颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀的研究

摘要

切削加工领域中，刀具的切削振动严重影响着加工工件的表面质量，制约着加工效率的提高，尤其是对于精密孔、深孔的镗削加工，因其加工需要的镗刀长径比较大，镗刀的抑振效果必须要好，而普通镗刀往往满足不了工件孔加工质量的要求。因此，大长径比镗刀的颤振抑制技术已经成为重要的研究课题。
　　本文针对大长径比镗刀的切削颤振现象，将颗粒阻尼减振技术和磁流变减振技术共同运用于大长径比镗刀中，设计出颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀，不仅可以通过颗粒之间、颗粒与镗杆腔壁之间的碰撞与摩擦来消耗振动能量，产生减振效果，而且还可以通过磁流变液的阻尼特性、实时调控性改变复合减振镗刀的固有频率从而避免共振的发生，达到抑振的目的。主要研究内容与结论如下:
　　1.阐述了课题背景及研究意义，详细介绍了减振镗刀的发展，重点介绍了颗粒阻尼减振技术和磁流变减振技术的工作机理以及国内外研究现状，提出了本文的主要研究内容。
　　2.研究了颗粒的物质特性，分别根据离散单元法与接触力学原理建立了阻尼颗粒的力学模型，提供了颗粒阻尼系统总接触力、总扭矩以及能量耗散的计算方法。
　　3.建立了颗粒阻尼镗刀的动力学模型，并在不同的填充颗粒参数下对其进行了锤击与镗削实验，以检验颗粒阻尼技术在减振镗刀中的可行性，测试镗刀的性能，结果表明:填充颗粒直径越小，密度越大减振效果越好，当填充率为70％时，减振效果最佳;选取合理填充颗粒参数时，镗刀阻尼比最高达到4.38％，镗削后的工件表面粗糙度Ra值最低为1.392μm相比于实心镗刀降低了50.13％，颗粒阻尼镗刀切削性能良好。采用正交试验方法，确定了影响镗刀切削性能的主要和次要填充颗粒参数，找到了试验因素对镗刀切削性能的影响规律，最终得出了最优方案组合。
　　4.阐述了磁流变液的流变机理，详细介绍了磁流变液工作模式的分类及原理。根据四种磁流变液阻尼的动力学模型，建立了一种修正的Bingham模型，该模型既充分体现了磁流变液的阻尼特性，又具备Bingham模型简单、实用性强的优点。建立了简化的磁流变液流动特性模型，据此计算出磁流变液的阻尼力。
　　5.介绍了颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀的结构组成、装配方式以及工作原理。镗杆采用了三段式以对焊工艺进行连接，选定了镗杆材料，根据材料力学原理结合估算法确定出镗杆的尺寸;选定了磁流变减振系统的材料，考虑到结构尺寸限制，设定了磁流变减振系统的长度和镗杆轴肩的高度，依据理论，选取了磁流变减振系统三种主要结构参数各三组值作为下一步正交试验的因素水平，通过查询手册与国标确定出励磁线圈的电流密度和型号，并根据安培环路定理算出其匝数，构造L9(34)正交试验表，以ANSYS二维静态磁场分析得到的阻尼通道处的磁感应强度为评价指标，通过极差分析确定出磁流变减振系统的尺寸，最终设计出颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀。
　　6.利用ANSYS对复合减振镗杆进行模态分析研究其前四阶固有频率与振型，结果表明:随着励磁线圈电流从0A增大到2A其各阶固有频率都得到提高，一阶固有频率从450.69Hz提高到了505.81Hz，各阶振型的相对位移降低，复合减振镗杆具有良好的动态性能可控性以及抑振性能;通过谐响应分析研究复合减振镗杆最前端外圆处一节点的一阶固有频率的响应，结果表明:随着励磁线圈电流从0A增大到2A，该节点处一阶固有频率的响应幅值明显减小，0A时响应幅值为3.436μm，而2A时仅为0.908μm，进一步证实了复合减振镗杆良好的动态性能可控性和抑振性能，颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀达到了设计目的。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景及研究意义

1．2 减振镗刀的发展

1．3 颗粒阻尼减振技术研究概况

1．3．1 颗粒阻尼技术减振机理

1．3．2 颗粒阻尼减振技术国内外研究现状

1．4 磁流变减振技术研究概况

1．4．1 磁流变技术减振机理

1．4．2 磁流变减振技术国内外研究现状

1．5 本文主要研究内容

2 颗粒力学特性及颗粒阻尼镗刀的试验研究

2．1 颗粒的物质特性

2．1．1 颗粒的基本特性

2．1．2 颗粒的静态特性

2．1．3 颗粒的振动特性

2．2 颗粒的离散单元法

2．2．1 离散单元法基本原理

2．2．2 颗粒的离散元力学模型

2．3 颗粒的接触力学模型

2．3．1 颗粒间的接触力学模型

2．3．2 颗粒与腔壁间的接触力学模型

2．3．3 总接触力与总扭矩

2．4 能量损耗计算

2．5 颗粒阻尼镗刀减振分析与试验研究

2．5．1 颗粒阻尼镗刀的动力学模型

2．5．2 颗粒阻尼镗刀的锤击实验

2．5．3 颗粒阻尼镗刀的镗削实验

2．5．4 结论

2．6 基于正交试验的颗粒阻尼镗刀主要填充参数对切削性能的影响分析

2．6．1 正交试验设计

2．6．2 正交试验结果及分析

2．6．3 结论

2．7 本章小结

3．1 磁流变液的流变机理

3．2 振动控制中磁流变液的工作模式

3．3 磁流变液阻尼的动力学模型

3．4 一种基于磁流变液阻尼特性的动力学模型

3．5 磁流变液阻尼力的计算

3．7 本章小结

4 颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀的设计与动力学仿真

4．1 复合减振镗刀的结构、装配及工作原理

4．1．1 复合减振镗刀的装配

4．1．2 复合减振镗刀的工作原理

4．2 减振镗杆的设计

4．2．1 减振镗杆的材料

4．2．2 减振镗杆的尺寸

4．3 复合减振镗刀磁流变减振系统的初步设计

4．3．1 磁流变减振系统的材料

4．3．2 磁流变减振系统的关键参数

4．4 基于正交试验的磁流变减振系统主要结构参数的仿真优化

4．4．1 试验因素与试验方案的设计

4．4．2 磁流变减振系统的ANSYS磁路仿真

4．4．3 正交试验的极差分析

4．5 复合减振镗杆的模态分析

4．5．1 模态分析主要步骤

4．5．2 模态分析结果及分析

4．6 复合减振镗杆的谐响应分析

4．6．1 谐响应分析主要步骤

4．6．2 谐响应分析结果及分析

4．7 本章小结

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢