大長徑比動力減振車削刀桿設計方案的研究與探討

秦柏 季雅娟 王全福

哈爾濱理工大學機械動力工程學院 黑龍江哈爾濱 150000

大長徑比動力減振車削刀桿設計方案的研究與探討

秦柏 季雅娟 王全福

哈爾濱理工大學機械動力工程學院 黑龍江哈爾濱 150000

本文介紹了大長徑比動力減振車削刀桿的具體實現結構，討論了減振系統中結構參數和減振參數之間相互影響的關系。通過對系統減振特性的分析，總結出減振系統各個結構尺寸的確定方法，給出了大長徑比車削刀桿在實際設計中的設計方案。

大長徑比；動力減振；設計方案

1.引言

深孔加工由于其特殊的加工環境，使車削刀桿桿體的尺寸和形狀都要受到一定的限制，當被加工孔的軸向尺寸較大時，會導致車削刀桿的長徑比變大，刀桿的剛度會變小，導致切削中的振動加劇，嚴重影響加工質量，有時甚至會使加工無法正常進行。如何減小深孔車削加工過程中的振動往往是整個加工過程中的關鍵問題[1]。采用動力減振的結構來增加車削刀桿的動剛度，從根本上抑制振動，可以在造價相對比較低的情況下實現較大長徑比[2]。

大長徑比動力減振車削刀桿的結構如圖1所示。圖1中橡膠密封圈A和橡膠密封圈B起到了對阻尼液密封的作用。為了適應減振系統振動特性的變化環形橡膠需要一定的調節范圍。圖中的緊定螺釘、柱塞和墊一起實現了對環形橡膠徑向剛度的調節。

由于系統中各減振參數對減振效果影響各不相同，而減振參數又是由各個結構參數來確定的，并且結構參數之間又相互制約，因此在大長徑比動力減振車削刀桿的實際設計當中，各個結構參數的確定應從對最終減振效果的整體影響來考慮。本文通過對大長徑比動力減振車削刀桿振動特性的分析，總結出減振系統各個結構尺寸的確定方法，從而得出對大長徑比動力減振車削刀桿普遍適用的設計方案。

2.減振腔結構尺寸的確定

減振腔的尺寸包括減振腔的直徑和長度。當減振腔長度一定時，減振腔的直徑越大，減振塊的質量就可以越大，系統的減振效果就越好。因此，在符合強度的前提下，減振腔直徑越大越好。

當減振腔的長度增大，減振塊的質量可以選用更大的值，來達到更好的減振效果。但由于減振腔直徑的限制，選用較大的減振塊質量必然會導致減振塊質心位置遠離刀頭，這又不利于減振系統性能的提高。因此我們應同時考慮這兩個因素對系統減振性能的影響[3]。通過對大長徑比動力減振車削刀桿的動力學實物建模及仿真分析，可得到減振腔的直徑和長度對系統減振效果的綜合影響，如圖2所示。

由圖2可以看出隨著減振腔長度的增大，刀桿在整個頻域內的最大振動幅值是先變小后變大的。也就是說，存在一個長度值能使整個系統的減振效果達到最佳。從圖中可以看出當減振腔的長度為刀桿桿長的三分之一時可以達到比較好的減振效果。

3.系統減振參數的確定

減振塊的質量越大減振效果越好，因此根據已確定的減振腔尺寸可以計算出減振塊的質量。減振塊中間段的外徑應比減振腔的內徑小，給阻尼液留出空間。由于減振塊兩端圓柱的外徑與環形橡膠的內徑相等，環形橡膠的內徑又直接影響其徑向剛度，因此這里可以先給減振塊兩端圓柱的外徑一個值，以便確定系統的減振參數。

環形橡膠徑向剛度系數和阻尼液的阻尼系數是系統的主要減振參數，這兩個參數對減振系統在整個頻域內的響應都是有影響的。以系統的頻率響應峰值為目標對系統進行優化可得到系統處于最佳減振效果時，環形橡膠的徑向剛度系數值和阻尼液的阻尼系數值[4]。

4.環形橡膠和減振塊的最終尺寸參數的確定

由于環形橡膠的尺寸受到減振腔大小的限制，因此減振腔的直徑即為環形橡膠外圓柱面直徑。減振腔長度及減振塊結構確定時，環形橡膠的長度也隨之確定。環形橡膠內圓柱面直徑由減振塊兩端小圓柱的直徑確定，這樣就確定了環形橡膠的所有參數，可計算出環形橡膠的徑向剛度系數。但這時的環形橡膠徑向剛度系數未必能使系統獲得最佳的減振效果，這就需要進一步的調整環形橡膠的內徑尺寸。環形橡膠的內徑對徑向剛度的影響如圖3所示[5]。

由圖3可知當環形橡膠的其他參數一定時，環形橡膠的內徑越大，徑向剛度也越大，并且隨著環形橡膠的內徑變大，徑向剛度變大的速度越來越快。在減振系統中隨著環形橡膠內徑的變大，減振塊兩端部的小圓柱體直徑也會隨之變大導致減振塊的質量增加。減振塊質量的增大會使系統最佳減振效果下的環形橡膠徑向剛度變大，但是增大的幅度是很小的。因此肯定有一個環形橡膠內徑值使環形橡膠徑向剛度系數正好等于對應的減振塊質量所要求的最佳徑向剛度系數。

實際設計中，如果在假設的前提下計算出的環形橡膠徑向剛度系數比要求的小很多，這時可以增大環形橡膠內圓柱面直徑來提高徑向剛度系數。如果計算出的環形橡膠徑向剛度系數比要求的大，則應該通過減小環形橡膠內圓柱面直徑來進行調整。并且環形橡膠內徑值的求取需要多次的反復優化驗證。

5.總結語

通過對大長徑比動力減振車削刀桿整體減振特性分析結果的總結，得出了實際設計中應遵循的設計方案，包括減振腔結構尺寸的確定、系統減振參數的確定和環形橡膠和減振塊的最終尺寸參數的確定。

[1]BAKER J R, ROUCH K E．Stability analysis of boring bars with asymmetry[J]．Machining Science and Technology,2002,6(1)：81-95

[2]Mei,C.Active Regenerative Chatter Suppression during Boring

()()Manufacturing Process [J].Robotics and ComDputer-Integrated Manufacturing, 2005,21(2):153~158.

[3]Bai Qin,Bo Zhang.Structure Parameter Analysis of Dynamical Vibration Absorption Lathe Tool with Large Length to Diameter Ratio. Advanced Science Letters,2011,4(8-10):2649~2653.

[4]秦柏，邵俊鵬．基于ADAMS的動力減振鏜桿徑向跳動頻域分析及參數優化．系統仿真學報，2008，20(8)：2177-2C 181．

[5]秦柏，邵俊鵬．動力減振鏜桿中環形橡膠徑向剛度有限元分析．機械設計與研究，2008，24(4)：90-92．

秦柏，男，漢，黑龍江哈爾濱，副教授，主要從事機械加工振動控制黑龍江省教育廳2011年度科學技術研究項目資助，項目編號：12511086