减振刀具系统的结构设计动力学分析说明书毕业设计论文

减振刀具系统的结构设计动力学分析说明书

毕业设计论文

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工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，是一个非常复杂的机械振动现象。由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计要求的有效方法，通过动态设计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目的，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镗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，获得镗刀杆系统在加工条件下的变形、应力分布等信息。

镗削是一种用刀具扩大孔或其它圆形轮廓的内径车削工艺，其应用范围一般从半粗加工到精加工，所用刀具通常为单刃镗刀（称为镗杆）。镗刀有三个基本元件：可转位刀片、刀杆和镗座。镗座用于夹持刀杆，夹持长度通常约为刀杆直径的4倍。装有刀片的刀杆从镗座中伸出的长度称为悬伸量（镗刀的无支承部分）。悬伸量决定了镗孔的最大深度，是镗刀最重要的尺寸。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镗刀。静刚度反映镗刀承受因切削力而产生挠曲的能力，动刚度则反映镗刀抑制振动的能力。本文的第3部分主要分析镗刀的静刚度。文中资料来源于作者对镗刀挠曲的研究。镗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目的,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镗杆，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，利用减振镗杆，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镗杆，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

减振镗杆在机械行业的研究中，已经有很长的历史了，但减振镗杆的研究和发展是比较缓慢的。到目前为止，世界上只有为数不多的几家厂商能生产出性价比较好的产品。目前市场上流行的各种减振镗杆主要以国外产品为主，比如瑞典的山特维克，美国的肯纳，在我国由于试验，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镗杆的头部重量，从而使镗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。当镗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。所以当镗杆受到偏心力时，刀头的那两部分可以切掉一些，这样不仅镗杆头部的重量减少了很多，而且静刚度的减少量也较小，同时镗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，其主要问题是采用头部切除法有很大的局限性，即其长径比不能达到太大。

东芝公司的减振镗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，从而提高镗杆的静刚度。这种镗杆的原理简单，其镶嵌在杆两侧的硬质材料和刀体粘结程度是影响镗杆质量的关键因素。同时由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公司生产的减振镗杆(最大长径比L/D=8)主要是采用特殊的材

料制成，也属于提高镗杆静刚度的一种。

瑞典Sandvik公司的减振镗杆(最大长径比L/D=16)是目前最先进的镗杆，它所采取的方法是给镗杆加内置减振器。这虽然提高了镗杆的动刚度，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镗杆的使用寿命．国内的一些减振镗杆很多都处于研究阶段，采用的大多是增加镗杆静刚度的方法，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采用一些技巧。

到目前为止，国内的工具厂商还没有在减振镗杆的制造方面有大的进展，特别是在制造长径比比较大的镗杆方面，而且对内置式减振镗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镗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，特别是在采用小直径镗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、研究立铣刀的固有振动频率和振型、对立镗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，而且这一分析结果也有助于预测分析加工过程中的若干现象。

本课题镗刀杆为研究对象，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镗刀杆生产，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。