蘆曉榮

(張家港工貿(mào)職業(yè)高級中學(xué)，江蘇 張家港 215600)

0 引言

當(dāng)代，金屬切削加工方法依然是機(jī)械制造行業(yè)的主導(dǎo)方法。切削加工技術(shù)非常廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)、領(lǐng)域，并且對加工的要求越來越嚴(yán)格，特別是對零部件的加工精度的要求也越來越高。在許多情況下，為了滿足加工的要求，對刀具的各方面性能也提出了非常高的要求。切削過程中振動所產(chǎn)生的影響以及整個結(jié)構(gòu)的剛度，很大程度上決定了整個切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及工件的加工精度，振動不僅僅會降低切削系統(tǒng)的加工效率，同時還會影響工件的表面質(zhì)量，影響到工件的加工精度。

在進(jìn)行孔鏜削加工時，刀桿伸出過長，很容易發(fā)生振動同時伴隨著尖銳的噪音，無論是對加工者還是加工的零件都造成了很大的影響。刀具是任何數(shù)控類加工和切削類加工的重要組成部分，刀具的好壞直接影響了機(jī)床性能的發(fā)揮。而實際上想要最大限度的使用好機(jī)床，合理的發(fā)揮機(jī)床的各相關(guān)性能，加工系統(tǒng)的剛度是關(guān)鍵。而要使得系統(tǒng)有好的剛度，就必須要有有效的措施，使用減振刀桿不乏是一個比較好的方法。

1 振動影響

機(jī)械振動危害很大，無論是機(jī)械還是結(jié)構(gòu)，其最終破壞或者失效都是由其直接引起的。在大多數(shù)的機(jī)械、工程結(jié)構(gòu)及儀表中都普遍存在。當(dāng)然其對機(jī)械加工的影響也是非常普遍的。特別是對生產(chǎn)率和工件表面質(zhì)量的影響，它是一種普遍存在而又極其有害的物理現(xiàn)象。我們從以下幾種加工中出現(xiàn)的振動來分析其危害:1)振動產(chǎn)生后，導(dǎo)致刀具的加工質(zhì)量下降，直接影響到工件的表面光潔度，具體表現(xiàn)為工件表面有比較明顯的振紋;2)刀具受到額外的沖擊力作用，切削力不穩(wěn)，刀具很快磨損甚至于直接崩刀，導(dǎo)致刀具無法使用;3)機(jī)床的主要工作部件因振動而松動或脫落，整個加工系統(tǒng)的剛度、精度下降，嚴(yán)重的時候?qū)o法使用機(jī)床，危險的甚至?xí)＜安僮髡?4)由于振動，刀具在加工的過程中會發(fā)出尖銳的噪音，對操作者造成傷害。而很多時候為了減少振動提高加工質(zhì)量，操作者只好改變切削參數(shù)，降低切削深度、切削速度或是進(jìn)給量，這樣生產(chǎn)效率就降低了。因此，研究分析機(jī)械加工中振動產(chǎn)生的原因，并采取有效的措施來控制振動是非常有必要的。

2 減振鏜桿設(shè)計

2.1 鏜桿結(jié)構(gòu)

這里我們將選用設(shè)計的桿體基本參數(shù)是:長度為160 mm，直徑為20 mm，45#鋼的彈性模量為206 GPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3。裝夾部分表面全約束，限制刀桿軸向運動。將減振器設(shè)置在刀桿的端部，由于減振塊放置在刀桿的內(nèi)部，受到刀桿內(nèi)部空腔尺寸的限制，故減振塊通常都選用質(zhì)量(密度)比較大的材料。減振鏜桿的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 減振鏜桿的基本結(jié)構(gòu)

在圖1所示的減振鏜桿中，減振塊由兩個橡膠圈支撐，并在減振塊與空腔之間間隙中注入阻尼液。在刀桿端部設(shè)置一調(diào)整塊，可以通過刀頭的調(diào)節(jié)螺釘來進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。一旦系統(tǒng)發(fā)生振動，減振裝置就會起到作用，刀桿的振動能量會被吸收或消耗，從而致使刀桿振動達(dá)到最小，來改善刀具的切削性能。這種結(jié)構(gòu)的鏜桿抗振能力更強(qiáng)，加工范圍廣。

2.2 鏜桿材料

刀具切削部分在很高的切削溫度下工作，連續(xù)經(jīng)受強(qiáng)烈的摩擦，并承受很大的切削力和沖擊，所以刀具的切削部分的材料必須具備下列基本性能:1)硬度，刀具切削部分材料的硬度必須高于被加工材料的硬度。常溫下，刀具硬度應(yīng)在HRC60以上。2)耐磨性，刀具材料在切削過程中承受劇烈的摩擦，因此必須具有較好的耐磨性。這一性能一方面取決于它的硬度，另一方面取決于它的化學(xué)成分和顯微組織。3)強(qiáng)度和韌性，切削時刀具要能承受切削力與沖擊力。一般用抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度值來反映材料強(qiáng)度和韌性的高低。4)耐熱性，刀具磨損的主要原因是熱效應(yīng)，因此，耐熱性是衡量刀具材料切削性能的重要指標(biāo)，它是指在高溫下保持材料硬度的性能，可用高溫硬度表示，也可用紅硬性(維持刀具材料切削性能的最高溫度限度)表示。耐熱性越好，材料允許的切削速度越高。5)工藝性，為了便于刀具的制造和推廣使用，要求刀具材料還應(yīng)盡可能具有良好的工藝性與經(jīng)濟(jì)性。

鏜桿的材料多種多樣，國內(nèi)一般的刀桿材料有45#鋼，40Cr，40Cr調(diào)質(zhì)，硬質(zhì)合金等幾種材料。由于45#為中碳鋼，調(diào)質(zhì)后硬度適中，綜合機(jī)械性能最好，因此本文選取45#作為刀桿的材料。

2.3 彈性元件的選擇

彈性元件的選擇在減振裝置中也是很重要的。當(dāng)減振裝置發(fā)生作用時，彈性元件可以通過自身的細(xì)微變形從而起到緩沖振動和傳遞作用力的作用。綜合考慮本文減振鏜桿的結(jié)構(gòu)特點，選擇橡膠彈簧作為減振鏜桿的彈性元件。

2.4 減振質(zhì)量塊的設(shè)計

減振系統(tǒng)中起決定性作用的主要還是減振質(zhì)量塊材料，此處減振質(zhì)量塊的材料選擇密度為17×103kg/m3的合金。減振質(zhì)量塊體積的選取受到內(nèi)孔的限制，在設(shè)計中選用長為37 mm、直徑為12 mm的圓柱體。

3 減振鏜桿仿真分析

聯(lián)合ADAMS與ANSYS軟件對減振鏜桿的減振性能進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，對比普通鏜桿及減振鏜桿的性能，分析減振鏜桿的減振效果。

3.1 頻響特性分析

表1 減振鏜桿的頻響結(jié)果

從圖2仿真結(jié)果和表1來看，無減振器的普通鏜桿有一個峰值，由于鏜桿本身阻尼很小，所以峰值很大。有減振器鏜桿有兩個峰值，但最大峰值大大降低，這表明減振器的減振性能比較優(yōu)良。有減振器的鏜桿明顯比無減振器的普通鏜桿減振效果好。

圖2 兩種減振鏜桿的頻響曲線對比

3.2 時域特性分析

從圖3、4兩種鏜桿的時域特性和表2分析結(jié)果來看，雖然在初始時刻，兩種鏜桿的位移相同，但是隨著時間的增加，有減振器的鏜桿的幅值衰減速度明顯大于無減振器鏜桿，由于無減振鏜桿本身沒有阻尼(金屬本身阻尼很小，可忽略，)，這樣在整個振動過程中沒有能量損失，因而鏜桿一直等幅振動，由于動力減振鏜桿的阻尼液具有很大的阻尼系數(shù)，消耗很大的振動能量，因而有減振器鏜桿的振幅快速衰減。

圖3 無減振器鏜桿的時域特性

圖4 有減振器鏜桿的時域特性

表2 兩種鏜桿的時域分析結(jié)果

3.3 ANSYS環(huán)境下鏜桿的靜力分析

從圖5、6仿真結(jié)果來看，無減振器鏜桿的最大變形量為0.024 59 mm，有減振器鏜桿的最大變形量為0.020 94 mm，由于在整個頻域內(nèi)，動力減振器會給鏜桿施加一個反向的慣性力，因而有減振器鏜桿的總變形要小，但是鏜桿的靜變形主要取決于鏜桿的靜剛度。所以鏜桿的靜變形相差不大。

圖5 無減振器鏜桿的靜力分析

圖6 有減振器鏜桿的靜力分析

4 鏜桿切削加工質(zhì)量對比

對刀桿加工質(zhì)量影響比較大的切削力是徑向力和切向力。而在加工參數(shù)(切削速度、切削深度、進(jìn)給量等)中，對切削力影響比較大的是切削深度和進(jìn)給量。以下是不同的切削參數(shù)下工件表面質(zhì)量圖比對，如圖7～圖18所示。

加工條件:刀桿直徑為20 mm，懸伸長度為160 mm，加工材料為45#。

加工參數(shù):轉(zhuǎn)速1 500 rpm，孔徑φ 30 mm。

加工參數(shù)1:進(jìn)給速度0.1 mm/r

切削深度分別是0.2 mm、1 mm、2 mm，工件表面質(zhì)量如圖7～圖12所示。

圖7 普通刀桿ap=0.2 mm

圖8 普通刀桿ap=1 mm

圖9 普通刀桿ap=2 mm

圖10 減振刀桿ap=0.2 mm

圖11 減振刀桿ap=1 mm

圖12 減振刀桿ap=2 mm

加工參數(shù)2:切削深度1 mm

進(jìn)給速度分別是 0.1 mm/r、0.2 mm/r、0.3 mm/r，工件表面質(zhì)量如圖13～圖18所示。

圖13 普通刀桿f=0.1 mm/r

圖14 普通刀桿f=0.2 mm/r

圖15 普通刀桿f=0.3 mm/r

圖16 減振刀桿f=0.1 mm/r

圖17 減振刀桿f=0.2 mm/r

圖18 減振刀桿f=0.3 mm/r

說明:

由圖可以發(fā)現(xiàn)，在切削速度不變的情況下，改變切削系統(tǒng)的切削深度，普通刀桿加工的工件的表面質(zhì)量與減振刀桿加工的工件表面質(zhì)量有一定的差距，無論是加工紋路的細(xì)膩與光潔度都是減振鏜桿要好些。在切削速度不變的情況下，改變切削系統(tǒng)的進(jìn)給量，又會發(fā)現(xiàn)，在切削深度一樣的情況下，減振鏜桿的加工質(zhì)量要比普通鏜桿來的好。由以上加工試驗可知，本文所設(shè)計的減振鏜桿是起到了一定的減振作用，有一定的實用意義。

5 結(jié)論

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過振動影響的分析，對減振鏜桿進(jìn)行了初步的設(shè)計，通過軟件進(jìn)行仿真分析并進(jìn)行了實踐加工質(zhì)量的對比分析。在數(shù)控加工中，特別是鏜孔加工中，使用減振鏜桿的加工效率要高于普通鏜桿，并且孔加工的質(zhì)量也有所提高。

掌握鏜刀的工作特點，充分了解振動對鏜刀加工的影響，并采取合理及有效的措施來減小加工過程中的振動是非常必要的，這樣就可以大大提高鏜刀的工作效率，提高孔的表面質(zhì)量，為實際生產(chǎn)提供方便。

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