减振镗杆切削稳定性分析及振动控制研究

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镗刀是孔加工的重要加工工具,当进行深孔加工时,由于镗杆具有较大的长径比,镗杆刚性差,容易发生切削振动。剧烈的振动除了会导致加工表面出现振纹,使粗糙度达不到要求外,还会导致切削力激增,增大刀具崩刃风险,危及工人的人身安全。为了抑制镗杆振动,可以采取主动或被动的减振技术,其中,主动减振技术针对性好,但因为主动减振要附加传感器、作动器等电器元件,稳健性较低;被动减振技术的针对性虽不及主动减振技术,但其稳健性高,且通过合理的参数设计,可以在相当宽的激励频率范围内显著抑制镗杆振动,因而,被动减振技术在应用中更为广泛,成为大量学者研究的热点问题。本文亦聚焦于带有吸振器的被动减振镗杆的稳定性及振动控制研究,以期获得较好的振动抑制性能,为减振镗杆的工业化生产和应用提供理论依据和指导。目前,针对减振镗杆的研究多采用线性系统建模,且为了方便计算,多数研究中对模型进行了大量简化,使得这些理论模型与现实模型存在较大差距。另外,关于吸振器的研究,目前主要侧重于新结构的提出,鲜有学者明确指出吸振器最优参数的具体调整方法,并进行结构参数的影响分析,这导致现有研究难以被应用于指导现实加工。本文在江苏省学位研究生创新计划(KYLX160186)的资助下,针对带有吸振器的减振镗杆进行了切削稳定分析及振动控制研究,取得了一些有意义的结论,研究结果对减振镗杆的振动控制有重要的理论意义和实用价值。本文的主要研究内容和创新点如下:(1)建立了减振镗杆的线性模型,比较了带有吸振器和不带有吸振器的镗杆的振动特性的差异。研究了特定频率比工况下镗杆的振幅比变化情况,在不同的频率比范围内,分别讨论了吸振器刚度和吸振器阻尼对镗杆振幅比的影响规律。进行了镗杆颤振稳定性分析,建立了具有时滞特征的镗削闭环系统,研究了传递函数负实部对极限切削宽度的影响。根据颤振稳定性对镗削系统进行参数优化,进行了双峰等高优化方法和颤振稳定性优化方法的对比研究。(2)建立了镗杆杆体的非线性模型,研究了幅频特性随非线性参数的变化规律,对非线性镗杆模型进行了正向和反向扫频,模拟了机床开机和关机阶段的振动情况,得到的计算结果能更全面的反应镗杆振动特征。进行了减振镗杆的双非线性系统建模,同时考虑镗杆的刚度非线性和吸振器的刚度非线性,研究了带有非线性刚度的镗杆的制振原理,重点研究了非线性吸振器阻尼和刚度参数对镗杆振动的影响,得到了吸振器阻尼系数、一次方刚度系数、三次方刚度系数的选择标准。(3)对减振镗杆吸振器刚度特性进行研究,提出了三种橡胶衬套的连接方式,并对其中的固连工况和接触对工况进行了具体研究。针对固连工况,根据橡胶材料的本构关系,通过理论计算得到了橡胶衬套的无量纲径向刚度系数计算公式,进行了径向刚度的有限元实例验证,找到了橡胶衬套径向刚度随长度、内径、外径的变化规律。针对接触对工况,进行了有/无轴向预压缩工况下橡胶衬套径向刚度仿真,研究了吸振器安装过程中橡胶衬套的受载过程,得到了在不同倒角和不同轴向预压缩工况下,橡胶衬套径向刚度的变化规律。进行了吸振器径向刚度的实验研究,得到了橡胶衬套各结构参数对其径向刚度的影响规律,并利用神经网络对吸振器径向刚度进行了预测。(4)对减振镗杆吸振器阻尼特性进行研究,建立了阻尼恢复力模型,借助阻尼油的阻力系数与雷诺数的关系,推导了阻尼油粘度与等效阻尼的关系。进行了阻尼油的流体仿真,得到了阻尼油的振动力-位移滞回曲线,观察了油液流动过程中的几种典型状态,在试验平台上进行了算例的实验研究。利用仿真模型对各结构参数进行系列化研究,得到了阻尼油长度、内径、外径、压力、激励频率对阻尼值的影响规律。设计了螺旋布置、直列布置和交错布置的三种非线性减振槽以增加阻尼效应,研究了三种结构对吸振器阻尼的影响。(5)进行了减振镗杆的动态响应实验研究,在不同吸振器刚度工况下,得到了减振镗杆的时域衰减曲线。在振动平台上,针对三组不同的轴向压缩量进行了扫频实验,同时,选取双峰等高优化方法和颤振稳定性优化方法得到的参数进行了扫频实验,并将实验结果与理论计算结果进行了对比分析。在机床上进行了减振镗杆的切削实验,并将实验切削力与理论分析进行了对比分析,在实验中同时观察了稳定和不稳定切削对应的切削力和力矩特征,改变吸振器轴向压缩量和频率比,得到了减振镗杆的稳定和不稳定切削分布图,研究结果可为工程加工中选择减振镗杆参数提供依据。
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