基于ANSY S的深孔鏜桿諧響應(yīng)分析

周曉暉，李曉臣，周利平（西華大學(xué)　機(jī)械工程學(xué)院，成都　610039）

基于ANSY S的深孔鏜桿諧響應(yīng)分析

周曉暉，李曉臣，周利平
（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都610039）

鏜削是在金屬切削加工中占有重要地位，當(dāng)采用鏜削方式進(jìn)行機(jī)床加工特別是細(xì)長孔的加工時(shí)，由于其加工過程中受環(huán)境、切削要素以及其他外界因素的影響，可能會(huì)使鏜桿的剛度達(dá)不到要求。一般情況下當(dāng)鏜桿的長度過長，尤其是當(dāng)長度和直徑比大于4時(shí)，鏜桿在加工過程中就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量有很大影響。本文通過建立有限元模型，分析受力，并利用ANSYS進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

ANSYS；深孔鏜桿；諧響應(yīng)

0　引言

鏜削加工是在鏜床上進(jìn)行，主要是用與孔特別是長細(xì)孔的加工，選取合適的加工參數(shù)，加工得到的零件精度會(huì)很高。鏜削的工作過程為：工件是固定不動(dòng)的，由鏜床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)鏜刀旋轉(zhuǎn)完成鏜削的主運(yùn)動(dòng)，主軸的上下運(yùn)動(dòng)完成鏜削的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。因?yàn)殓M削不同于車削，鏜刀是高速旋轉(zhuǎn)的，所以加工過程中一般都會(huì)發(fā)生刀具的振動(dòng)，當(dāng)然傳統(tǒng)方法通過改變切屑要素比如降低切削速度、減小進(jìn)給速度，這些會(huì)適當(dāng)降低切削力，但這些方法不經(jīng)濟(jì)不適用于現(xiàn)在高效率、高質(zhì)量的生產(chǎn)要求，而且有些情況下，這些方法反而會(huì)使加工質(zhì)量降低。本文運(yùn)用ANSYS建立有限元模型，并進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

1　諧響應(yīng)分析簡介

給系統(tǒng)一個(gè)持續(xù)的、周期性的載荷，那么該系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的持續(xù)的周期性響應(yīng)。諧響應(yīng)分析就是用來確定系統(tǒng)在承受諧波載荷（隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的載荷）時(shí)得到的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)。該技術(shù)分析所達(dá)到的目的就是計(jì)算出系統(tǒng)在幾種頻率下的響應(yīng)，然后繪制并得到位移對(duì)頻率的曲線。通過幅頻特征曲線我們可以清楚的知道，該系統(tǒng)在不同頻率下所產(chǎn)生的位移，以及最大位移（峰值）所對(duì)應(yīng)的頻率。通過諧響應(yīng)分析設(shè)計(jì)人員可以預(yù)測振動(dòng)情況，并且可以通過改善結(jié)構(gòu)特征來降低振動(dòng)以及避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及安全性能。

鏜削過程中由于受外界干擾和自身頻率的影響，鏜刀承受周期性變化的力，從而使鏜桿發(fā)生振動(dòng)，這種振動(dòng)幅度到了一定程度將會(huì)降低加工效率，而且振動(dòng)會(huì)使產(chǎn)品加工表面粗糙度變大，影響加工精度，更重要的是長時(shí)間大的振動(dòng)會(huì)影響鏜床的穩(wěn)定性，有一定的安全隱患。

2　仿真模型的建立

用Solidworks建立鏜桿的簡化三維模型，轉(zhuǎn)為中間格式后導(dǎo)入到ANSYS中如圖1。在網(wǎng)格劃分時(shí)采用自由適應(yīng)劃分策略，自由網(wǎng)格劃分操作對(duì)實(shí)體三維模型沒有特殊要求。單元尺寸、網(wǎng)格數(shù)目的多少將直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確的以及計(jì)算所需的時(shí)間。通常情況下，網(wǎng)格數(shù)目增加單元尺寸越小，運(yùn)算得到的結(jié)果精度會(huì)提高，但是于此同時(shí)計(jì)算量增加、計(jì)算時(shí)間會(huì)很長，本實(shí)驗(yàn)的三維模型比較簡單所以確定的網(wǎng)格數(shù)目適中。根據(jù)鏜桿的安裝特點(diǎn)，在鏜桿末端施加位移約束，在鏜桿前段假定一個(gè)節(jié)點(diǎn)為鏜刀，并施加一個(gè)周期變化的力。本實(shí)驗(yàn)選取切削速度為20m/min，進(jìn)給量為0.3mm/r，背吃刀量為0.7mm，被加工材料選擇最常用的鋼材45鋼，于是通過查表根據(jù)切削力實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算得到施加在鏜刀刀頭的載荷最大值為533N。

3　仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖2所示當(dāng)頻率達(dá)到400Hz時(shí)，鏜桿振動(dòng)幅度最大，當(dāng)頻率高于700Hz時(shí)，振動(dòng)幅度逐漸減小。

圖1　鏜桿仿真模型

圖2　鏜桿幅頻特性曲線圖

4　結(jié)束語

通過ANSYS對(duì)鏜桿進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到鏜桿的諧響應(yīng)幅頻特性曲線圖，為鏜桿的實(shí)際設(shè)計(jì)以及加工參數(shù)的設(shè)定提供參考。

［1］張洪才.ANSYS14.0理論解析與工程應(yīng)用實(shí)例［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］曾林林，周利平.單臂懸伸鏜桿力學(xué)建模及其有限元分析［J］.河南科技，2014（01）：85-86.

［3］陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.098

周曉暉（1991-），男，碩士研究生，研究方向：制造過程數(shù)值仿真技術(shù)。