大长径比动力减振车削刀杆设计方案的研究与探讨

秦柏 季雅娟 王全福

哈尔滨理工大学机械动力工程学院 黑龙江哈尔滨 150000

大长径比动力减振车削刀杆设计方案的研究与探讨

秦柏 季雅娟 王全福

哈尔滨理工大学机械动力工程学院 黑龙江哈尔滨 150000

本文介绍了大长径比动力减振车削刀杆的具体实现结构，讨论了减振系统中结构参数和减振参数之间相互影响的关系。通过对系统减振特性的分析，总结出减振系统各个结构尺寸的确定方法，给出了大长径比车削刀杆在实际设计中的设计方案。

大长径比；动力减振；设计方案

1.引言

深孔加工由于其特殊的加工环境，使车削刀杆杆体的尺寸和形状都要受到一定的限制，当被加工孔的轴向尺寸较大时，会导致车削刀杆的长径比变大，刀杆的刚度会变小，导致切削中的振动加剧，严重影响加工质量，有时甚至会使加工无法正常进行。如何减小深孔车削加工过程中的振动往往是整个加工过程中的关键问题[1]。采用动力减振的结构来增加车削刀杆的动刚度，从根本上抑制振动，可以在造价相对比较低的情况下实现较大长径比[2]。

大长径比动力减振车削刀杆的结构如图1所示。图1中橡胶密封圈A和橡胶密封圈B起到了对阻尼液密封的作用。为了适应减振系统振动特性的变化环形橡胶需要一定的调节范围。图中的紧定螺钉、柱塞和垫一起实现了对环形橡胶径向刚度的调节。

由于系统中各减振参数对减振效果影响各不相同，而减振参数又是由各个结构参数来确定的，并且结构参数之间又相互制约，因此在大长径比动力减振车削刀杆的实际设计当中，各个结构参数的确定应从对最终减振效果的整体影响来考虑。本文通过对大长径比动力减振车削刀杆振动特性的分析，总结出减振系统各个结构尺寸的确定方法，从而得出对大长径比动力减振车削刀杆普遍适用的设计方案。

2.减振腔结构尺寸的确定

减振腔的尺寸包括减振腔的直径和长度。当减振腔长度一定时，减振腔的直径越大，减振块的质量就可以越大，系统的减振效果就越好。因此，在符合强度的前提下，减振腔直径越大越好。

当减振腔的长度增大，减振块的质量可以选用更大的值，来达到更好的减振效果。但由于减振腔直径的限制，选用较大的减振块质量必然会导致减振块质心位置远离刀头，这又不利于减振系统性能的提高。因此我们应同时考虑这两个因素对系统减振性能的影响[3]。通过对大长径比动力减振车削刀杆的动力学实物建模及仿真分析，可得到减振腔的直径和长度对系统减振效果的综合影响，如图2所示。

由图2可以看出随着减振腔长度的增大，刀杆在整个频域内的最大振动幅值是先变小后变大的。也就是说，存在一个长度值能使整个系统的减振效果达到最佳。从图中可以看出当减振腔的长度为刀杆杆长的三分之一时可以达到比较好的减振效果。

3.系统减振参数的确定

减振块的质量越大减振效果越好，因此根据已确定的减振腔尺寸可以计算出减振块的质量。减振块中间段的外径应比减振腔的内径小，给阻尼液留出空间。由于减振块两端圆柱的外径与环形橡胶的内径相等，环形橡胶的内径又直接影响其径向刚度，因此这里可以先给减振块两端圆柱的外径一个值，以便确定系统的减振参数。

环形橡胶径向刚度系数和阻尼液的阻尼系数是系统的主要减振参数，这两个参数对减振系统在整个频域内的响应都是有影响的。以系统的频率响应峰值为目标对系统进行优化可得到系统处于最佳减振效果时，环形橡胶的径向刚度系数值和阻尼液的阻尼系数值[4]。

4.环形橡胶和减振块的最终尺寸参数的确定

由于环形橡胶的尺寸受到减振腔大小的限制，因此减振腔的直径即为环形橡胶外圆柱面直径。减振腔长度及减振块结构确定时，环形橡胶的长度也随之确定。环形橡胶内圆柱面直径由减振块两端小圆柱的直径确定，这样就确定了环形橡胶的所有参数，可计算出环形橡胶的径向刚度系数。但这时的环形橡胶径向刚度系数未必能使系统获得最佳的减振效果，这就需要进一步的调整环形橡胶的内径尺寸。环形橡胶的内径对径向刚度的影响如图3所示[5]。

由图3可知当环形橡胶的其他参数一定时，环形橡胶的内径越大，径向刚度也越大，并且随着环形橡胶的内径变大，径向刚度变大的速度越来越快。在减振系统中随着环形橡胶内径的变大，减振块两端部的小圆柱体直径也会随之变大导致减振块的质量增加。减振块质量的增大会使系统最佳减振效果下的环形橡胶径向刚度变大，但是增大的幅度是很小的。因此肯定有一个环形橡胶内径值使环形橡胶径向刚度系数正好等于对应的减振块质量所要求的最佳径向刚度系数。

实际设计中，如果在假设的前提下计算出的环形橡胶径向刚度系数比要求的小很多，这时可以增大环形橡胶内圆柱面直径来提高径向刚度系数。如果计算出的环形橡胶径向刚度系数比要求的大，则应该通过减小环形橡胶内圆柱面直径来进行调整。并且环形橡胶内径值的求取需要多次的反复优化验证。

5.总结语

通过对大长径比动力减振车削刀杆整体减振特性分析结果的总结，得出了实际设计中应遵循的设计方案，包括减振腔结构尺寸的确定、系统减振参数的确定和环形橡胶和减振块的最终尺寸参数的确定。

[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，邵俊鹏．基于ADAMS的动力减振镗杆径向跳动频域分析及参数优化．系统仿真学报，2008，20(8)：2177-2C 181．

[5]秦柏，邵俊鹏．动力减振镗杆中环形橡胶径向刚度有限元分析．机械设计与研究，2008，24(4)：90-92．

秦柏，男，汉，黑龙江哈尔滨，副教授，主要从事机械加工振动控制黑龙江省教育厅2011年度科学技术研究项目资助，项目编号：12511086