减振刀具系统动力学分析说明书

1、1引言 1. 1课题研究背景 切削颤振是金属切削过程中刀具与工件之间产生的一种十分强烈的相对振 动，其产生的原因和发生、发展的规律与切削加匸过程本身及金属切削系统动态 特性都有着内在的本质联系，影响因素很多，是一个非常复朵的机械振动现象。 山于振动机械的各主要构造和零件要长期承受交变载荷，于是包括疲劳失效在内 的各种类型的损伤和破坏就成为影响设备使用性能和使用寿命的主要因素。现代 工业对工程质量、产品精度及可靠性都提出了愈来愈高的要求，研究和解决工业 工程中出现的各种振动问题已成为一项急迫的任务。因而在研制设计中，不仅要 考虑静力效应，而且还要考虑动力效应。根据传统的基于静力准则的机械结构设

2、计方法是无法满足现代产品的设计要求的。对承受动载荷的结构，采用结构动态 设计方法是满足现代产品设讣要求的有效方法，通过动态设讣达到控制机械结构 的振动水平，改善产品的质量，提高它的安全可靠性等口的，即“优生”。这也 是符合国际、国内机械结构设计技术发展方向的。本课题就是通过有限元法对减 振镇刀杆系统进行动力学分析，并利用ANSYS软件对系统的关键部件进行分析和模 拟仿真，获得镇刀杆系统在加工条件下的变形、应力分布等信息。 镇削是一种用刀具扩大孔或其它圆形轮廓的内径车削工艺，其应用范圉一般 从半粗加工到精加工，所用刀具通常为单刃锤刀（称为镇杆）。镇刀有三个基本 元件：可转位刀片、刀杆和锂座。锂座

3、用于夹持刀杆，夹持长度通常约为刀杆直 径的4倍。装有刀片的刀杆从镇座中伸出的长度称为悬伸量（镇刀的无支承部 分）。悬伸量决定了锂孔的最大深度，是锤刀最重要的尺寸。悬伸量过大会造成 刀杆严重挠曲，引起振颤，从而破坏工件的表面质量，还可能使刀片过早失效。 这些都会降低加工效率。对于大多数加工应用，用户都应该选用静刚度和动刚度 尽可能高的镇刀。静刚度反映锤刀承受因切削力而产生挠曲的能力，动刚度则反 映锂刀抑制振动的能力。本文的笫3部分主要分析镇刀的静刚度。文中资料来源 于作者对锤刀挠曲的研究。镇刀的挠曲取决于刀杆材料的机械性能、刀杆直径和 切削条件。减减小刀杆悬伸长度和增加刀 杆的直径对于减小刀杆的

4、变形量是有利的。但是受加工工件尺寸的限制，改变这两 个参数是不现实的。另外，通过减小切削量来降低切削力也可以达到减小刀杆变形 量的U的,但这样势必会导致生产效率的下降，而且在某些情况下，即使减小切削力 也不能达到加工要求。为解决此类问题，本文采用内置式动力减振结构的防振镇 杆，它可以在造价相对比较低的情况下，实现较大长径比。在机械加工中，利用 减振镇杆，可以提高表面加工质量，大大提高工作效率，特别是在深孔加工中运 用此减振镇杆，对提高内表面质量以及加快切削速度都会有很大的帮助。 1.2国内外发展趋势 减振镇杆在机械行业的研究中，已经有很长的历史了，但减振锤杆的研究 和发展是比较缓慢的。到口前为

5、止，世界上只有为数不多的儿家厂商能生产出性 价比较好的产品。U前市场上流行的各种减振镇杆主要以国外产品为主，比如瑞 典的山特维克，美国的肯纳，在我国山于试验，调试过程的复杂，尚没有相关的 成熟产品上市。 在国外，日本三菱公司和东芝公司已经有系列化的产品。三菱公司的设计思 想是减轻镇杆的头部重量，从而使镇杆的动刚度在很大程度上得到改良旧。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。当镇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。所以当镇杆受到偏心力

6、时，刀头的那两部分可以切掉一 些，这样不仅僮杆头部的重量减少了很多，而且静刚度的减少量也较小，同时镇 杆的动刚度在很大程度上的得到了改良。但是应当指出这种处理办法还存在很多 的问题，其主要问题是釆用头部切除法有很大的局限性，即其长径比不能达到太 大。 东芝公司的减振镇杆是在刀具的两边平行的切掉一部分，再用刚度和强度大 的材料嵌在两边，从而提高僮杆的静刚度。这种镇杆的原理简单，其镶嵌在杆两 侧的硬质材料和刀体粘结程度是影响镇杆质量的关键因素。同时山于受到两条加 固材料的刚度、厚度和它与杆体粘结的紧密程度的影响，因此长径比的值也受一 定的局限。 美国Kenametal公司生产的减振镇杆（最大长径比

7、L/D二8）主要是采用特殊的材 料制成，也属于提高镇杆静刚度的一种。 瑞典Sandvik公司的减振镇杆（最大长径比L/D二16）是U前最先进的镇杆，它所 采取的方法是给镇杆加内置减振器。这虽然提高了僮杆的动刚度，但也有它的局 限性，例如减振块的密度不可能太大，阻尼器的寿命严重地影响这种铿杆的使用 寿命. 国内的一些减振镇杆很多都处于研究阶段，采用的大多是增加僮杆静刚度的 方法，例如在杆体的芯部镶入硬质合金等。但是大部分的减振措施都是在工艺上 进行改良或是在加工过程中釆用一些技巧。 到U前为止，国内的工具厂商还没有在减振镇杆的制造方面有大的进展，特 别是在制造长径比比较大的镇杆方面，而且对内置式

8、减振镇杆的开发工作也还很 少。 1. 3研究的目的和意义 1.3.1目的 由于振动机械的各主要构件和零件要长期承受交变载荷，于是包括疲劳失效 在内的各种类型的损伤和破坏就成为影响设备使用性能和使用寿命的主要因素 本研究课题就是通过有限元法对减振镇刀杆进行静力分析和模态分析，并利用 ANSYS分析软件对系统的关键部件进行分析和模拟仿真，获得装药系统在振动条 件下的变形、应力分布等信息，从而为振动装药系统的结构设计及进一步优化提 供可靠的理论依据。 1.3.2意义 高速切削过程中，由于机床主轴转速很高，微小的振动都会造成高速加工系 统的不稳定，从而引起刀具磨损加剧、工件加工表面质量降低，特别是在采

9、用小 直径镇刀高速加工淬硬钢材料时，振动对加工系统稳定性的影响尤为突出，振动 的加剧甚至会导致刀具的折断、工件过切等等，而高速加工使用的机床、刀具和 工件都很昂贵，因此，研究如何减少振动，对降低加工成本、提高模具的高速加 工效率有很现实的意义。刀具的变形包括装刀初始跳动、刀具本身的变形以及加 工过程中受力后的变形。而刀具在加工过程中的变形和破损与加工的方式方法、 工艺参数有关，因此，了解刀具的实际受力情况，研究在不同高速加工条件下， 应力场受各种切削条件变化而变化的规律、研究立铳刀的固有振动频率和振型、 对立镇刀杆振动的影响等等，都有助于消除刀具的非正常破损现象从而降低刀具 的成本，而且这一分

10、析结果也有助于预测分析加工过程中的若干现象。 本课题僮刀杆为研究对象，对其主要部件进行动力学分析，将为系统的设计 与优化提供进一步的理论依据。而且本系统用于我国的镇刀杆生产，会大大提高 产品的质量和企业的生产率，在创造好的经济效益的同时也促使我国在这一领域 踏入世界的先进行列。 14 ANSYS软件和有限元的简介 1.4.1有限元的提出和应用 工程计算中，山于传统的计算方法不仅经常因人为计算疏忽造成错误外，而 且在先天上，将儿何结构及边界条件等过于简化，使得计算结果与实际有极大的 出入，因此参考价值有限，有限元法正是基于工程的实际需要而产生的。从数学 角度来看，有限元法基本思想的提出，可以19

11、43年CoUr田戒的开创性工作为标 志。他笫一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结 合，来求解扭转问题。从应用角度来看，有限元法的第一个成功尝试，是将刚架 位移法推广应用于弹性力学平面问题，这是孔mer.clough等人在1956年分析飞机 结构时得到的成果。他们笫一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解 答。他们的研究工作打开了利用电子计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。 1960年Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了 “有限单元法”的名 称，使人们开始认识有限单元法的功效。到1%0年以后，随着电子计算机的广泛 应用和发展，有限元法的发展速度才显

12、著加快，半个世纪以来，有限元法己经应 于许多学科，山弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，山静力平衡问题 扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘 弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力 学领域。 在实际的工程应用中，设计的结果要付诸实施必须首先经过一系列的工程分 析，以验证其是否满足各种设计要求，有限元分析方法的出发点是把要分析的连 续体假想地分割成有限个单元组成的组合体，简称离散化，利用节点变量对单元 内部变量进行插值来实现对整体结构的分析。因此，成功应用有限元分析方法取 决于是否将实际工程问题抽象出正确的力学模型，是否将力

13、学模型正确划分有限 元集合。实际工程问题抽象和建立正确的力学模型，即是对实际问题的边界条 件、约束条件和外载荷进行简化，当然这种简化应尽可能的反映实际情况，不至 于使简化后的模型与实际差别过大，同时计算也不过分复杂。模型简化过程中必 须判断实际结构的问题类型（二维、三维、平面应力还是平面应变问题），判断结构 是否对称，外载荷大小、位置，结构的儿何尺寸和材料参数，单元划分的粗细与 模型的需要是否相符等等。 1.4.2 ANSYS软件的主要功能 ANSYS是一个通用的有限元分析软件，它具有多种多样的分析能力，从简单的 线性静态分析到复杂的非线性动态分析。而且，ANSYS还具有产品的优化设计、 估计

14、分析等附加功能。 其中本课题用到的ANSYS软件的分析类型如下： 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对 结构影响不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且 可以进行非线性分析。如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触问题的分 析。 结构动力分析 结构动力分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析 不同，北大学硕士学位论文笫2章有限元基汗出及ANSYS软件介绍动力分析要 考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行结构动态分 析的类型包括瞬时动力分析、模态分析、谐响应分析及随机振动响应分析。

15、2减振锂刀杆的模型建立 2.1模型的建立 2.1.1减振锂刀杆的材料和结构设计 这里所研究的主要是减振镇杆的静力分析和模态分析，而在模型中我们所关心 的是决定锤杆杆体所用材料的特性参数一一密度和弹性模量的值。为了使模型适 合镇杆的研究，我们将在模态中性文件的建立中对杆体的材料采用参数化的描 述。在系统中选用45钢来做杆体的材料，如选用其他的材料可通过直接修改相应 的变量值来实现。其中长度单位为毫米(mm),质量单位为千克(kg),其它选用 国际单位。材料选择如表2.1所示 表2. 1 弹性模量(EX) 泊松比(PRXY) 密度(DENS) 45钢 2. 07E8 0. 3 7. 8E-6 选用

16、长度为370mm、直径为48mm、夹持部分直径稍大的杆体进行设汁。 2.1.2减振铿刀杆的力学分析 1.减振镇刀杆受力分析 作用于镇刀上的切削力包括切向力、进给力和径向力。与其它两个力相比， 切向力的量值最大。切向力垂直作用于刀片的前刀面，并将镇刀向下推。需要注 意，切向力作用于刀片的刀尖附近，而并非作用于刀杆的中心轴线，这一点至关 重要。切向力偏离中心线产生了一个力臂(从刀杆中心线到受力点的距离)，从 而形成一个力矩，它会引起锤刀相对其中心线发生扭转变形。进给力是量值第二 大的力，其作用方向平行于刀杆的中心线，因此不会引起减振镇刀的挠曲。径向力的作用方向垂直于刀杆的中心线，它将锂刀推离被加工

17、表面。因此，只有切向 力和径向力会使镇刀产生挠曲。 图2.1镇削过程中刀尖受力图 2. 切削力的计算 已沿用了儿十年的一种经验算法为：进给力和径向力的大小分别约为切向力 的25%和50%。但如今，人们认为这种比例关系并非“最优算法”，因为各切削 力之间的关系取决于特定的工件材料及其硬度、切削条件和刀尖圆弧半径。推荐 采用在生产实际中计算切削力的经验公式一一指数公式。镇削力计算公式如表 2. 2。 表2.2力的计算公式 主切削力F二 Fz=9.81CFzapxK.fE.（60 _l lOnode 92 lOnode 92 Element type referenee number Cancel

18、Help Add. I Optons.|Delete | Cox 1 Help 图3.5怎义单元类型对话框 图3.6指左单元类型对话框 4. 定义材料性能参数 选择 Utility Menu/Preprocessor/Material Props/Material Models 命令，出现 Define Material Model Behavior 对话框 在 Material Models Available 一栏中依次单击 Structural Linear Elastic Isotropic 选项，如图 3.7 所示，出现 Linear Isotropic Properties for

19、 Material Number 1对话框，在EX文本框中输入2.07E8,在PRXY文本框中输入0.3, 如图3.8所示，单击OK按钮关闭该对话框。 在 Define Material Model Behavior 对话框中选择 Material /Exit 命令，关闭该对 话框。 图3.7立义材料属性对话框 图3.8材料属性填写对话框 选择 Utility Menu/Select/Everything 命令，选择所有实体。 Utility Menu/Preprocessor/Nunibering Ctrls/Compresse Numbers 命令，出现 Compresse Numbers

20、 对话框,在 Label Item to be compressed 下拉列表中选择 All,如图3.9所示，单击OK按钮关闭该对话框。此步骤的操作LI地是使得所 有编号依次按顺序排列，例如区域编号是A3、A5、A6、A04;43 USUH E=1 SQV (AVG) DHX -.397E-OS 5MN =.208E-0 SMX =42.SL4 4.124 14.171 23.6L9 31.79 33.067 42.514 图3.47 f=0. 01等效应力等值线图 NODAL SOLUTION 5IEP=L SUB =L TIKE=L USUM (AVG) R5Y5=0 .3O2E-0S .

21、15LE-05 .604E-0S 453E-05 .755E-05 .906E-0S .10E-04 Kg二 SOLUTION EV .593E-0 15.27 图3. 44 f=0. 05时总位移等值线图 31.7413.461 47.611 Y 95.222 79.352 AN JUN 4 2011 20:50:21 .121E-04 136E-04 111.C93 126.963 142.833 图3.45 f=0. 05时等效应力等值线图 1 /1 图3.49 f二0.1等效位移等值线图 1 / 1 图3. 48 f=0. 1时总位移等值线图 NODAL SOLUTIOW 5IEP-1

22、 SUB =1 TTME=1 SEQV (AVGJ ZMX -.23LE-O4 5MW =.93LE-C6 SM5： =240.巳 73 .931E-06S3.527107.055160.582214.109 26.764fiO.291133.18167.346240.e?3 NODAL SOLUTION 335 1 / 1 S7EP=1 5UB =1 TIME-1 USUM (AVG) RSY5=O JUN 5 20LL 15:31:12 69SE-0SL4OE-D42C9E-04279E-04 .349E-0S.10SE-04.17SE-04.244E-C4.3L4E-04 图3. 50

23、f=0. 15时总位移等值线图 .121E-0S NODAL SCLUTIOH S7EP=1 SUB -1 TIHE=i SEQV (AVG) DHX -.314E-94 SMIT =.121E-O5 SHX -327.017 图3. 51 f二0. 15等效应力等值线图 JUN 5 2011 1S:4S!S9 NODAL 5OLUIION 5Ii?=L 5U5 =1 TIME=L U5UM (AVG) R5Y5=0 DMK =.391E-04 5MX =.391E-C4 图353 f二0.2等效应力等值线图 1 / 1 970Z-0X. X、X分别为齿轮振动加速度向量、速度向量和位移向量，

24、(X) = x1,x2,.,xJr； (F(r)为齿轮所受外界激振力向量，F = /p/2,-A7 - 若无外力作用，即F(/) = 0,则得到系统的自山振动方程。在求齿轮自山振动 的频率和振型即求齿轮的固有频率和固有振型时，阻尼对它们影响不大，因此， 可以作为无阻尼自由振动问题来处理。无阻尼项自山振动的运动方程为： M文 + KX = 0(4- 2) 如果令X = sin(m + 0) 则有丈 = c/0sin(期+ 0) 代入运动方程，可得 (-/MDSrO(4-3) 式中色为第I阶模态的固有频率，0为第I阶振型，i = l,2,，“。 4.3滅振锂刀杆模态分析的提取方法 在ANSYS中有

25、以下儿种提取模态的方法: Block Lanczos 法 子空间法 PowerDynamics 法 缩减法 不对称法 阻尼法 使用何种模态提取方法主要取决于模型大小（相对于计算机的讣算能力而 言）和具体的应用场合。其中Block Lanczos法可以在大多数场合中使用，是一 种功能强大的方法。他的特点有：当提取中型到大型模型（50. 000 100. 000个 自曲度）的大量振型时（40+）,这种方法很有效；经常应用在具有实体单元或壳 单元的模型中；在有或没有初始截断点时同样有效。（允许提取高于某个给定频 率的振型）；可以很好地处理刚体振型；需要较高的内存。 因此我们选择Block Lancz

26、os法作为减振镇刀杆模态分析的提取方法。其中 振型数U必须指定（缩减法除外），减振镇刀杆的模态分析我们提取前10阶主要 模态。频率范圉缺省为全部，但可以限定于某个范圉内，这里指定的值为：Start Freq （开始频率）是0, End Frequency （结束频率）是。 4.4模态分析边界条件的确定 4.4.1位移约束 模态分析中，我们施加必需的约束来模拟实际的固定惜况，在没有施加约束 的方向上将计算刚体振型并且不允许有非零位移约束。 因为减振锤刀杆是被夹具夹持，所以减振锤刀杆模态分析的位移约束就是在减振 镇刀杆上施加有效载荷：零位移约束，即减振镇刀杆的约束条件为全约束（沿某一 轴向方向长度

27、）：ALL DOFo所以模态分析时位移约束条件和进行静力分析时一 样。 4.4.2外部载荷 因为振动被假定为自山振动，所以忽略外部载荷。然而，ANSYS程序形成的载 荷向量可以在随后的模态叠加分析中使用，因此进行模态分析时再不需要重新定 义边条，可以直接进入求解菜单进。 4. 5模态分析的基本步骤 建立模型：只有线性效应； 确定采用何种讣算方法：子空间法、分块法、能量法、缩减法、阻尼法等; 施加载荷； 计算:分析模型特征值； 扩展模态:分析模型特征向量，计算应力； 进入后处理菜单获得计算结果等； 评价分析结果。 4.6模态分析的具体操作步骤 1. 求解步骤 打开ANSYS软件，在左上角的快捷键

28、中，点击Open ANSYS File,选取静力分 析时所用的镇刀杆模型，此模型已经定义好属性，位移约束，和载荷。其中 载荷在模态分析中不起作用。 选择 Utility Menu/Preprocessor/Material Props/Material Models 命令，出现 Define Material Model Behavior 对话框。在 Material Models Available 一栏中依 次单击 Structural、Linear、Density 选项，如图 4-1 所示，出现 Density For Material Number 1对话框，在DENS文本框中输入7.

29、8E-6，如图 4-2所示，单击OK按钮关闭该对话框。 图4-1左义材料属性对话 Den sity for Material Number 1 T1 Temperatures 0 DENS Add Temperature Delete Temperature Graph OKCancelHelp 图42密度泄义对话框 在 Define Material Model Behavior 对话框中选择 Material /Exit 命令， 关闭该对话框。 指定分析类型:Main Menu /Solution /Analysis Type /New Analysis,弹出 4-3所示的New Anal

30、ysis对话框，选中Modal（模态分析），单击OK按钮。 选取模态提取方法：Main Menu /Solution /Analysis Type /Analysis Options 将弹出模态分析选项对话框如图4-4所示,在对话框中，指定Mode extraction method （模态提取方法）为Block Lanczos （分块兰索斯法），并指定No. of modes extract （提取模态的阶数）为10，将Expand mode shapes （模态扩展）设 置为YES”，在No. of modes to expand （模态扩展阶数）文本框中输入10。这 样ANSYS程序在进

31、行模态求解的同时将完成模态的扩展，不需要再单独进行模态 扩展。单击ok按钮，将会弹出Block Lanczos Method （兰索斯法模态分析选项） 对话框，如图4-5所示，这里指定的值为：Start Freq （开始频率）是0, End Frequency （结束频率）是99999999。单击ok按钮，完成对分析选项的设置。 ANTYPE Type of analysis A Nev/ Analysis C Static I “ ( Modal C Harmonic C Transient C Spectrum C Eigen Buckling OK ICancel Help | 图4-3

32、分析类型选择对话框 图牛4模态分析设置对话框 C Substructuring/CMS 图 4-5 Block Lanczos Method 对话框 进行求解：Main Menu / Solution / Current LS,弹出一个信息提示框和对 话框，浏览完毕后单击，单击对话框上的0K按钮，开始求解运算，当出现一 个Solution is done信息框时,单击Close按钮，完成求解运算。 2. 后处理 列出固有频率:Main Menu General Postproc Results Summary,将列出减 振锂刀杆的所有求解的固有频率，在文本框里列出了轮盘的前10阶固有频 率。如

33、图4-6所示。 图4-610阶模态显示 查看特征振型：单击菜单 Hdin Menu/General PostProc/Read Results/First Set,读入第一阶振型的数据。单击菜单M a i n Menu/General PostProc/Plot Results/Deformed Shape,在弹出的对话框中选择 Def+undef edge选项，即可显示第一阶振型，如图4-7所示。单击菜单Ma in Menu/General PostProc/Plot Results/ContourPlot/Nodal Solu 命令出现 Contour Nodal Solution Dat

34、a 对话框，在 Item to be contoured 列表框中 选择 Nodal Solution/DOF solution/displacement vector sum, 单击 OK 按 钮，即可显示相对位移等值线，如图4-8所示。 要查看下一阶的振型，单击菜单Main Menu/General PostProc/Read Results/Next Set,读入高一阶振型的数据。然后再重复前述一阶振型显示 步骤。同理我们可以得到高一阶的相对位移等值线图。二到十阶的振型图和 位移图如图4-9至4-26所示。 SOLUIION CUN 4 2011 Ll：47：52 SUB -1 FREZ

35、399 USIM (04;13 图4-13四阶振型图 1 / 1 CUN 4 2011 12:01:43 HO2AL SOLUTION 5IZF=1 SUB =4 =EQ-548 U50M R5Y5=0 DMX =3.21 SMX -3.21 0 .7132662 427 2丄4 2.853 356633 图4-14四阶相对位移等值线图 STEM SOB -5 JUI( 4 201L 12:06:52 FE2-6CS3 图4-15五阶振型图 NODAL SCLVTICN AN S7EP-1 SUB -S FRE2=0S3 JUN 4 2011 12:07:26 408695827391 .13

36、043 2 226 2X348 1.43 2 63E 图4-16五阶相对位移等值线图 AN STEP=1 SUB 6 UN 4 2011 12:10:02 图4-17六阶振型图 HODAL SOLVTIOW SIEP=1 SUB =6 AN JUN 4 2011 12:10:45 FREQF338XX 03330236660469990691332 156511499534 8325571 166J. 499 图4-18六阶相对位移等值线图 DI5FLACD1E1(IAN SIEF=1 SUB =7 JUN 4 2011 1Z：11：5O rFrQ=iiLi5 1 / 1 图4-19七阶振型图

37、 NODAL SOLUTION 5IE?-1 12:12:35 AN JUN 4 2011 6183212378552473 .30916927481.54621642.732 图4-20七阶相对位移等值线图 图4-21八阶振型图 图4-22八阶相对位移等值线图 1 / 1 DISPLACEMEOT AN JUN 4 2011 SUB =912:15:21 FREQ=1375 图4-23九阶振型图 MODJkL SOLUIIOH AN JUN 4 2011 12：15：59 STEP-1 SUB =9 0.B21d421.63 .4107211.2322QS4 2 4 2 B75 3 286

38、3696 图4-24九阶相对位移等值线图 DZSPIACEHEJIT AN STE?-1 SUB 70 JUN 4 2011 12;1C:4O 图4-25十阶振型图 图4-26十阶相对位移等值线图 显示一阶振型的动画：读入一阶振型的数据后，选择Utility Menu/PlotCtrls/Animate/Mode Shape,弹出 Animate Mode Shape 对话框，如 图在 Display Type 中选择 DOF solution, Def+undeformed,点击 OK 按钮，将 出现一阶振型的动画图。 如果想停止动画，单击Utility Menu右上角的小按钮，图、弹出 A

39、nimation Co. . . IE具条，如图 所示，单击Stop按钮或Close按钮。 要查看下一阶的振型，单击菜单Main Menu/General PostProc/Read Results/Next Set,读入高一阶振型的数据。然后再重复前述一阶振型显示 步骤。 4.7分析结果 Animation Contr. 表4-1振型图和相位移图上的数值 阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 频率 9 5486 6 17964 DMX 1.827 1.808 2. 944 3.21 1.839 1.499 2. 782 3.169 3. 696 2. 839 SMX 1.827 1

40、. 808 2. 944 3.21 1.839 1.499 2. 782 3. 169 3. 696 2. 839 从减振锂刀杆的一至十阶振型图和相对位移图中我们可以观察到，第一阶模 态的振动频率相对较小但不为零，这与我们限制僮刀杆夹持部位六个自山度的情 况吻合。变形最大的部位是刀头部位，位移变形量不大。第二阶模态的振动频率 仅比一阶模态的高了一点，但是位移变形量却稍有减少。第三、四阶的振动频率 相差不大，但与一、二阶比有很大提高，振动也相对明显。笫五，六阶的振动频 率也有明显的增大，但是位移变化量却减少了主要变形量集中在刀头部位，刀杆 的前部变形量不大。笫七、八、九、阶振型相对变形值都比较大

41、，且振动频率都 在10000Hz以上，且整个部件形状扭曲很明显，变形部位刀杆的前半部分已近比 较明显。第十阶振动的相对位移量比第七阶大，但是比八，九阶降低了，但是振 动的扭曲也很明显。 5 总结 本文运用有限元分析方法对减振锂刀杆系统进行动态分析。对有限元方法及 其软件在工程中的应用进行了简单的介绍，总结了有限元法解题的基本思路以及 用有限元软件ANSYS进行问题分析的基本步骤。建立减振锤刀杆系统的有限元模 型，对其进行静力分析和振动模态分析，用于确定减振镇刀杆的位移变形、应力 在不同进给量下的变化和镇刀杆的固有频率、振动情况，总结可得以下结论： 1. 减振锤刀杆的位移变形量主要发生在尖部位附

42、近，对镇削精度会产生一定的影 响。应力最大值主要集中在刀尖附近。 2. 随着进给量的增加位移变形量和应力都增大。 3. 减振锤刀杆在第四阶和笫八阶固有频率附近，出现相对位移的峰值。如果外来 激励在这两个频率点上，镇刀杆会产生较大的共振现象。 4. 随着频率的增大，扭曲变形量增大，但是高频振动需要的能量大，所以不易发 生，一般我们研究低频下的振动。 5. 在实际应用中，如果条件允许，可以提高工作频率，那么为防止共振现象发 生，所选频率应远离共振区。 作为振动工程理论的一个重要分支，模态分析为结构设计和性能评佔提供了 个强有力的工具，同时利用有限元法大大加快了结构动态设讣的进度。然而，山 于时间和

43、条件所限，本文的工作尚有许多不足，例如在建立有限元模型时进行了 一些简化，与实际结构的分析必然存在一定的误差。 参考文献 I 闻邦椿，刘树英,张纯宇.机械振动学.冶金工业出版社,2000.2 镇削加工基础知识中国研磨网，2009.12 3 叶尚辉.建立有限元模型的一般方法.电子机械工程，1999 3 乐兑谦.金属切削刀具.第二版.北京：机械工业出版社，2001.6 4 赵经文，王宏压.结构有限元分析(M) 第二版.北京:科学出版社，2001:1 5 焦洪宇，段敬.Pro/E模型导入AXSYS问题的研究.辽宇工学院学报2004年06 期 6 张红松，胡人喜，康士延.ANSYS12.0有限元分析从

44、入门到精通.北京：机械工 业岀版社，2010： 7 ANSYS单元类型与网格划分. 2009.7.25 8 陈日曜.金属切削原理第二版.北京：机械工业出版社，2002.1 9 刘相新孟宪颐.ANSYS基础与应用教程M.北京：科学出版社，2006. 10 Christoffel K, Tools for high一speed machining, Werkstatt und Betrieb,1996： 33 一36. II Ashley S. , High speed machining goes mainstream, Mechanical Engineering, 1995(5)： 56一61 12 石岚.高速铳削立铳刀的有限元分析. 13 KiralZ, KauaqulleH, Vibration analysis of rolling element bearings with vaijous defects under the Action of anunbalanced forceJ J , Mechanical Systems and Signal Processing, 2006, 20(8):1967一 1991 14 GrahamG , PetzingJ , LueasM , TyrerJ , Quantitative modal analys