机械振动精密深孔镗削中镗杆振动问题.docx

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机械振动精密深孔镗削中镗杆振动问题

北方工业大学

科目机械振动-精密深孔镗削中镗杆振动问题

学院机电工程学院

专业班级　　　　机研-12　　　　　

学生姓名

指导教师

撰写日期：

2012年12月12日

摘要

在机械制造业中，一般规定孔深L与孔径d之比大于5，即L/d＞5的孔称为深孔。

深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行的，不能直接观察到刀具的切削情况；且受孔径尺寸限制，刀具直径小，悬伸长，刚性差；切屑不易排出，切削热不易传散，因此深孔加工一直是金属切削领域内公认的技术难题。

而对于两端孔径小，中间孔径大的瓶腔深孔加工则难度更大，除了存在上述一般深孔加工的问题外，还要求实现镗刀块的伸出、夹紧、松开、缩回等动作，且受入口直径的限制，镗杆的刚性问题及振动问题变得更加尖锐。

因此精密小深孔加工技术的研究在理论和实践上都具有重要意义。

关键词：

深孔；镗削；减振

1机械振动概况

1.1机械振动对机械加工的影响

在机械加工过程中,工艺系统的振动会破坏刀具与工件之间正常的运动轨迹,给机械加工带来较大的危害,具体表现在以下几个方面：

①影响加工表面质量,频率低时产生波纹,频率高时产生微观不平度；②降低生产效率,加工中的振动制约了切削用量的提高,严重时甚至使切削不能正常进行；③缩短刀具、机床等的使用寿命；④振动产生的噪声污染了环境。

据统计,机械加工过程中的振动以自激振动为主,约占总数的70%以上。

为了保证零件的加工质量,在机械加工过程中,必须采取相应的工艺措施对自激振动加以控制

1.2深孔加工的振动问题

深孔加工技术尤其是精密小深孔加工技术的研究在理论和实践上都具有重要意义。

精密孔是机械零件上常遇到的加工表面，由于孔加工属于半封闭式加工，排屑和冷却困难，刀具的刚性差，加工精度和表面粗糙度要求很难保证。

精密孔的加工多采用磨削加工。

由于受孔径限制，砂轮线速度低，砂轮杆直径小，刚性差，很难保证加工精度和表面粗糙度精度要求，生产效率低，尤其是精密深孔加工很难适应生产要求。

2精密振动切削工艺中的振动问题

2.1项目简介

2.1.1项目中的振动

与哈尔滨东安发动机有限公司合作项目“超弱刚度件精密振动切削工艺”中，需要加工两端小中间大的深小孔，由于镗杆及工件较长，刚度超弱，加工过程中易产生颤振现象，为实现弱刚度轴类件深孔镗削的精度要求，必须通过分析镗杆受力情况、合理选择刀具几何角度、优化装夹位置、确定好超声振动切削工序的工艺参数及范围、设计辅助结构等方法，最终解决切削过程中的颤振问题。

2.1.2项目镗削工序的振动分析

该零件的结构特点是两端孔径小，左边是φ14，右边是φ18,中间孔径大φ19,是回转体,异型孔,零件全长约780mm（两端加工艺夹头）,镗削φ19mm孔时,镗杆最短伸出长度约350mm（包括工艺夹头）。

由于孔径较小,孔比较深,同时零件的加工尺寸精度及表面粗糙度以及相互位置精度要求都比较高,加工该零件有很大的难度,其中最大的难点是对两端孔径小、中间孔径大的小孔径深孔进行加工，镗削过程中很容易引起自激振动,镗杆的颤振影响到加工表面的粗糙度，工件圆柱度、甚至刀尖崩刃等。

如图1为加工中所用空心镗杆内套的控制杆。

工艺试验件规格：

φ40×φ18×（40-50）；工艺试验件材料：

18Cr2Ni4WA；工艺试验件硬度：

HRC28~35；工艺试验件加工参数：

线速度：

Vc=2~3m/min；进给：

F=0.08~0.10mm/r；切深：

ap=0.05~0.10。

图1控制杆

毛坯规格φ50×786如图2。

图2毛坯

最终加工简图如图3。

图3加工件图

3深孔镗削过程中的振动分析

3.1深孔镗削过程中的自激振动

深孔镗削过程中即使没有周期性外力的作用，刀具和工件之间也可能产生强烈的相对振动。

振动时，动态切削力伴随产生，并在工件的表面上残留下明显的振纹，这种现象就属于自激振动。

并假设瞬时切削力与瞬时切除面积成正比，在进给速度一定的情况下，与瞬时背吃刀量成正比，来分析深孔镗削过程中的自激振动产生的原因深孔镗削时，如图4（b）所示，在理想情况下，镗刀的加工轴线和工件的回转轴线在一条直线上，此时如果不考虑已加工孔的表面粗糙度误差，假设已加工孔为理想圆的情况下，刀具切削时的背吃刀量为恒值，切削力不会发生变化，此时不会产生自激振动。

但是，在实际加工中，导向或导向套与深孔镗刀之间总有一定的间隙δ，如图4（a）所示，所以在深孔镗刀进行切削时，就将镗刀压向一边，使得镗刀的中心线与工件的回转轴线不在一条直线上，如图4（c）所示，切削时背吃刀量ap周期性变化，使切削力必然发生周期性的变化，产生自激振动图4（d）为深孔镗削前后截面示意图，其中未镗孔前的半径为r,镗孔后，孔的半径为'r。

由图4可以看出，深孔镗削时，由于导向孔的间隙，导

图4深孔镗削中自激振动示意图

致已加工轴线和工件旋转轴线不在一条直线上，从而产生背吃刀量周期性变化，使切削力产生周期性变化，引起振动，随着镗削的深入，已加工轴线偏移加大，振动加剧，当振动频率接近系统频率时，此时观察切屑可以发现，镗削的切屑是由厚变薄或由薄变厚周期变化，正如图4（d）中半径为r和

之间切下的区域。

由镗杆共振条件

得长径比：

如此设计镗杆时尽量避开共振条件下的一系列长径比。

3.2深孔镗杆进行了静力学和动力学理论分析

深孔镗杆静力学分析时，可将镗杆简化为悬臂梁，如图5所示得到截面B的转角和挠度分别为（受限于篇幅，计算过程及字母说明略，下同）：

；

说明在切削力不同的情况下，可得到不同的挠度，当切削力在周期性变化时，挠度随之变化，产生振动。

深孔镗削的镗杆一般都很长，所以它的振动力学分析将

图5深孔镗削静力学分析示意图图6深孔镗刀杆单元力学模型示意图直接影响镗刀的切削特性，如图6所示，对于在镗杆没有受外力但是有阻尼的情况下的动力学方程可以表示为：

从对深孔镗杆的受力分析，可以得出深孔镗削加工振动的基本方程公式。

另外要着重指出的是，在使用超细长深孔高效精密多刃变径镗刀时，受扭转产生的扭矩对振动有大的影响，如图7。

镗杆主要受三个方向的切削力作用，即圆周力、径向力和轴向力。

圆周力是主切削力，通常情况下，径向力约为圆周力的1/3，轴向力约为圆周力的1/2。

此外，镗杆还受自重力的作用。

镗杆在圆周

图7深孔镗杆在镗床上的结构示意图

力的作用下产生扭转和振动，圆周力是镗杆计算的依据。

所以镗杆在圆周力的作用下的受力平衡方程为：

可见，镗杆为二阶稳定振荡系统，因此，保证适宜的扭转角和转角振荡时间，

按稳态扭转刚度计算镗杆直径是合理的，即只考虑其线性部分。

镗杆直径与扭转角

的直接关系：

在镗杆长度一定的情况下，增大镗杆直径，镗削时的扭转角必然减小，这也从另一方面说明增大镗杆直径对增强镗削过程中的扭转振动有积极地作用。

3.3对深孔镗杆进行ANSYS分析

对所有变形图和等效应力云图进行综合分析，得出切削速度和进给量与最大变形量与最大等效应力关系，如图8所示；根据关系图，将镗刀的受力，变形作为优化目标，可得出以下结论：

当切削速度在一定范围之内（64~320）时，最

图8切削速度与应力应变的关系图9进给量与应力应变的关系

大等效应力和最大变形量的变化范围并不是很大，其中等效应力的变化范围是（0.37~0.46）MPa，最大变形量的变化范围是（0.135~0.17）mm所以改变切削速度对镗削合力的影响较小，由该图可知，当切削速度在200

时，最大变形量和最大应力最小，而且当切削速度超过以后，最大应力和最大应变都有下降的趋势为了保证加工效率，可选用切削速度为250

。

从图9中可以看到，最大变形量和最大等效应力随着切削深度的增加逐渐增大当进给量在（0.05~0.25）mm时，最大变形量在（0.067~0.17）mm，而该镗刀在设计时要求刀头直径的尺寸偏差为所以将镗刀的受力和变形作为优化的对象，保证镗刀正常的工作，选取进给量的变化范围在（0.05~0.25）mm之间进给量与应力应变的关系，如图9所示。

3.4深孔镗杆的模态分析

镗杆系统具有固有振动频率，在设计过程中使这些固有频率避开外界激励的频率可以避免发生共振，从而有效地减小振动幅值。

模态分析的目的是确定结构的振动特性如结构的自然频率、振型和振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动）。

分析模型的建立与静力学分析相同，提取前十阶模态振型向量，如图10，经分析得出镗杆系统低频段固有频率及相应振型。

该结构的模态主要是镗杆的扭转或弯曲。

基本可分为水平面内的弯曲、垂直面内的弯曲、水平面内的扭转以及垂直平面内的扭动等几种类型。

图10镗杆前十阶振动频率

4减小深孔镗削中振动的方法

4.1概述

由前面的分析可知深孔镗削的振动与固有频率、切削刚度、结构刚度和工艺刚度有着密切的联系，因此可以提出以下几种抑制振动的方法：

1）合理选择刀具几何形状：

①使用大前角刀片或正前角刀片，以降低切削力；②减小刀尖圆弧R，以降低吃刀抗力；③在小切深加工时，减小切削刃倒棱宽度，以保持良好的切入性能；

2）提高工艺系统的抗振性：

①镗杆的固有频率与镗杆的悬伸长度、镗杆的直径及镗杆的材料等因素有关系。

可以通过控制这些参数达到改变系统固有频率的效果；②提高机床的抗振性改善机床刚性、合理安排各部件固有频率、增大阻尼以及提高加工和装配的质量等,特别是提高机床中薄弱环节的抗振性。

③改变工艺系统刚度：

减小工艺系统各结合面间隙，可靠的夹紧工件，增大镗杆截面尺寸以提高刀杆刚性和减缩不必要的外伸量都将使振动区域和振幅减小；④提高刀具的抗振性改善刀杆的惯性矩、弹性模量和阻尼系数；

3）采用减振装置：

当采用上述措施仍然达不到消振的目的时,可考虑使用减振装置。

减振装置通常都是附加在工艺系统中,用来吸收或消耗振动时的能量,但它并不能提高工艺系统的刚度。

减振装置主要有阻尼器和吸振器两种类型。

阻尼器常用的有固体摩擦阻尼、液体摩擦阻尼和电磁阻尼等,吸振器常用的有动力式吸振器和冲击式吸振器两种；

4）合理调整振型的刚度比：

根据振型耦合原理,工艺系统的振动还受到各振型的刚度比及其组合的影响。

合理调整它们之间的关系,可以有效地提高系统的抗振性,抑制自激振动。

4.2超声波方法

超声波振动镗孔与普通镗孔的切削过程完全不同，超声波振动镗孔由于刀具附加了振动，使普通镗孔的连续切削成为断续的脉冲切削，使工件材料被切除过程中挤压刀具产生的刀具无规律的被动振消失。

刀具与工件在切削过程中的运动如图11所示。

工件以恒定的速度

转动，刀具作频率为

，振幅为

的扭转振动。

当刀具向下振动时，由于刀具的振动速度

（

）很大，

，远远大于

，因此，刀具脱离工件而不切削。

当刀具向上振动到某一点时，刀具开始切削，而当刀具向上振动达到最大振幅时，振动速度改变方向即与切削速度同向而脱离切削。

因此，超声波激振刀具镗孔的过程是刀具有规律的脉冲状的断续切削过程，且每次振动切削工件表面的长度相等，其长度为

。

这样在已加工表面由

和进给量t构成了格状花纹。

由于脉冲状的断续切削消除了工件挤压刀具产生的无规律的弹性振动，使切削变为“纯切削”，切屑变形极小。

如果增加切削速度

。

刀具和工件无法脱离，脉冲的断续切削消失，振动镗孔的效果也完全消失趋于普通世孔，这样的切削速度

称为临界切削速度，为了获得振动切削效果必须使

，一般

。

图11振动方向和刀刃位置图12切力波形图13三幅频特性曲线

由于超声波振动镗孔断续的脉冲切削过程，使得切削力波形与普通膛孔波形必然不同。

图12（a）所示为普通性孔的削力波形，它一是在平均切削力P上叠加了较为复杂的交流成分。

图12（b）是超声波振动镗孔的切削力波形。

刀具在一个振动周期T内，只有在切削的时间

内才产生切削力，因此它的切削力波形必然是脉冲状的。

这使其平均切削力大大减小，所以超声波振动憧削淬硬钢也能得到较理想的效果。

超声波激振刀具产生的刀具超声频振动可使工艺系统更加稳定，消除自激振动。

根据振动学的理论，可以将机床—夹具一工件—刀具组成的系统简化成单自由度的弹性振动系统。

该系统在图12（b）激振力的激振下，其幅频特性曲线如图13所示。

纵坐标为振动系统的动态放大倍数

，则

，

是强迫振动的振幅，

是振动系统在静态力

，作用下的静态位移。

横坐标是激振频率

（

）与系统固有频率

（

）的比值。

以图4可看出，

时，系统共振，

>3，时动态放大系数

<1，趋于

。

采用超声振动镗削精密深孔可以获得较高的加工精度和较低的表面粗糙度，是普通镗削加工无法比拟的，在一定条件下可以代替磨削和研磨加工方法，解决了普通镗削过程中排屑困难，系统刚性差等问题，可以获得满意的加工质量和生产效率。

切削过程中切削速度要小于等于的临界切削速度；刀具带有修光刃时可以加大进给量；在超声波发生器功率足够时背吃刀量对加工效果影响不大。

采用超声波激振刀具使其产生振幅为15

左右的超声频振动，实现分离型振动切削，满足脉冲力作用的不灵敏性切削机理，否则超声振动镗削精密深孔的特有效果消失。

4.3镗杆结构优化

为便于切屑的排出,要在刀头附近设计倾斜结构容屑槽,排屑性能良好设有大陷窝,增加了镗刀杆的刚度,减少了高频振动；刀杆夹紧部位设计成对称小平面,便于定位夹紧,防止了镗刀杆的扭转；镗刀杆的结构设计使刀杆自身的衰减系数增加,刀杆振动后的稳定时间缩短，常见的有冲击块式减振镗杆、采用高密度材料作为内置式减振器的减振镗杆、附加吸振质量块镗杆，分别如图14、图15、图16。

图14冲击块式图15内置式图16附加质量块式

4.4智能镗杆颤振监测实验系统

由镗削实验的加工表面照片放大图，如图17分析可将颤振分为三个过程。

开始阶段，镗削处于平稳切削状态，1ｓ左右进入颤振孕育阶段，振动信号的振幅也不断增大，当接近2ｓ左右的时候，能量积累达到了最高，颤振已经形成，

图17颤振阶段图18颤振监测系统图19现场加工

振幅维持在很高的水平，这严重影响镗削加工，破坏了工件的加工表面，在加工表面留下了振纹。

如能在颤振孕育阶段发现颤振的形成征兆，并对颤振进行抑制，就能避免加工表面的损坏，为此，对镗削振动信号进行ＥＭＤ（经验模态分解）分解、ＨＨＴ（希尔伯特－黄变换）变换等处理分析，提取颤振的形成征兆。

，采用智能镗杆颤振监测实验系统，从而完成镗削颤振的快速预报，如图18。

现场加工如图19。

4.5镗削振动主动控制

镗削振动主动控制系统模型中，考虑对位配置的方式,将压电传感器和执行器分别粘贴于镗杆的上下表面,传感器的输出电压可表示为：

传感器采集到的振动电压信号经反馈放大后,将控制电压施加到压电执行器的两端,在振动结构上产生纯弯曲控制力矩,力矩大小与控制电压的关系为：

镗削振动主动控制原理如图20所示。

将压电陶瓷传感器粘贴到镗杆上,利用压电效应检测系统振动状态,将检测到的振动信号经过反馈控制电路比例的放大后反相加载在压电执行器上,使系统的动力参数发生改变,进而达到主动控制的目

图20镗削振动主动控制原理图21不同主轴转速下控制效果

的。

另外其中要进行电压放大电路设计和功率放大电路设计。

如图21不同主轴转速下控制效果。

4.6深孔镗削加减振措施后效果

经过分析深孔镗削的振动与固有频率、切削刚度、结构刚度和工艺等关系，综合运用合理选择刀具几何形状、提高工艺系统的抗振性、采用减振装置、合理调整振型的刚度比、超声波方法、镗杆结构优化、智能镗杆颤振监测实验系统、镗削振动主动控制、设计辅助结构等方法。

抗振效果非常明显，效果如图22。

图22采取减震措施前后对此

5.总结

深孔加工技术尤其是精密小深孔加工技术的研究在理论和实践上都具有重要意义。

精密孔是机械零件上常遇到的加工表面，两头小中间大的瓶腔件更是一个难题，大得长径比造成的超弱刚度与高的加工精度和表面质量要求形成矛盾。

精密孔的加工多采用磨削加工。

由于受孔径限制，砂轮线速度低，砂轮杆直径小，刚性差，很难保证加工精度和表面粗糙度精度要求，生产效率低，尤其是精密深孔加工很难适应生产要求。

深孔加工中遇到的振动问题是最重要的问题之一，直接影响了加工质量，解决振动问题、散热与排屑问题以后，加工才可以保证质量和效率。

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