郭海偉 陳占清 王一麥 邵海磊 李 璐

(①中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土國家重點實驗室，江蘇徐州221116；②鄭州四維特種材料有限責(zé)任公司，河南鄭州450001)

由于金屬材料的低動態(tài)剛度和低固有頻率,傳統(tǒng)金屬鏜桿在進(jìn)行高速深孔鏜孔操作時經(jīng)常會發(fā)生顫振,這種振動是一種在金屬切削中可能發(fā)生的自激振動,當(dāng)切屑寬度相對于系統(tǒng)動態(tài)剛度過大或鏜桿的旋轉(zhuǎn)速度接近固有頻率時就會發(fā)生[1-3].振動會引起例如精度不夠、效率低、加速刀具損耗以及產(chǎn)生噪聲等問題.傳統(tǒng)金屬已經(jīng)難以滿足零部件高強(qiáng)度、高剛度和小振動的要求,從材料和結(jié)構(gòu)上尋找突破口是解決此類問題的重要途徑[4-8].碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高強(qiáng)高模、密度小、高阻尼等特點,與金屬材料相比,復(fù)合材料鏜桿有助于更有效地減小切削加工中的振動和顫振,這是因為分散的纖維之間的聚合物結(jié)合劑能有效地衰減振動能量,并將其轉(zhuǎn)化為低水平的熱量.因此,本文從設(shè)計出發(fā),探討了復(fù)合材料鏜桿的制備及成型工藝,并對其相關(guān)性能進(jìn)行了研究.

1 復(fù)合材料鏜桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的復(fù)合材料鏜桿結(jié)構(gòu)如圖1所示,長度為8 m,外徑為220 mm,由于采用兩點支撐形式,即鏜桿一端固定,中間設(shè)有支撐以提高鏜桿切削的精確度,因此有效工作長度為總長度的40%.鏜桿呈空心管狀,內(nèi)部粘貼橡膠.鏜桿主體采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料,鏜桿內(nèi)部添加減振橡膠.減振橡膠與深孔鏜桿用環(huán)氧粘結(jié)劑粘結(jié).刀架的法蘭盤與深孔鏜桿也使用環(huán)氧粘合劑粘結(jié),環(huán)氧粘合劑層同時可起到減振作用.考慮到粘結(jié)可能發(fā)生的強(qiáng)度不夠,與裝卡機(jī)械性連接方式并用.

該復(fù)合材料鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合應(yīng)用了動力減振與阻尼減振原理[2].鏜桿可簡化為一個兩自由度有阻尼受迫振動系統(tǒng),空心管狀的碳纖維復(fù)合材料層為鏜桿的主系統(tǒng),減振橡膠為鏜桿的減振系統(tǒng).減振橡膠相當(dāng)于在鏜桿內(nèi)部加置的一個質(zhì)量塊,質(zhì)量塊由密度較大的減振橡膠做成,可以吸收振動能量,減弱鏜桿在切削過程中的振動,增大其動剛度.

2 復(fù)合材料鏜桿制備

2.1 原材料選用

復(fù)合材料的成分構(gòu)成與金屬合金有類似之處,我們可以把不同型號的碳纖維、纖維取向和比例,以及不同的樹脂混合在一起,以獲得所需要的材料特性.

本文采用目前拉伸性能較高的T800系列碳纖維為增強(qiáng)體,其加工性能好,價格適中,拉伸強(qiáng)度為5 490 MPa,彈性模量為294 GPa,密度為1 800 kg/m3.采用經(jīng)過改性的高模量環(huán)氧樹脂SW-96作為樹脂基體,由北京航空航天大學(xué)和鄭州四維特種材料有限責(zé)任公司聯(lián)合自主研發(fā),其拉伸強(qiáng)度為96 MPa,彈性模量為4.5 GPa,密度約為1 180 kg/m3,單層板層間剪切強(qiáng)度55 MPa.

2.2 成型工藝

精密鏜桿多為細(xì)長桿類回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),由于模具中真空,樹脂在模具中的流動會導(dǎo)致其中的碳纖維彎曲變形.如果再施加一定的壓力,那么碳纖維的彎曲就會更加嚴(yán)重,完全不能發(fā)揮碳纖維優(yōu)異的高強(qiáng)高模性能.為能夠按照鏜桿的受力情況,將纖維按一定規(guī)律排布,從而能充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度,本文采用干法FW(卷繞)成型工藝,其優(yōu)點是纖維可在任意角度纏繞,使接受應(yīng)力的纖維配向變?yōu)榭赡?適用于較大尺寸的回轉(zhuǎn)體.

2.3 碳纖維鋪層設(shè)計

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料不同之處在于,它可通過調(diào)整增強(qiáng)纖維的方向,根據(jù)特定的方向集中分配材料特性,把這稱作纖維鋪層設(shè)計.本文采用圖2順序進(jìn)行碳纖維環(huán)氧基復(fù)合材料鏜桿鋪層設(shè)計.

3 復(fù)合材料鏜桿靜態(tài)性能分析

靜剛度與鏜桿的懸伸量、跨距、幾何尺寸、材料的物理性能有關(guān).鏜桿的定位可認(rèn)為是剛性的裝卡,若不計鏜桿自身重力,其主要受3個方向作用力,即切向力Fc、徑向力Fp和軸向力Ff,如圖3所示.軸向力Ff(吃刀量有關(guān))較小且作用于鏜桿的軸線上,對鏜桿的徑向位移影響甚?。磺邢蛄c產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效果及徑向力Fp所產(chǎn)生的彎曲效果,對鏜桿的徑向位移影響較大.

鏜桿的切削過程,影響工件表面加工質(zhì)量的主要因素是刀具的徑向跳動量,所以在計算時,只考慮切向力Fc和徑向力Fp所引起的鏜桿刀尖處的撓度.

依據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊》內(nèi)容,可求出鏜桿所受的各個力值:

式中:Kc為單位切削力；f為進(jìn)給量；ap為背吃刀量；Kr為刀具的主偏角；Fd為垂直于切削刃在基面內(nèi)的投影分力；μ為前刀面上的摩擦系數(shù)(0.3～0.8)；γ0為刀片的前角.這里取Kc＝4 500 N/mm2,f＝0.2 mm/r,ap＝5 mm,Kr＝75°,μ＝0.8. 經(jīng)計算得鏜桿所受的合力方向為與軸向夾角的55°.

4 復(fù)合材料鏜桿有限元分析

4.1 模型建立

根據(jù)以上計算得到的纖維鋪層方向設(shè)計復(fù)合材料鏜桿的鋪層方式,確定了±55°/0°復(fù)合材料與±55°/0°復(fù)合材料加橡膠減振為模型的兩種方案,對此兩種方案與金屬鏜桿的性能進(jìn)行對比分析.纖維鋪層設(shè)計如圖4所示.對不同厚度的鏜桿分別進(jìn)行模態(tài)分析,其中復(fù)合材料鏜桿橡膠層的厚度為6 mm.

在建立有限元分析模型時,由于桿頭與桿尾對結(jié)果的影響較小,因此只取鏜桿的桿體部分,同時由于橡膠層與復(fù)合材料層之間的粘膠層厚度與前二者相比非常小,可以忽略不計.建立的分析模型如圖5所示.

4.2 靜態(tài)分析

根據(jù)鏜桿的實際受力情況,得到鏜桿的約束條件為鏜桿的一端A為固定約束,另一端B受Fc、Fp、Ff這3個力的作用,鏜桿的受力模型如圖6所示,施加相同力的情況下,計算得到金屬鏜桿(鏜桿1)、復(fù)合材料鏜桿(鏜桿2)、復(fù)合材料加橡膠減振鏜桿(鏜桿3)模型的最大位移量分別為:0.328 mm、0.352 mm、0.349 mm.

4.3 模態(tài)及諧響應(yīng)分析

有限元建模與以上相同,在鏜桿與主軸連接端施加全約束,指定頻率范圍為15～35 Hz,提取鏜桿的一階與二階模態(tài),得到其固有頻率值,結(jié)果見表1～3.

表2 ±55°/0°鋪層鏜桿(鏜桿2)的固有頻率

由表1～3可知,鏜桿2與鏜桿3的一階與二階固有頻率相差不大,二者的固有頻率大約是鏜桿1的1.5倍,說明鏜桿1的臨界轉(zhuǎn)速較低,復(fù)合材料鏜桿可以提高鏜桿的切削轉(zhuǎn)速.

表3 ±55°/0°鋪層加橡膠減振鏜桿(鏜桿3)的固有頻率

諧響應(yīng)分析能夠反映鏜桿抵抗振動的能力,在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行諧響應(yīng)分析,得到鏜桿2與鏜桿3的諧響應(yīng)曲線,如圖7所示.從分析結(jié)果可以看出,增加了橡膠減振的鏜桿3比鏜桿2的固有頻率稍有提高的基礎(chǔ)上,其振幅卻減小了50%左右,這是由于增加的橡膠增大了鏜桿的阻尼,使其振幅得到了減小.

5 結(jié)語

(1)與傳統(tǒng)金屬材料鏜桿相比,碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高靜強(qiáng)度、高減振和高比剛度的優(yōu)點,能夠同時改善鏜桿的動態(tài)剛度和加工速度,減小鏜桿的重量.

(2)由鏜桿的模態(tài)分析可見,鏜桿的一階及二階固有頻率隨著鏜桿壁厚的增加呈現(xiàn)降低的趨勢,復(fù)合結(jié)構(gòu)鏜桿的固有頻率明顯高于金屬鏜桿的固有頻率.

(3)從鏜桿的諧響應(yīng)分析可見,影響鏜桿振動幅值的關(guān)鍵在于鏜桿的阻尼的大小.復(fù)合材料鏜桿適用于中低載荷的高速切削,金屬鏜桿適用于低速切削.