霍桂臣 劉寶會 冀璞光 郄彥輝 王乃亮 殷福星

摘要 數控機床的外圓車刀在工作時振動會嚴重影響加工精度，降低車刀使用壽命?；谟邢拊獢抵捣抡?，研究了在刀桿上添加錳銅阻尼合金材料來減小切削振動的新方法，深入分析了不同添加方案。研究結果表明：刀桿上下兩面各添加1.5 mm阻尼合金層，在穩(wěn)定期減振效果最為顯著，輸出點穩(wěn)定期加速度均方根值降為原輸出值的30.86%，刀桿上下兩面各添加4.5 mm阻尼合金層，橫向貫穿邊長為8 mm阻尼合金方柱時，輸出點衰減期加速度均方根值降為原輸出值的40.40%

關 鍵 詞 阻尼合金;有限元分析;減振;加工精度;車刀

中圖分類號 TG145? ? ?文獻標志碼 A

Application simulation of damping alloy in cutting tools

HUO Guichen1， LIU Baohui1， JI Puguang2，3，4， QIE Yanhui1，

WANG Nailiang5， YIN Fuxing2，3，6

（1. School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China; 2. Research Institute for Equipment Materials， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China; 3. Tianjin Key Laboratory of Materials Laminating Fabrication and Interface Control Technology， Tianjin 300130， China; 4. Cangzhou Hegong Science and Technology Park Construction and Investment Co Ltd，Cangzhou，Hebei 061000， China; 5. Tianjin Silvery Dragon Prestressed Materials Co Ltd， Tianjin 300400， China; 6. School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China）

Abstract The vibration of the outer circular lathe tool in the CNC machine will seriously affect the processing precision and reduce the service life of the lathe tool. Based on the finite element numerical simulation， a new method was proposed by adding Mn-Cu damping alloy on the cutter rod to circumvent the cutting vibration. Different additions are analyzed in depth. The results of the study are as follows： when 1.5 mm damping alloy layers are added to the upper and lower sides of the knife pole， the effect of vibration damping is the most remarkable in the stable period， and the root mean square value of the acceleration of the output point is reduced to 30.86% of the original output value; when 4.5 mm damping alloy layers are added to the upper and lower sides of the cutter bar， while the lateral penetration is 8 mm damping alloy square columns， the root mean square value of the acceleration of the output point is reduced to 40.40% of the original output value.

Key words damping alloy; finite element analysis; vibration damping; machining precision; lathe tool

0 引言

機械加工制造業(yè)的發(fā)展對加工精度的要求越來越高，為達成高質量的切削工件，切削時的精度尤為關鍵。影響切削加工精度的主要原因之一就是切削振動，如果能降低切削振動，不僅能夠提高加工精度，并且還能延長車刀的使用壽命，減少噪音改善工人的工作環(huán)境。為此各國工程技術人員開展了大量的理論與應用研究工作，Bediaga等[1]通過改變切削控制參數來抑制切削振動，此法對于機床電機及供電線路的負荷有較大要求，而且改變切削控制參數通常會降低機械加工效率。Altintas等[2]提出了一種振動抑制算法，輸入整形濾波器避免了結構模式的激發(fā)，但以增加跟蹤和輪廓誤差為代價。Zatarain[3]提出了機床主軸轉速變化的頻域分析理論，但整個理論實用性較差。瑞典Sandvik公司在刀桿中加入阻尼動力吸振器，在實際切削過程中已經可以取得很好的效果，但是該裝置受工作頻率與環(huán)境溫度影響很大，而且使用壽命不長。日本三菱公司在刀桿輕量化設計的基礎上結合結構設計也推出了自己的減振刀桿，但在減振效果與應用范圍都還達不到工業(yè)大規(guī)模生產的要求。楊毅青等[4]用附加動力吸振裝置來減少振動，這種方法需要針對特定的加工過程建立合理的切削系統(tǒng)模型并精確地設計吸振器的參數來達到良好的減振效果，但這很難應對復雜多變的切削過程。張永亮等[5]把智能材料磁流變液的流變特性應用于車刀減振，效果顯著但是整個系統(tǒng)相對復雜，造價昂貴[3]。周琳等[6]利用摩擦吸振設計了一種減振裝置，但該裝置不具有普適性。由于這些年材料科學的迅猛革新，材料減振在工程減振中應用已成為工程熱點之一[7]，新型錳銅阻尼合金具有強度高和阻尼系數高的雙重優(yōu)點，故可在車刀減振中應用研究。

隨著有限元及計算機技術的快速發(fā)展，計算機輔助設計工程系統(tǒng)的功能和計算精度都有很大的提高，Patran&Nastran軟件是專門用于結構動力學分析和數值仿真的有限元軟件，由其建立的有限元模型及仿真結果具有很高的可靠性。本文基于有限元方法利用Patran&Nastran軟件建立了刀桿有限元模型，通過數值模擬研究了在刀桿上添加錳銅阻尼合金材料對切削過程中振動的影響，結果表明：在刀桿上添加錳銅阻尼合金材料，對車刀加工作業(yè)時進行減振，通過這種方式減振效果顯著，造價低廉，添加簡單方便，可大量生產制造。

1 阻尼合金減振機理

阻尼是指任何系統(tǒng)在振動中，由于外界作用或系統(tǒng)本身固有的原因引起的振動幅度逐漸下降的特性，其作用機理是把運動能量轉化為熱能或其它可以散耗能量的一種作用，是一種內耗作用，阻尼系數是此特性的量化表征。

阻尼合金是具有阻尼系數大，能使振動迅速衰減的特種金屬材料。常用的阻尼合金按其原理可分為：復相型、強磁型、錯位型、孿晶型。目前技術成熟的阻尼合金材料有鋅鋁合金、鎂合金、灰口鑄鐵等數十種，由圖中可以看出主要阻尼合金的衰減性能和強度如圖1所示[8]，在圖中可以看出常溫情況下錳銅阻尼合金材料其衰減性能在50%～70%，抗拉強度在635～641 MPa。

圖2為錳銅阻尼合金時效10 h孿晶結構的金相圖[9]，其工作機理主要是孿晶之間的摩擦從而增加能量的內耗最終達到減振的目的。其熱處理前后阻尼系數隨溫度變化關系如圖3所示[7]。經過熱處理后，在-20 ～30 ℃下錳銅阻尼合金阻尼系數可達0.03，數控機床的外圓車刀主要在常溫環(huán)境下工作，若降低車刀工作時的切削振動，應選用阻尼性能優(yōu)秀，材料強度高的阻尼合金材料，為此采用錳銅阻尼合金材料作為車刀減振材料能夠很好滿足這一要求。

2 有限元仿真模型建立

2.1 材料參數

材料力學性能參數如表1所示。

2.2 車刀刀桿有限元模型

用Patran&Nastran軟件[10-14]建立的刀桿有限元模型，如圖4a）所示，其中位于刀桿末端和距末端70 mm范圍內，上下表面施加固定約束，在刀尖處施加頻率為3 500 Hz激振力，激振力的主切削力、進給力和背向力為320 N、316 N和170 N。瞬態(tài)響應輸出點A位于刀桿底面前部位置。如圖4b）所示，刀桿改進設計方案的有限元模型如圖5所示，分別研究位于刀桿上下表面及中間部分添加錳銅系阻尼合金材料對振動的影響。

3 數值仿真結果及分析

3.1 上下表面阻尼合金層對振動影響

在刀桿上下表面同時添加厚度相同阻尼合金層，總厚度由1～10 mm增量為1 mm，在刀尖施加激勵即可獲得輸出點A的瞬態(tài)時間加速度曲線，如圖6所示，圖6為上下兩面添加7 mm阻尼合金層A點的瞬態(tài)響應時間加速度曲線對比圖。由圖中可以看出，初始階段其加速度峰值迅速衰減經過一段時間后逐漸進入穩(wěn)態(tài)振動。

為了區(qū)分衰減期和穩(wěn)定期，選取一段時間加速度圖像篩選出其峰谷值，求取這段時間內加速度峰谷值的標準差，計算標準差與這段時間內加速度絕對值最大值的比值，如果比值小于等于15%則判定其已經進入穩(wěn)定期。采用計算加速度均方根值的形式進行量化可以分別獲得衰減期穩(wěn)定期加速度均方根柱狀圖，如圖7所示，其中柱狀圖上方百分比為有無阻尼合金圖層時，輸出點A加速度均方根值的比值，從圖7中可以看出上下表面總厚度為7 mm阻尼合金圖層A點在衰減期加速度均方根值降為58.35%，穩(wěn)定期加速度均方根值降為33.48%，采用上述方法繪制出隨著阻尼合金層的厚度增加，A點加速均方根值的曲線圖如圖8所示。

從圖8中可以看出，阻尼合金層對刀桿減振效果非常顯著，輸出點A衰減期加速度均方根值最大可降為原輸出值的56.53%，穩(wěn)定期加速度均方根值可降為30.86%。當阻尼合金圖層厚度超過3 mm時衰減期加速度均方根值可略有下降，而穩(wěn)定期加速度均方根值趨于穩(wěn)定，由此說明，在衰減期隨著阻尼合金厚度的增加其振動衰減仍有增加趨勢，而對穩(wěn)定期振動影響不明顯。

3.2 刀桿內部阻尼合金材料對振動影響

不影響刀桿強度、剛度情況下，為了研究刀桿內部添加阻尼合金材料對振動的影響，選定在上下表面具有阻尼合金層總厚度分別為3 mm、6 mm、9 mm的刀桿其內部貫穿邊長8 mm的阻尼合金方柱，其位置如圖5所示，從而獲得上述3種方案與原始刀桿加速度均方根曲線圖如圖9所示。

由圖9中對比可以看出，內部貫穿阻尼合金方柱后對穩(wěn)定期的影響不是很大，但是隨著阻尼合金層厚度增加對衰減期有了更明顯的減振趨勢。

通過上述研究當上下兩面添加阻尼合金圖層后，A點衰減期加速度均方根值最大可降為原來的56.53%，而穩(wěn)定期加速度均方根值降為30.86%。對于既有阻尼合金層又有中間貫穿邊長8 mm阻尼合金方柱時A點衰減期加速度均方根值最大降為原始刀桿的40.40%。

4 結論

數值仿真的結果表明，在不改變刀桿結構尺寸基礎上，在適當位置添加錳銅系阻尼合金材料層，可大幅降低刀桿工作時引起的振動，從而可提高切削加工時的穩(wěn)定性及加工精度，在刀桿內部某些關鍵位置增加阻尼合金材料可在衰減期有明顯減振效果，本文研究成果可為高精度刀具設計提供理論基礎。

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[責任編輯? ? 楊? ? 屹]