阻尼动力减振刀具动态特性分析与优化设计

摘要

深孔加工一直是机械加工中的难题，需要刀具的悬伸量较大，导致刀具的刚度较低，容易产生切削颤振，采用动力减振镗杆是解决深孔加工颤振的有效技术途径。本文以阻尼动力减振镗杆为研究对象，建立了阻尼动力减振镗杆的动力学模型并准确识别出模型的等效参数，通过一系列实验研究对比分析了国内外动力减振镗杆的动态特性，建立了镗杆动态切削过程系统的动力学模型，并通过Simulink动态仿真分析系统稳定性，从提高颤振稳定性角度进一步优化动力减振镗杆，通过ABAQUS建立了动力减振镗杆准确的有限元模型，对镗杆进行动力学仿真分析。本文具体研究内容如下： （1）对阻尼动力减振镗杆的结构进行分析，建立其动力学模型并分析动力减振的基本原理，根据梁理论和能量守恒原理推导动力减振镗杆集中质量模型的等效参数计算公式，以某型号镗杆为例通过ABAQUS有限元仿真验证了计算方法的有效性，根据传统吸振器减振原理计算某型号镗杆内置吸振器的设计参数并分析其振动响应特性。 （2）对国内外两把同型号的阻尼动力减振镗杆进行了一系列实验分析，包括自由模态实验、约束模态实验、轴向挤压橡胶圈切削实验、切削力测量实验。通过国内外两把阻尼动力减振镗杆的实验结果对比，分析了国内镗杆与国外镗杆的差异所在，从而提出国内生产的减振镗杆的改进方向。 （3）基于再生型颤振原理，建立了阻尼动力减振镗杆镗削过程的时延闭环动力学模型，分析了镗削过程的颤振稳定性并绘制稳定性叶瓣图。使用Simulink对阻尼动力减振镗杆的动态切削过程进行仿真，由仿真所得的主系统时域响应曲线分析动态切削宽度对颤振稳定性的影响。 （4）从提高颤振稳定性角度进一步优化动力减振镗杆，推导出动力减振镗杆吸振器的刚度和阻尼的最优设计公式，以某型号镗杆为例该方法比相比传统方法稳定性提高了102%，使用MATLAB数值计算的方法得到振芯长度的最优值，镗杆的颤振稳定性再提高了18%。使用ABAQUS对优化后的阻尼动力减振镗杆的动力学特性进行有限元仿真分析，包括模态分析和谐响应分析，仿真结果与理论计算和实验结果进行对比，验证了有限元模型的有效性。

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