机械振动-精密深孔镗削中镗杆振动问题.

1、北方工业大学科目 机械振动-精密深孔镗削中镗杆振动问题学 院机电工程学院专业班级机研-12学生姓名指导教师撰写日期：2012年12月12日摘要在机械制造业中，一般规定孔深L与孔径d之比大于5，即L/d 5的孔称为深孔。深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行的， 不能直接观察到刀具的切削情况； 且受孔径尺 寸限制，刀具直径小，悬伸长，刚性差；切屑不易排出，切削热不易传散，因此深孔加工一 直是金属切削领域内公认的技术难题。 而对于两端孔径小， 中间孔径大的瓶腔深孔加工则难 度更大，除了存在上述一般深孔加工的问题外，还要求实现镗刀块的伸出、夹紧、松开、缩 回等动作， 且受入口直径的限制， 镗杆的刚性问

2、题及振动问题变得更加尖锐。 因此精密小深 孔加工技术的研究在理论和实践上都具有重要意义。经过深孔镗削过程中的自激振动分析、 深孔镗杆进行了静力学和动力学理论分析、 对深 孔镗杆进行 ANSYS 分析、深孔镗杆的模态分析，有一些减小振动的方法可以利用，如合理 选择刀具几何形状、 提高工艺系统的抗振性、 采用减振装置、 合理调整振型的刚度比、 超声 波方法、镗杆结构优化、 智能镗杆颤振监测实验系统、镗削振动主动控制、 设计辅助结构等关键词 ： 深孔；镗削；减振目录目录 31 机械振动概况 4.1.1 机械振动对机械加工的影响 4.1.2 深孔加工的振动问题 4.2 精密振动切削工艺中的振动问题 4

3、.2.1 项目简介 4.2.1.1 项目中的振动 4.2.1.2 项目镗削工序的振动分析 4.3 深孔镗削过程中的振动分析 6.3.1 深孔镗削过程中的自激振动 6.3.2 深孔镗杆进行了静力学和动力学理论分析 7.3.3对深孔镗杆进行 ANSYS 分析 9.3.4 深孔镗杆的模态分析 1.04 减小深孔镗削中振动的方法 1.14.1 概述1.1.4.2超声波方法 1.1.4.3镗杆结构优化 1.3.4.4 智能镗杆颤振监测实验系统 1.34.5 镗削振动主动控制 1.44.6 深孔镗削加减振措施后效果 1.55.总结1.5.参考文献 1.6.1 机械振动概况1.1 机械振动对机械加工的影响在

4、机械加工过程中 ,工艺系统的振动会破坏刀具与工件之间正常的运动轨迹 , 给机械加工带来较大的危害，具体表现在以下几个方面：影响加工表面质量 ，频 率低时产生波纹，频率高时产生微观不平度；降低生产效率，加工中的振动制约 了切削用量的提高，严重时甚至使切削不能正常进行；缩短刀具、机床等的使 用寿命；振动产生的噪声污染了环境。据统计 ，机械加工过程中的振动以自激 振动为主 , 约占总数的 70%以上。为了保证零件的加工质量 , 在机械加工过程中 , 必须采取相应的工艺措施对自激振动加以控制1.2 深孔加工的振动问题深孔加工技术尤其是精密小深孔加工技术的研究在理论和实践上都具有重 要意义。精密孔是机械

5、零件上常遇到的加工表面， 由于孔加工属于半封闭式加工， 排屑和冷却困难， 刀具的刚性差， 加工精度和表面粗糙度要求很难保证。 精密孔 的加工多采用磨削加工。由于受孔径限制，砂轮线速度低，砂轮杆直径小，刚性 差，很难保证加工精度和表面粗糙度精度要求， 生产效率低， 尤其是精密深孔加 工很难适应生产要求。2 精密振动切削工艺中的振动问题2.1 项目简介2.1.1项目中的振动与哈尔滨东安发动机有限公司合作项目 “超弱刚度件精密振动切削工艺” 中， 需要加工两端小中间大的深小孔， 由于镗杆及工件较长， 刚度超弱，加工过程中 易产生颤振现象， 为实现弱刚度轴类件深孔镗削的精度要求， 必须通过分析镗杆 受

6、力情况、 合理选择刀具几何角度、 优化装夹位置、 确定好超声振动切削工序的 工艺参数及范围、设计辅助结构等方法，最终解决切削过程中的颤振问题。 2.1.2项目镗削工序的振动分析该零件的结构特点是两端孔径小，左边是 14,右边是 18,中间孔径大 19,是回转体,异型孔,零件全长约780mm（两端加工艺夹头）,镗削 19mm孔时, 镗杆最短伸出长度约350mm(包括工艺夹头)。由于孔径较小，孔比较深，同时零 件的加工尺寸精度及表面粗糙度以及相互位置精度要求都比较高 ，加工该零件 有很大的难度，其中最大的难点是对两端孔径小、中间孔径大的小孔径深孔进行加工，镗削过程中很容易引起自激振动，镗杆的颤振影

7、响到加工表面的粗糙度， 工件圆柱度、甚至刀尖崩刃等。如图1为加工中所用空心镗杆内套的控制杆。工艺试验件规格： 40X 18X(40-50);工艺试验件材料：18Cr2Ni4WA工艺试 验件硬度：HRC2835工艺试验件加工参数：线 速度：Vc=23m/min进 给: F=0.080.10mm/r;切深：ap=0.050.10。图1控制杆毛坯规格 50 X 786如图2图2毛坯最终加工简图如图3图3加工件图3深孔镗削过程中的振动分析3.1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

8、 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 振动产生的原因深孔镗削时，如图 4(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S，如图4(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4(c)所示，切削时背吃

9、刀量ap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4(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4可以看出，深孔镗削时，由于导向孔的间隙，导3q)图4深孔镗削中自激振动示意图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，弓I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 由厚变薄或由薄变厚周期变化，正如图 4(d)中半径为r和r之间切下的区域。 由镗杆共振条件f弯二f扭得长径比：丄二 3.47如此设计镗杆时尽量避开共振

10、条件下的一系列长径比3.2深孔镗杆进行了静力学和动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5所示得到截面B的 转角和挠度分别为(受限于篇幅，计算过程及字母说明略，下同) ：Fzl22EIFzl3EI说明在切削力不同的情况下，可得到不同的挠度，当切削力在周期性变化时，挠 度随之变化，产生振动。深孔镗削的镗杆一般都很长，所以它的振动力学分析将况下的动力学方程可以表示为/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。图7深孔镗杆在镗床上的结构示意图图6深孔镗刀杆单元力学模型示意图图5深孔镗削静力学分析示意图直接影响镗刀的切削特性，如图6所示，对于在镗杆没有受外力

11、但是有阻尼的情另外要着重指出的是，在使用超细长深孔高效精密多刃变径镗刀时，受扭转圆周力、径向力和轴向力。圆周力是主切削力，通常情况下，径向力约为圆周力的1/3，轴向力约为圆周力的1/2。此外，镗杆还受自重力的作用。镗杆在圆周产生的扭矩对振动有大的影响，如图 7。镗杆主要受三个方向的切削力作用，即-4-2-乍叱z咛0LF 上 #丄 fZ X Z Z .r厂K旷/卢厂F厂厂厂厂7力的作用下产生扭转和振动，圆周力是镗杆计算的依据。所以镗杆在圆周力的作 用下的受力平衡方程为：dt2B兰dt可见，镗杆为二阶稳定振荡系统，因此，保证适宜的扭转角和转角振荡时间，按稳态扭转刚度计算镗杆直径是合理的，即只考虑其

12、线性部分。镗杆直径与扭转 角二的直接关系:32T1二G - 4)在镗杆长度一定的情况下，增大镗杆直径，镗削时的扭转角必然减小，这也从另 一方面说明增大镗杆直径对增强镗削过程中的扭转振动有积极地作用。3.3对深孔镗杆进行ANSY鲂析对所有变形图和等效应力云图进行综合分析，得出切削速度和进给量与最大变形量与最大等效应力关系，如图8所示；根据关系图，将镗刀的受力，变形作 为优化目标，可得出以下结论：当切削速度在一定范围之内(64 320 )时，最 大等效应力和最大变形量的变化范围并不是很大，其中等效应力的变化范围是32图8切削速度与应力应变的关系图9进给量与应力应变的关系(0.370.46)MPa最

13、大变形量的变化范围是(0.1350.17)mm所以改变切削 速度对镗削合力的影响较小，由该图可知，当切削速度在200m/mi n时，最大变形量和最大应力最小，而且当切削速度超过以后，最大应力和最大应变都有下 降的趋势为了保证加工效率，可选用切削速度为250m/min。从图9中可以看到，最大变形量和最大等效应力随着切削深度的增加逐渐增大当进给量在(0.050.25)mm时，最大变形量在(0.0670.17)mm而该镗刀 在设计时要求刀头直径的尺寸偏差为所以将镗刀的受力和变形作为优化的对象，保证镗刀正常的工作，选取进给量的变化范围在(0.050.25)mm之间进给 量与应力应变的关系，如图9所示。

14、3.4深孔镗杆的模态分析镗杆系统具有固有振动频率，在设计过程中使这些固有频率避开外界激励的 频率可以避免发生共振，从而有效地减小振动幅值。模态分析的目的是确定结构 的振动特性如结构的自然频率、振型和振型参与系数(即在特定方向上某个振型 在多大程度上参与了振动)。分析模型的建立与静力学分析相同，提取前十阶模 态振型向量，如图10,经分析得出镗杆系统低频段固有频率及相应振型。该结构的模态主要是镗杆的扭转或弯曲。 基本可分为水平面内的弯曲、垂直面内的弯曲、水平面内的扭转以及垂直平面内的扭动等儿种类型。SETTIME/FBEQLOAD STEPSIJBSTEPCUHULATIUE14.H40111i2

15、4.0780122325.311133425.553144570.688155671.389166?137.11?76139.341&892003719?16226.6411010图10镗杆前十阶振动频率4减小深孔镗削中振动的方法4.1概述由前面的分析可知深孔镗削的振动与固有频率、切削刚度、结构刚度和工艺 刚度有着密切的联系，因此可以提出以下几种抑制振动的方法：1）合理选择刀具几何形状：使用大前角刀片或正前角刀片，以降低切削 力；减小刀尖圆弧R,以降低吃刀抗力；在小切深加工时，减小切削刃倒棱 宽度，以保持良好的切入性能；2）提高工艺系统的抗振性：镗杆的固有频率与镗杆的悬伸长度、镗杆的 直径及镗

16、杆的材料等因素有关系。可以通过控制这些参数达到改变系统固有频率的效果；提高机床的抗振性改善机床刚性、合理安排各部件固有频率、增大阻 尼以及提高加工和装配的质量等，特别是提高机床中薄弱环节的抗振性。改变 工艺系统刚度：减小工艺系统各结合面间隙，可靠的夹紧工件，增大镗杆截面尺 寸以提高刀杆刚性和减缩不必要的外伸量都将使振动区域和振幅减小；提高刀具的抗振性改善刀杆的惯性矩、弹性模量和阻尼系数；3）采用减振装置：当采用上述措施仍然达不到消振的目的时，可考虑使用减 振装置。减振装置通常都是附加在工艺系统中，用来吸收或消耗振动时的能量， 但它并不能提高工艺系统的刚度。减振装置主要有阻尼器和吸振器两种类型。

17、阻 尼器常用的有固体摩擦阻尼、液体摩擦阻尼和电磁阻尼等 ，吸振器常用的有动力 式吸振器和冲击式吸振器两种；4）合理调整振型的刚度比：根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振 型的刚度比及其组合的影响。合理调整它们之间的关系 ，可以有效地提高系统的 抗振性,抑制自激振动。4.2超声波方法超声波振动镗孔与普通镗孔的切削过程完全不同，超声波振动镗孔由于刀具 附加了振动，使普通镗孔的连续切削成为断续的脉冲切削， 使工件材料被切除过 程中挤压刀具产生的刀具无规律的被动振消失。刀具与工件在切削过程中的运动 如图11所示。工件以恒定的速度V转动，刀具作频率为f，振幅为的扭转振 动。当刀具向下振动时，由于刀

18、具的振动速度 7二 cos C = 2 f ）很大，Vmax二2二f，远远大于V，因此，刀具脱离工件而不切削。当刀具向上振动到 某一点时，刀具开始切削，而当刀具向上振动达到最大振幅时， 振动速度改变方 向即与切削速度同向而脱离切削。因此，超声波激振刀具镗孔的过程是刀具有规 律的脉冲状的断续切削过程，且每次振动切削工件表面的长度相等，其长度为 L1二V/f。这样在已加工表面由J和进给量t构成了格状花纹。由于脉冲状的 断续切削消除了工件挤压刀具产生的无规律的弹性振动，使切削变为“纯切削”，切屑变形极小。如果增加切削速度V二Vmax二2-：f。刀具和工件无法脱离，脉 冲的断续切削消失，振动镗孔的效果

19、也完全消失趋于普通世孔， 这样的切削速度称为临界切削速度，为了获得振动切削效果必须使V : 2f一 亠蚕4条图11振动方向和刀刃位置图12切力波形图13三 幅频特性曲线由于超声波振动镗孔断续的脉冲切削过程，使得切削力波形与普通膛孔波形 必然不同。图12(a)所示为普通性孔的削力波形，它一是在平均切削力P上叠加了较为复杂的交流成分。图12(b)是超声波振动镗孔的切削力波形。刀具在一个 振动周期T内，只有在切削的时间t。内才产生切削力，因此它的切削力波形必然 是脉冲状的。这使其平均切削力大大减小，所以超声波振动憧削淬硬钢也能得到 较理想的效果。超声波激振刀具产生的刀具超声频振动可使工艺系统更加稳定

20、，消除自激振动。根据振动学的理论，可以将机床一夹具一工件一刀具组成的系统简化成单自 由度的弹性振动系统。该系统在图12(b)激振力的激振下，其幅频特性曲线如图13所示。纵坐标为振动系统的动态放大倍数 V，则X，X是强迫振动的振幅，X是振动系统在静态力 PT，作用下的静态位移。横坐标是激振频率(=2f )与系统固有频率0 c 0 = 2f)的比值。以图4可看出八尸1时,-X系统共振，V3，时动态放大系数V1，趋于T o采用超声振动镗削精密深孔可以获得较高的加工精度和较低的表面粗糙度，是普通镗削加工无法比拟的，在一定条件下可以代替磨削和研磨加工方法，解决 了普通镗削过程中排屑困难，系统刚性差等问题

21、，可以获得满意的加工质量和生 产效率。切削过程中切削速度要小于等于的临界切削速度；刀具带有修光刃时可以加大进给量；在超声波发生器功率足够时背吃刀量对加工效果影响不大。采用超声波激振刀具使其产生振幅为 15 m左右的超声频振动，实现分离型振动切 削，满足脉冲力作用的不灵敏性切削机理， 否则超声振动镗削精密深孔的特有效 果消失。4.3镗杆结构优化为便于切屑的排出，要在刀头附近设计倾斜结构容屑槽，排屑性能良好设有 大陷窝,增加了镗刀杆的刚度，减少了高频振动；刀杆夹紧部位设计成对称小平面 便于定位夹紧，防止了镗刀杆的扭转；镗刀杆的结构设计使刀杆自身的衰减系数 增加,刀杆振动后的稳定时间缩短，常见的有冲

22、击块式减振镗杆、采用高密度材 料作为内置式减振器的减振镗杆、附加吸振质量块镗杆，分别如图14、图15、图16o图14冲击块式图15内置式图16附加质量块式4.4智能镗杆颤振监测实验系统由镗削实验的加工表面照片放大图，如图 17分析可将颤振分为三个过程。 开始阶段，镗削处于平稳切削状态，1 s左右进入颤振孕育阶段，振动信号的振 幅也不断增大，当接近2 s左右的时候，能量积累达到了最高，颤振已经形成，图17颤振阶段图18颤振监测系统图19现场加工振幅维持在很高的水平，这严重影响镗削加工，破坏了工件的加工表面，在加工 表面留下了振纹。如能在颤振孕育阶段发现颤振的形成征兆，并对颤振进行抑制， 就能避免

23、加工表面的损坏，为此，对镗削振动信号进行EMD（经验模态分解） 分解、HHT（希尔伯特-黄变换）变换等处理分析，提取颤振的形成征兆。，采用智能镗杆颤振监测实验系统，从而完成镗削颤振的快速预报，如图18。现场加工如图19。4.5镗削振动主动控制镗削振动主动控制系统模型中，考虑对位配置的方式，将压电传感器和执行 器分别粘贴于镗杆的上下表面，传感器的输出电压可表示为：Vs（t）二 ks（t） 7（t 一1）传感器采集到的振动电压信号经反馈放大后，将控制电压施加到压电执行器的两 端,在振动结构上产生纯弯曲控制力矩，力矩大小与控制电压的关系为：M(t)h1 h22*EE1h1E h2 E|Va (t)

24、=kaVa (t)镗削振动主动控制原理如图20所示。将压电陶瓷传感器粘贴到镗杆上,利用压电 效应检测系统振动状态，将检测到的振动信号经过反馈控制电路比例的放大后反 相加载在压电执行器上，使系统的动力参数发生改变，进而达到主动控制的目I 竝 KTK1_1，上打-. U -pF II丽Hi* f/m nIIN)1251603203 MlP IKa iiT 1UM WtfL /mni13ft. J J梓制気齐胡侍女帕仇/min4 022 29A 283 95A 12直些* fit4A 72和717-(41 1761图21不同主轴转速下控制效果图20镗削振动主动控制原理的。另外其中要进行电压放大电路设计和功率放大电路设计。如图21不同主轴 转速下控制效果。4.6深孔镗削加减振措施后效果经过分析深孔镗削的振动与固有频率、切削刚度、结构刚度和工艺等关系， 综合运用合理选择刀具几何形状、提高工艺系统的抗振性、采用减振装置、合理 调整振型的刚度比、超声波方法、镗杆结构优化、智能镗杆颤振监测实验系统、 镗削振动主动控制、设计辅助结构等方法。抗振效果非常明显，效果