镗杆支撑架；1 0 一机身；1 l 一镗杆； 1 2 一走刀丝杠；1 3 一托板；1 4 一镗杆驱动箱； 1 5 一走刀驱动箱： 2 1 2 镗床工作流程 1 、装夹工件：工件一端插入主轴箱的三爪夹盘中夹紧，另一端插入受油器前 端的锥孔中，打开受油器夹紧油缸，受油器向前移动顶紧工件后，关闭受油器夹 紧油缸，调节中间两个支撑架夹紧工件。 2 、快进镗杆：按下快进按钮，使镗杆快速进入铸管毛坯孔内，直至镗杆前端 的刀杆伸出工件前端( 三爪夹紧端) 1 0 0 - 1 5 0 m m 。 3 、装镗刀：在三爪夹盘和主轴连接板的空挡处，先将弹性支撑装上刀杆，并 能使其转动灵活，再装上隔套和镗刀，用螺母拧紧。 4 、快退镗杆：按下快退按钮，镗杆快速后退，使弹性支撑与工件毛坯内孔接 触，直至不能快退为止，将镗杆撑正。 5 、打开受油器四个切削液的进油泵，至正常进油。 6 兰州理工大学硕士学位论文 6 、打开主轴启动按钮，按下变频器运转按钮，使镗杆转动。频率设定在 5 5 6 0 h z ，镗杆转速在1 0 0 1 0 7 r m i n 。 7 、打开迸给开关，调节进给速度旋钮，再开始镗孔的前5 0 m m 内进给速度为 0 1 0 - 0 1 5 m m m i n ，镗进5 0 m m 后进给速度逐步调节n o 2 8 - 0 3 0 m m m i n 。 8 、根据管长，调节行程开关的撞块。 9 、待镗完整个铸管后，调节进给速度旋钮至零位，关闭进给开关，关闭受油 器切削液油泵。 1 0 、打开受油器松开开关，使受油器夹进油缸向后移动，松开工件。然后手 动向后移动受油器3 0 0 m m 左右。 1 1 、按下快退按钮，快退镗杆1 5 0 - 2 0 0 m m 。 1 2 、按安装镗刀的相反顺序卸下镗刀、隔套和弹性支撑。 1 3 、松开三爪，取出镗好的工件。 1 4 、扩校弹性支撑的弹簧杆，保证弹性支撑直径为0 1 1 4 - 0 1 1 5 m m ，并保证对 称度不超过0 5 m m 。 2 2 金属切削振动对深孔镗削稳定性的影响 在机械加工过程中，工艺系统有时会发生振动，即在刀具切削刃和工件上正 在被切削的表面之间，除了名义上的切削运动外，还会叠加上一种周期性的相对 运动一切削振动。切削振动会招致一系列不良的影响，有时会带来相当严重的后 果。首先刀具和工件之间的切削振动不仅使工件和刀具的相对位置和速度发生变 化，恶化了切削过程，而且是限常 j a n 工质量和切削效率的主要因素：其次，出现 振动时，实际的瞬时背吃刀量将在设定的名义被吃到量附近波动，不仅使机床和 刀具在动载荷下工作，加速了两者的磨损和精度丧失，从而降低了机床的使用寿 命和刀具的耐用度，而且如果振动严重时，刀刃有时会跳离工件，背吃刀量降至 零，而有时刀刃又会深深地扎入工件，其瞬时背吃刀量可以比名义值大好几倍； 振动还使得刀具的实际前角和后角周期性的变化。这些因素将引起一个周期交变 的动态切削力，其幅值可能比没有振动时的静态切削力还要大这种交变的动态切 削力会促使刀具切削部分疲劳，引起崩刀，打刀，而且使机床和夹具的有关部位 加速磨损，松动，丧失精度。此外，强烈的振动还会产生很大的噪音，污染环境， 危害操作者的健康【2 6 1 。 任何机械振动按其产生的原因可以分为以下三种【2 7 】： ( 1 ) 自由振动：当机械系统受到干扰而破坏了其平衡状态后，由系统的弹性恢 复力来维持的振动。当系统有阻尼时，由于在振动过程中只有能量消耗而无输出， 振动将逐渐衰减。自由振动的频率就是系统的固有频率。 ( 2 ) 强迫振动：有外界持续的激振力引起和维持的振动。振动的频率就是激振 7 深孔镗床镗杆的静动态分析及优化 频率。 ( 3 ) 自激振动：系统在一定的条件下，没有外部激振力而由系统本身产生的交 变力激发和维持的一种稳定的周期性振动。振动的频率接近于系统的固有频率。 本节主要研究深孔镗削过程中的自激振动问题，它是系统中内部的“寄生反 馈 所引起的，并无外界交变的激振源，其振动是由于内部原因，及内在反馈引 起的，一般对它的识别和分离是不太容易的，是影响深孔镗削切削效率和质量的 主要因素。 2 2 1深孔镗削过程中的自激振动 深孔镗削过程中即使没有周期性外力的作用，刀具和工件之间也可能产生强 烈的相对振动。振动时，动态切削力伴随产生，并在工件的表面上残留下明显的 振纹，这种现象就属于自激振动。并假设瞬时切削力与瞬时切除面积成正比，在 进给速度一定的情况下，与瞬时背吃刀量成正比，来分析深孔镗削过程中的自激 振动产生的原因【2 引。 ( a ) ( b ) ( c )( d ) 图2 2 深孔镗削中自激振动示意图 深孔镗削时，如图2 2 ( b ) 所示，在理想情况下，镗刀的加工轴线和工件的回 转轴线在一条直线上，此时如果不考虑已加工孔的表面粗糙度误差，假设已加工 孔为理想圆的情况下，刀具切削时的背吃刀量为恒值，切削力不会发生变化，此 8 兰州理工大学硕士学位论文 时不会产生自激振动。但是，在实际加工中，导向或导向套与深孔镗刀之间总有 一定的间隙6 ，如图2 2 ( a ) 所示，所以在深孔镗刀进行切削时，就将镗刀压向一 边，使得镗刀的中心线与工件的回转轴线不在一条直线上，如图2 2 ( c ) 所示，切 削时背吃刀量a p 周期性变化，使切削力必然发生周期性的变化，产生自激振动。 图2 2 ( d ) 为深孔镗削前后截面示意图，其中未镗孔前的半径为r ，镗孔后，孔的半 径为r 。 由图2 2 可以看出，深孔镗削时，由于导向孔的间隙，导致已加工轴线和工 件旋转轴线不在一条直线上，从而产生背吃刀量周期性变化，使切削力产生周期 性变化，引起振动，随着镗削的深入，已加工轴线偏移加大，振动加剧，当振动 频率接近系统频率时，此时观察切屑可以发现，镗削的切屑是由后变薄或由薄变 厚周期变化，正如图2 2 ( d ) 中半径为r 和r 之间切下的区域。 2 2 2 深孔镗削过程稳定性分析 由于深孔镗削过程中的自激振动大大影响了深孔镗削的稳定性，现在对其分 析如下【2 9 】：如图2 3 所示，设口。为深孔镗刀背吃刀量( m m ) ；1 ，为镗刀每分钟进给 量( m m m i n ) ；n 为工件转速( r r a i n ) 。由于深孔镗削每转进给量厂= 1 ，刀相对较小， 所以工件每转一周已加工表面残留振痕，影响到下一转镗削的背吃刀量，即： 图2 3 镗削过程示意图 a p ( t ) = y j 一( f ) + 允( f t ) ( 2 1 ) 式中 弘一名义切深，r a m ； ( ，) 一切削力引起镗刀在y 方向的弹性变位，r a m ； 九一无量纲系数，表征相邻进给量间重叠程度，随f = v ，疗的增加 而下降，0 i t 面蔻雨 2 j 3 ) 对( 2 1 3 ) 式分析可得出提高深孔镗削稳定性，减小自激振动的措施有：( 1 ) 加 大考：( 2 ) 提高结构刚度环节的刚度系数；( 3 ) 减小切削刚度系数疋。 2 3深孔镗杆静力学理论分析 深孔镗杆静力学分析时，可将镗杆简化为悬臂梁，如图2 6 所示，在镗杆的 b 端施加一切向力c ，设弯曲变形的挠度为y ，转角为0 ，则任意截面上的弯矩【3 0 】 为： m = 一e p x )( 2 1 4 ) 式中，一镗杆的外伸长度，r a m ； m 一界面上的弯矩，n r a m ； 由式( 2 1 4 ) 的挠曲线微分方程为： e l ? 。= m = 一e ( 一x )( 2 1 5 ) 对式( 2 1 5 ) 积分可得： 研。2 等妒廿：c ( 2 1 6 ) e l y ：墨x 3 一墨氏2 + q + d (217)62 、 在固定端a ，转角和挠度均应等于0 ，即： 当x = 0 时， h = 吼= o n = 0 把边界条件式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 5 ) ，( 2 1 9 ) 代入( 2 1 7 ) 得 c = e o a = 0