畢業(yè)設計（論文）-減振鏜刀的設計與分析（全套圖紙）

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1、 中北大學信息商務學院 畢業(yè)設計說明書 減振鏜刀的設計與分析 學生姓名： 學號： 系 別： 機械工程系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 職稱： 副教授 2016年6月2日 II 原 創(chuàng) 性 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計說明書，是本人在指導教師的指導下，獨立進行研究所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本文不包含其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集

2、體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律責任由本人承擔。 作者簽名： 日期： 使 用 授 權 聲 明 本人完全了解中北大學信息商務學院有關保管、使用畢業(yè)設計說明書的規(guī)定，其中包括：①學院有權保管、并向有關部門送交畢業(yè)設計說明書的原件與復印件；②學院可以采用影印、縮印或其它復制手段復制并保存畢業(yè)設計說明書；③學院可允許畢業(yè)設計說明書被查閱或借閱；④學院可以學術交流為目的，復制贈送和交換畢業(yè)設計說明書；⑤學院可以公布畢業(yè)設計說明書的全部或部分內容。 作者簽名：

3、 日期： 導師簽名： 日期： 中北大學信息商務學院2016屆畢業(yè)設計說明書 全套圖紙加153893706 減振鏜刀的設計與分析 摘要:我國工業(yè)現在已經處于蒸蒸日上的狀態(tài),加工生產也在不斷地創(chuàng)新和改進，作為加工中必不可少的深孔加工環(huán)節(jié)，其技術也在日益進步。但是深孔加工中振動的問題也隨之而來，加工中產生的振動不僅使得加工精度降低，還使得生產效率也大打折扣。為此，減振成了現在必須要克服的難題。內置減振系統是一種結構簡單，易于生產的一

4、種鏜刀的減振方法，它是通過在鏜刀桿的內部加減振塊，橡膠圈，阻尼液等元件來達到理想的減振效果。這種設計不僅沒有改變鏜桿原有的外觀形狀，還在一定程度上減少了振動帶來的不便，是一種使用前景非常廣闊的設計方式。 本篇設計先講述了國內外現有減振鏜桿的狀況，通過分析、參考來確定最終采用的設計方式。其次介紹了在加工過程中產生振動的不同種類和產生的機理，為設計提供一些必要的參考材料。然后再選擇減振鏜桿中所需的每個部件，在對不同部件做出不同的分析，最后再將這些部件做出動力學模型，再整合出最終的數學模型。為實際的加工生產提供一些參考。 關鍵詞：減振；鏜桿；深孔加工；剛度 II 中北大學信息

5、商務學院2016屆畢業(yè)設計說明書 Design and analysis of vibration boring cutter Abstract : Now our industry is in a flourishing state, production is constantly innovating and improving, as an essential part of the processing of deep hole machining technology is also in progress. Vibration problems in the deep h

6、ole machining also come, lower vibration produced not only makes the machining accuracy in the processing, but less productive. To this end, now has to overcome the problem of vibration reduction. Built-in vibration reduction system is a simple structure, easy to produce a boring tool vibration meth

7、od, it is by boring bar internal and vibration damping, and the rubber ring, the vibration damping elements such as liquid to achieve the desired effect. This design not only failed to change the boring bar is the original appearance of the shape, but also to a certain extent, reduce the inconvenien

8、ce of vibration, is a very broad prospects for use of design. Absorption boring bar, through analysis, to determine the final reference design. Next introduced the vibration produced during processing of different kinds and the mechanism, is designed to provide the necessary reference materials. Th

9、en the vibration absorption boring bar for each component in different parts and different analysis, then make them dynamic model in the integration of the final model. Provide your reference for actual production. Key words : vibration; boring bars; deep holes; stiffness II 目 錄 摘要 I Ab

10、stract II 目錄 III 1 緒論 1 1.1 課題背景及研究意義 1 1.2 減振鏜桿的國內外研究成果與發(fā)展的趨勢 2 1.3 國內的研究現狀與發(fā)展趨勢 6 1.4 小結 6 2 振動的機理分析和不同的減振措施 7 2.1 切削中振動的分類及產生的原因 7 2.2 減振的主要原則 8 2.3 控制機械加工振動的途徑 9 2.3.1 消除或者減弱發(fā)生振動的條件 9 2.3.2 改良工藝系統中的動態(tài)特性 10 2.3.3 選用減振裝置?? 10 3 減振鏜桿的結構設計 17 3.1 減振鏜刀的桿材料選擇 17 3.2 鏜桿的基本結構設計 17 3.

11、3 冷卻管的設計 18 3.4 減振裝置的組成元件 19 3.4.1 阻尼夜的選取 19 3.4.2 彈性元件的選擇 20 3.4.3 減振塊的選擇 23 3.5 減振鏜桿內部整體結構的設計 24 3.6 刀頭的設計 25 4 動力減振系統的數學模型 26 4.1 動力減振鏜桿系統的力學模型 26 4.2 建立動力減振系統的動力學分析模型 29 III 4.3 建立動力減振鏜桿的數學模型 29 4.4 本章小結 29 5 結論與展望 30 5.1 全文總結 30 5.2 展望 30 參考文獻 32 致謝 34 IV 中北大學

12、信息商務學院2016屆畢業(yè)設計說明書 1 緒論 1.1 課題背景及研究意義 現今,制造業(yè)的發(fā)展已成為社會進步的標準,加工中的高速和超高速加工現已成為主流趨勢,企業(yè)對加工精度的標準和要求也越來越高,在金屬切削這塊加工領域里,特別是在高速加工深孔的時候，由于孔的形狀要求和精度要求比較高,因此刀具加工產生的振動一直是阻礙加工精度的最大障礙之一，它的產生嚴重影響了零件的加工精度與表面的粗糙度,阻礙了切削加工向著高速度、高精度和高強度方向的發(fā)展。其產生的原因有很多。例如，加工中不斷變化的切削力，工件加工中裝夾不穩(wěn)定等。其次當鏜桿的懸伸量比較大時,就更加容易發(fā)生振動,進而使孔的加工精度降低。雖然，

13、有很多辦法來控制這些相關的問題，但是，由于長懸伸量刀具加工產生的巨大振動，不得不通過減少加工時的軸向切削深度與進給量來避免，這也將對金屬的去除率產生較大的影響。因此,我們有必要仔細研究機械刀具加工中振動發(fā)生的原因以及其預防和控制的方法,從而降低甚至消除加工中的振動。 從生產和加工的實際應用和價值來講,減振鏜刀的設計和研發(fā)有助于我國切削制造業(yè)的發(fā)展。我國作為世界的“制造中心”。零件整體化加工已成為趨勢,深孔加工已是機械加工中的重中之重。雖然我國的很多企業(yè)在這方面做了不少的研究,但產生的效果卻均不是很理想,與國外的研究水平還有比較大的差距,因此我國在生產制造業(yè)這條漫長的征途上還有很多道路需要走

14、。另外有些大長徑比的零件,一般的刀具達不到其理想的精度要求。但是如果要采用相符的刀具就需要考慮它的剛度穩(wěn)定性。目前我國比較穩(wěn)定的產品并不多,還需要大量引進國外生產的刀具,這就使得我國零件加工成本變得很高。因此，減振刀具的開發(fā)與研究現已經成為我國切削加工行業(yè)目前急需解決的重大問題，解決了這個問題就可以帶動我國其它相關產業(yè)的發(fā)展,進而提高我國機械行業(yè)的競爭能力。 1.2 減振鏜桿的國內外研究成果與發(fā)展的趨勢 切削振動較容易發(fā)生在剛度較低的加工中，所以，在加工中為了減少振動的產生，通常應加強鏜桿的靜剛度或者動剛度。當需要加工一般刀具無法加工的深孔時，往往需要用到長懸伸量刀具，而減振刀具成為了最

15、佳的選擇。當然，這些新型刀具在國外也有著許多的應用。 通過了解國內外的減振刀桿，總的來說，是比較緩慢的。但也有設計比較成功的案例，比如說日本的三菱（MITSUBISHI）,東芝（TOSHIBA）,瑞典的山特維克（SANDVIK）,美國的肯納（KENAMETAL）公司等。 圖1-1 三菱阻尼鏜刀桿 Fig.1-1 Damping boring cutter of MITSUBISHI 圖1-2 三菱阻尼鏜刀桿 Fig.1-2 Damping boring cutter of MITSUBISHI 其中，三菱公司刀具的設計理念是對刀頭進行了優(yōu)化的設計，就是利用軟件來模擬最終確定

16、刀頭的重量，主要是減輕鏜桿頭部的重量，防止了撓曲，加強了鏜桿的動剛度，使振動變弱。如圖1-1和1-2所示。 站在材料力學的角度上來看，這種刀具是運用了桿端部應力邊緣效應。當鏜刀桿受到偏心力的時候，可從刀頭減去一些材料，這樣既減輕了鏜刀刀頭的重量，靜剛度也沒受到多大影響，還改善了鏜桿的動剛度。 圖 1-3 三菱阻尼鏜刀刀桿減振效果 Fig.1-3 Vibration reduction effect of damping boring cutter of MITSUBISHI 三菱刀具的設計依舊存在一些缺憾，頭部切除材料的辦法也存在局限性，影響長徑不能較大。圖1-3顯

17、示的是刀桿預防撓曲還有減少振動的效果圖。 東芝公司制作的減振刀具原理是將刀具的頭部，找一處平行且相互對稱的的地方，去除掉一部分，然后在此處在嵌上堅硬的材料。但也由于這種方法產生了不少的弊端，如鑲嵌材料的剛度值，厚度值，以及在與刀體連接時的粘結穩(wěn)固性，精密性，都會對刀體整體上的產生影響，所以也會在應用上受到一些限制。如圖下圖1-4所示: 圖1-4 東芝減振刀具 Fig.1-4 Damping boring cutter of TOSHIBA 被大多數生產商看好的是山特維克可樂滿的Silent Tools 系列，它不光有減振效果，最突出的是能夠提高生產效率。如圖1-5所示

18、 圖1-5 山特維克減振刀具 Fig.1-5 Vibration Absorption tool of SANDVIK 這類刀具能夠消除最小化的振動，它的內部安裝了一個減振機構。該刀具的內部結構裝有一個回轉體，周圍被特殊液體環(huán)繞。該體統還能在超出一定限制時，進行頻率的調節(jié)。 美國kenametal公司生產的減振刀具主要采用特殊的材料制成,也屬于提高刀桿靜剛度的一種[1]。 1.3 國內的研究現狀與發(fā)展趨勢 目前我國的減振鏜桿還處于研究、開發(fā)階段，設計的中心還在工藝的改良上。孔金星，對刀具振動是深孔加工中影響精度，效率等的首要原因提出了問題。對不同類型的減振鏜桿，運用模態(tài)

19、實驗方法來測試出動態(tài)特性，最終得出固有的振型與模態(tài)參數，為減振鏜桿的研制開發(fā)提供了參考。沈陽工業(yè)學院的張志軍，測定并且推導出了動力減振器的特性參數，對大懸伸的減振鏜桿進行了完善。北京工業(yè)大學的區(qū)炳顯和王民對國內外減振鏜桿振動的控制方法現狀進行了介紹，并且也分析了各種鏜桿減振措施的特點，還對以后鏜桿減振的發(fā)展進形進行了展望。 1.4 小結 綜合現有的研究成果可知:采取單一減振原理的鏜桿，其減振效果不是很理想, 我們應該采用具有綜合性的減振措施才能取得較理想的效果。要想提高鏜刀桿的抗振效果,首先要提高鏜桿自身的動剛度,其次還要增加鏜桿的系統阻尼,增強系統對振動的吸收能力; 本人基于這種想法，于

20、是在鏜桿中選擇加入減振系統來進一步提高減振性能。鏜桿的減振系統按照耗能元件的不同，主要有動力減振器、摩擦減振器、沖擊減振器等。在此本文選取動力減振的方法來設計鏜刀桿。 2 振動的機理分析和不同的減振措施 想要保證加工生產中的精度，平穩(wěn)的過程是關鍵。但是，在實際的加工中總是產生各種各樣的問題，也會有來自系統本身的剛度條件不足,這便產生了振動。它們的機理以及控制的條件也不盡相同。因此我們要對不同的振動進行不同的分析。 2.1 切削中振動的分類及產生的原因 如下表2-1所示 振動分類 振動產生原因 振動波圖 自由振動 自由振動的產生是因為，由刀具、工件與機床組成

21、的加工工藝系統在產生加工中激發(fā)了脈沖性質的干擾力，使得其產生。 受迫振動 它產生的因素是，外界對系統施加了反復的力，進而是系統產生了受迫振動。 自激振動 自激振動的發(fā)生是因為系統自身振動從而產生交變力，這種力就會引起自己振動的產生。在整個系統中，不論外界是否有力，系統振動，那么，它就會產生。 2.2 減振的主要原則 結合現有鏜刀減振的各種方法,減振的主要原則有以下幾點: a) 選擇合適的切削參數與刀片的角度,盡可能把切削力減到最小； b) 增大鏜刀的系統，夾具，工件的靜剛度； c) 在原有刀具的內部增加一個振動來阻礙外界

22、切削力的振動,進而減弱刀具 的振動。 2.3 控制機械加工振動的途徑 2.3.1 消除或者減弱發(fā)生振動的條件 1) 消除或者減小內部振動? 高速回轉的零件在機床上必須滿足動平衡要求；加強傳動元件及傳動裝置的制造精度和裝配精度，保證零件的傳動平穩(wěn)；使動力源和機床本身分離。 2）調整振源的振動頻率?? 通過改變零件之間的傳動比，盡可能使引起強迫振動的振動源頻率遠離機床系統加工薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率，避免兩者產生共振[2]。一般應滿足 式中——機床加工系統薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率；

23、 ——激振力頻率。 3）采用隔振措施? 所謂隔離，就是將振源所產生的一部分振動被隔離裝置所吸收或者被隔離。隔振措施分為兩種，一種為主動隔振，即阻止內部振動源通過地基外流；另一種為被動隔振，即阻止外部干擾力通過地基傳送給機床。一般的隔振材料有橡皮、空氣彈簧、金屬彈簧、木屑等[3]。 2.3.2 改良工藝系統中的動態(tài)特性 1) 提升工藝系統中的剛度要求? 盡量加強工藝系統中比較薄弱環(huán)節(jié)的剛度，這樣對提高機床加工系統的穩(wěn)定性有一定的幫助。加強每個結合面的接觸剛度，向主軸支承添加載荷，向剛性比較差的工件添加輔助支承等這些措施都對提高工藝系統的剛度有一定的幫助。 2) 加強工

24、藝系統阻尼度?? 加強工藝系統中阻尼度，有很多措施去實現。如，高內阻零件的使用，加大運動件之間的相對摩擦，在立柱、床身的內腔里填充型砂，安裝阻振器于主振方向等。 2.3.3 選用減振裝置?? 我們一般的減振裝置有阻尼式、動力式、沖擊式和摩擦式減振器等三種裝置。 1）阻尼消振 即對原系統增加阻尼從而降低振動響應。這里以單自由度振動系統來舉例說明。可以導出振動位移對激振力的傳遞函數見公式（2-1） (2-1) 令,由式（2-1）可導出位移x對激振力f（t）的頻率特性G（）。其對應的幅頻特性見公式（2-2）

25、 (2-2) 設激振力是簡諧力，即,則位移振幅公式見（2-3） (2-3) 而當振動系統受到與力幅的常值力的作用大小相等，有靜態(tài)位移見公式（2-4） (2-4) 導出阻尼消振系統的動力放大系數見公式（2-5） (2-5) 式中，g為頻率比，為振動系統的阻尼比，以阻尼比參數，分別取0，0.1，0.15，0.25，0.5，0.70，1.0并

26、按式（2-5）用matlab繪制單自由度振動系統對激振f（t）的幅頻響應曲線，如圖2-1所示 圖2-1 阻尼消振系統動力放大系數幅頻曲線 Fig.2-1 Damping system dynamic amplification coefficient of amplitude frequency curve 2）動力減振系統消振原理 在工程結構和機械結構的減振系統中動力減振應用較為廣泛。它的優(yōu)點在于只要增加少量的零件就能達到想要的減振效果。 動力減振系統的簡易模型如圖2-2所示，假設彈簧的剛度是K、k、動力減振系統的質量為M、減振塊得質量

27、為m、主質量位移為x1、消振器的位移為x2，不計阻尼的響應，動力減振系統的運動方程為（2-6） (2-6) 式中，p（t）是主振動系統中的激振力。消振器質量位移與主振動系統質 位移對激振力 p（t）的幅值特性公式為（2-7） 圖2-2 動力振動系統的簡單模型 Fig.2-2 A simple model of vibration system power （2-7) 帶入參數導出消振器質量

28、位移與主振動系統質量位移的動力放大系數的解析式為（2-8） (2-8) 當主振動系統的固有頻率無限趨近于激振力頻率的時候，這時候就會產生較強的共振現象。要抑制這種現象就需要調整消振器的固有頻率，就需等式（2-9） （2-9） 將等式（2-9）帶入式（2-7），得消振器的振幅和主振動系統的振幅分別為 (2-10) 由式（2-10）可知。當激振力的頻率，消振器固有頻率兩者相等時，主振動系統

29、中的振幅就為0，這就說明主振動系統是沒有產生振動的。 3）摩擦減振減振 摩擦減振的設計原理指用摩擦阻尼的方式來綜合振動從而達到減振的效果。圖2-3所示。軸3和轂盤2?相連；擰緊螺帽4，轂盤2、摩擦盤6和飛輪1通過碟形彈簧5保持一定的壓緊力。當轂盤2跟著軸3作扭轉振動時，因為飛輪1的慣量較大，所以不能跟軸3作同步運動，和飛輪1相連的摩擦盤6與轂盤2兩者有相對轉動，摩擦盤6有消耗軸3扭振的作用，從而達到消減軸3振動的效果。? 1?-飛輪??2?-轂盤??3?-扭轉軸??4-螺帽??5?-彈簧??6?-摩擦盤 圖2-3 固體摩擦式減振器的結構簡圖

30、 Fig.2-3 A simple model of hydraulic shock absorber 4) 沖擊減振式消振法 如圖2-4 中a、b指的是沖擊式的減振鏜桿和鏜刀，兩者是通過兩個物體互相碰撞時需要損失一部分動能的設計原理，在振動體M上加一個質量m充當沖擊作用。當系統產生振動時，質量m不停沖擊著振動體M，從而消耗振動體產生的能量，起到減振的效果。 a) b) 圖2-4 沖擊式減振鏜桿和鏜刀 Fig.2-4 Impact type damping

31、boring bar and cutter 3 減振鏜桿的結構設計 設計根據目前國內外減振鏜桿比較先進的設計思路來考慮材料與結構對減振的影響, 進行鏜桿的設計。 3.1 減振鏜刀的桿材料選擇 在設計中我們擔心的是決定減振鏜桿的材料的特性參數——彈性模量與密度的值。在這個設計中我們選擇45鋼來做為桿體的材料，其中長度的單位是毫米（mm），質量單位是千克（kg），余下的選擇國際單位，材料的選用如表3.1所示 表3-1 材料 彈性模量（EX） 泊松比（PRXY） 密度（DENS） 45鋼 2.07E8 0.3 7.8E-6 3.2 鏜桿的基本結構設計 本文

32、我們將選直徑為50mm，長徑比為15的桿體來進行設計。減振桿的減振內腔直徑為44mm，長度為330mm，通孔直徑為12mm，以便使用切削液。其結構見圖3-1 圖3-1 鏜桿桿身 Fig.3-1 Boring bar shaft 鏜桿的實體模型見圖3-2 圖3-2 加上刀頭后的空心鏜桿 Fig.3-2 After a bit hollow boring bar 3.3 冷卻管的設計 深孔加工中卻少不了切削液，它的選用決定著加工質量、加工效率還有刀具的使用壽命等。結構中冷卻管與刀頭用螺紋相接，也能夠將刀頭產生的振動歸還到到頭上面，冷卻管還和橡膠墊片支撐相互照應，對減振塊起到一

33、定的支撐效果，使產生的振動流到減振塊上面，其三維模型如圖3-3所示。 圖3-3 冷卻管 Fig.3-3 cooling pipe 3.4 減振裝置的組成元件 本文對減振鏜桿采用動力減振的方式來進行消振。這里包含了減振塊、阻尼元件、彈性元件等。 3.4.1 阻尼液的選取 阻尼液存在于減振塊與減振腔之間，它可以將系統產生的振動轉化為熱能再由冷卻液帶走，達到減振的作用。對于阻尼材料的選取，據我們所知粘性阻尼系數對于鏜桿的減振有著相當大的影響。所以其粘度系數就成為了選取阻尼液的一項指標。這就需要求出粘性阻尼系數與阻尼液粘度系數兩者的關系。這里，需要應用哈爾濱理工大的秦柏博士論文中的公式

34、。 運動粘度系數公式為（3-1） (3-1) 式中c為粘性阻尼系數，是阻尼液與減振塊相連部分的長度，為阻尼液密度。 所以彈性膠泥不失為一種不錯的選擇，彈性膠泥是由抗壓劑、有機硅高分子化合物、填充劑等合成的一種材料。當其狀態(tài)在室溫下為半固態(tài)時，稱為硅膠。而狀態(tài)為液體時稱其為硅油。彈性膠泥有著良好的抗老化與抗高溫的特性，而且在溫度很高的地方它的穩(wěn)定性也很好。所以，國外許多的減振刀具都使用硅油來作為阻尼材料，常見的硅油有甲基與高粘度乙基。通過研究，甲基硅在25°C的溫度下粘度是100~1000000厘斯，通過計算它的阻尼范圍在1.2

35、4—12400N·s|m，適于用在減振鏜刀中。 3.4.2 彈性元件的選擇 彈性元件在減振系統中也起著至關重要的作用。彈性元件在減振系統中將自己變形來起到緩沖振動和傳遞力的作用。彈性元件選用的材料和形狀都會對減振產生一定的影響。所以在作彈性元件的選擇時,就要考慮減振器所處的位置和其用途。一般的減振材料為一些有彈性的有機物、金屬、橡膠等。對于金屬彈簧，橡膠更具有彈性，緩沖性。而且，在發(fā)生振動時發(fā)生了形變，很快會恢復原狀，此外，它還有很高的撓性，耐高溫性。因此本設計中選用彈簧橡膠來代替簡易模型中的k。再根據減振鏜刀的結構特點，選用圓形的橡膠圈更為合適。考慮到冷卻管的存在，其內徑定為10mm。外

36、徑為25mm，大致形狀為圖（3-4） 圖3-4 彈簧橡膠 Fig.3-4 Spring rubber 在這里，本文引入哈爾濱理工大學馬天宇的碩士畢業(yè)論文中的實驗結果。他經過多次對橡膠圈軸向長度的試驗，確定它的值為20mm，通過試驗可知它的徑向剛度和減震器的彈簧剛度k接近。分析如下。 圖3-5彈簧橡膠受力圖 Fig.3-5 force diagram of spring rubber 將內徑16mm，外徑34mm，軸向長度28mm的彈簧橡圈進行ANSYS有限元分析，對其外徑固定，對其兩側進行Z軸方向的固定約束，對內徑加F=1N的X軸方向的徑向力。如圖3-6所示 圖3-6

37、 彈簧橡膠變形圖 Fig.3-6Deformation of the figure of spring rubber 所以得到彈簧橡圈的徑向剛度值為 (3-2) 因為彈簧橡圈支撐這減振塊，所以將此橡圈分為軸向長度為14mm的兩個橡膠圈。 3.4.3 減振塊的選擇 減振塊的形狀設計在這里我們要根據鏜桿的形狀來確定，考慮到需要將減振塊放在桿的內部，因此設計減振塊為圓柱體。一般國外生產的減振鏜桿選擇密度比較大的材料來制作減振塊。原因是，鏜桿里面的空間是有限的。在本設計中選用兩端支撐的方式來托起減振塊，讓它在桿中懸空。其大致結構如圖3-7所示

38、 圖3-7 減振塊 Fig.3-7 Vibration attenuation block 在桿體體積限制的情況下，我們選擇硬質合金YL10.1作為本次設計的材料。我們初步將尺寸確定為外徑D=41mm，內徑d=18mm。軸向長度為。 3.5 減振鏜桿內部整體結構的設計 減振鏜桿內部主要由：刀頭、桿身、彈簧橡膠、減振塊、冷卻管、阻尼液、密封O型圈等幾部分構成。它的三維模型如下圖3-8所示，桿體內的裝配圖如3-9所示。 圖3-8 減振鏜桿的三維模型 4Fig.3-8 3d model of damping boring bar 圖 3-9 減振鏜桿的整體裝配圖 Fig.

39、3-9 Damping boring bar assembly darwing 3.6 刀頭的設計 現有的產品一般都采用輕質鋁合金來作為制作刀頭的材料，還有許多的生產商去優(yōu)化結構的刀頭，從而來減輕刀頭質量，將鏜刀整體達到想要的減振效果。在本課題中我們選用鋁合金的刀頭。 4 動力減振系統的數學模型 在分析動力減振鏜桿的振動特性的時候，我們主要抓住其中主要的部分去分析，略去那些次要因素,分析的第一步，我們將實際力學系統簡化與抽象成一般的力學模型來做分析[4]。在本設計中我們可以將系統整體上化分成質量元件、彈性元件與阻尼元件這三塊小系統。在將這三個小系統的簡單力學模型合成振動系統的數學模型

40、。 4.1 動力減振鏜桿系統的力學模型 本篇設計我將選用物理參數模型去建立鏜桿減振系統中的模型。在分析前我們先確定分析的基本組成部分。在這個減振系統中我們提取出了質量、彈性、阻尼這三大元件。我們將他們看作是理想化的元件在系統中。 1）質量元件 質量元件是減振中不可少的元件。要使質量元件在小空間得到大質量的要求，材料的選擇就需要高密度的材料制成。在鏜桿的減振系統力學模型中,質量元件需要由無彈性、不耗能的剛體來代替[5]。 圖4-1 質量元件 Fig.4-1 The Quality component 質量元件在減振系統中作為儲存動能的元件，能夠將產生的振動吸收并且轉換為自

41、己的動能。在系統中，當質量元件因為振動受到作用力F時，根據牛頓第二定律,產生加速度a,方向且與力F相等。因此質量元件上的力與加速度兩者之間的關系式為： F=ma （4-1） 式中，m——質量元件的質量,它也是質量元件慣性的度量 2）彈性元件 在鏜桿的減振系統力學模型中,彈性元件需要被當做是沒有質量但是具有彈性的一種元件,彈性元件作為一種儲存勢能的元件，它能將外界的振動沖擊轉成多次小量的振動沖擊。一般來說單憑彈性元并不能夠消化振動,所以還它必須結合耗能元件使用才能實現減振的

42、效果。 圖4-2 彈性元件 Fig.4-2 The elastic element 如圖所示將彈性元件一端固定,當另外一端受到作用力F的時候,它的自由端就會沿 力F的方向發(fā)生位移X,力和位移兩者之間的關系式如下: F=k X （4-2） 式中，k——彈性元件的剛度 3）阻尼元件 減振系統中阻尼元件需要抽象為沒有質量、沒有彈性、但有阻尼系數的一種元件。在減振系統中阻尼元件通過耗能來起到減振效果。 圖4-3 阻尼元件 Fig.4-3 The dam

43、ping component 如圖所示將阻尼元件一端固定,當另外一端受到作用力F的時候，這一邊就會以V的速度做運動。于是阻尼力和速度這兩者之間的關系式如下: F=c V （4-3） 式中，c——阻尼器的粘性系數 4.2 建立動力減振系統的動力學分析模型 當對動力減振系統進行分析時，我們需要先建立起減振系統的動力學模型和數學模型。在本設計的前一節(jié)已經對各個元件進行了簡單的力學模型分析，現在，我們就需要將這些力學模型轉化成系統的數學模型。最后通過數學分析的手段對數學模型

44、進行振動的特性分析。 設計中減振系統基本是刀桿與一個減振單元的組合,結合前面圖2-2減振系統的簡單模型進行分析。 圖4-4 動力減振鏜桿的力學模型 Fig. 4-4 Mechanics model of dynamical vibration absorption boring bar 圖4-4中: ml——鏜桿桿體的等效集中質量； m2——減振質量塊的質量； k1——鏜桿桿體的等效剛度； k2——減振系統中彈性元件的彈性系數； c——阻尼元件的阻尼系數； F——激振力幅值； W——激振頻率； x1——鏜桿在激振力作用下的位移； X2——減振質量塊在激勵力作用

45、下的位移。 4.3 建立動力減振鏜桿的數學模型 質量單元1的受力微分方程： (4-5) 質量單元2的受力微分方程： (4-6) 振動系統的微分方程矩陣： (4-7) 4.4 本章小結 本章一開始先對動力減振鏜桿的減振原理進行了分析。然后，分別詳細的對減振系統中三大元件進行了分析和模型的建立。最后通過這些小系統對減振鏜桿建立起了力學分析模型,經過相關的力學知識對力學模型建立動力學方程,利用數學分析對減振系統進行了分析求解,最終得出了減振系統的微分方

46、程。 5 結論與展望 5.1 全文總結 本篇設計根據國內外現有的減振鏜桿的研究成果，設計出自己較為理想的減振鏜桿的基本模型，減振鏜桿內部大致由減振塊，彈性元件橡膠圈，阻尼元件等部分組成。設計大致分為了四部分： （1） 第一部分，我收集了國外大公司減振鏜桿的設計，分析了各個鏜桿的設計原理，運用的材料等，為自己的設計做出了很大的鋪墊。 （2） 第二部分，在這里我將振動的原理，產生的原因分析了很多，將振動的根源掌握，結合現有的減振措施，選擇出適合自己設計振動的措施。 （3） 最重要的一部分，那就是初步設計，綜上所述，我選擇了動力減振措施，分部設計，并將每部分做出了力學分析。 （4）

47、最后將這些力學分析綜合得出系統的數學模型。 5.2 展望 經過幾個月的努力和不斷學習，本設計完成了對減振鏜桿的設計和分析，對減振系統做出了力學分析和數學模型分析，將基本結構通過CAD軟件展現了出來，動力減振這種減震措施結構簡單，尤其適用于大長徑比的鏜桿，有著很大的發(fā)展前景，我們還需要進行更加飽滿，充分的研究，因為時間的問題,設計雖然有了上述的研究成果,可還有更深的問題需要我們進一步解決： 1) 動力減振鏜桿的制造工藝和制造。 2) 動力減振鏜桿中阻尼和動態(tài)特性的實驗測定。 3) 動力減振鏜桿的尺寸結構優(yōu)化分析。  參 考 文 獻 [1] 朱垂岱,龐學

48、慧,張余生等.顆粒阻尼鏜刀桿減振分析與試驗研究[J].制造技術與機 床,2014,(10) [2] 王軍,吳鳳和,韓亞麗等.層狀復合結構鏜刀桿設計與性能研究[J].中國機械工 程,2013,24（6） [3] 王建,丁國富,張海峰等.減振鏜刀切削加工試驗研究[J].中國測試,2009,35（6） [4] 曾海波,羅紅波,李紅梅.阻尼合金消耗因子對鏜桿減振性能的影響[J].組合機床與自 動化加工技術,2011,（8） [5] 胡李波,王民，李剛.動力減振鏜桿的減振性能研究[J].機械設計與制造,2009,（1） [6] 石曉龍,龐學慧.鏜刀刀桿減

49、振分析與試驗研究[J].內燃機與配件,2015,（11） [7] 張海生,周麗平,劉小瑩.切削參數對內置式減振鏜桿振動影響的研究[J]. 機械設計與 制造, 2013（5） [8] 王蘭波,張志軍.單自由度高頻減振鏜桿結構的優(yōu)化設計[J].新技術新工藝,2010,(12) [9] 劉立佳,劉獻禮,許成陽等. 減振鏜桿振動控制研究綜述[J].哈爾濱理工大學學 報,2014,19(2) [10] 夏峰,劉戰(zhàn)強,宋清華.約束阻尼型減振鏜桿[J].航空學報.2014.35(9) [11] 秦柏,邵俊鵬. 重型數控機床深孔加工動力減振鏜桿的設計與仿真[J].哈爾濱

50、理工 大學學報.2006,11(1) [12] 王雪慶,嚴東明.減振鏜桿國內外專利技術分析[J].化工管理.2015,(20) [13] 李紅梅,羅紅波.減振鏜桿裝夾位置對減振性能的影響[J].工具技術.2010,44(4) [14] 張杰斌,張湧.減振原理在鏜桿上的應用[J].機械工人。2004,(11) [15] 王明紅,張宗城,唐勤生等.機械加工工藝系統振動與新型阻尼鏜桿[J].2003,17(4) [16] 王艷萍,陳云鵬,運同樹.鏜刀桿的減振分析與設計[R].北京:齊齊哈爾第一機床 廠.2005.9.1 [17] 吳天行,華宏星.機械振

51、動[M].北京:清華大學出版社,2014.04.01 [18] 馬志偉.基于顆粒阻尼的減振刀具技術基礎研究[D].太原:中北大學,碩士學位論 文.2013 [19] 韋聯.減振鏜桿的動力學仿真及其參數優(yōu)化[D].成都:西華大學,碩士學位論文.2011 [20] 任棟.顆粒阻尼減振鏜桿減振分析及試驗研究[D].太原:中北大學,碩士學位論 文.2014 [21] 李紅俊.復合結構減振鏜桿設計[D].秦皇島:燕山大學,碩士學位論文.2009 [22] 杜景軒.大長徑比阻尼減振刀具設計理論與實驗研究[D].太原:中北大學,碩士學位 論文.20

52、13 [23] 吳濤.大長徑比減振鏜桿的研究[D].安徽:安徽大學,碩士學位論文.2015 [24] 秦柏.深孔加工動力減振鏜桿的動力學仿真與參數化分析[D].哈爾濱:哈爾濱理工 大學, 碩士學位論文.2006 [25] 許成陽.深孔加工用鏜桿減振性能的研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,碩士學位論 文.2015 [26] 夏峰.約束阻尼型減振鏜桿的研制與開發(fā)[D].山東:山東大學,碩士學位論文.2014 [27] 張克東.減振刀桿的研制與開發(fā)[D].吉林:長春理工大學,碩士學位論文.2003 [28] 理根,岳鵬,陳華偉等.帶減震裝置的鏜刀

53、[P].中國專利,CN201420094342.X,2014.8.13 致 謝 本篇設計是在黃曉斌老師耐心的指導、幫助下完成的。在這里我先對黃老師由衷地說一聲謝謝！ 黃老師在整個設計過程中總是用心地引導我們，在剛寫開題報告的時候，我一點思路也沒有。但是，黃老師總是耐心地引導我，漸漸地我有了自己的構想。黃老師在日常也特別地和藹，和我們說一些鼓勵的話語，讓我們在做課題的時候沒有壓力，能夠輕松地說出自己的想法。在此，向黃老師送上自己最崇高，真誠的謝意。 感謝設計中同學、老師、家人和朋友對我的幫助！也特別感謝中北大學信息商務學院這四年來的培養(yǎng)，感謝學院老師對我的指引和教誨！ 還特別感謝進行評審和答辯的老師和專家們！謝謝你們！ 34