《机械毕业设计（论文）深孔加工动力减振镗杆的有限元分析【全套图纸】.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械毕业设计（论文）深孔加工动力减振镗杆的有限元分析【全套图纸】.doc（42页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书 题 目： 减振镗杆的有限元分析 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2010962913 姓 名： 指导教师：全套图纸，加153893706 完成日期： 2014年5月20日湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 减振镗杆的有限元分析 学号： 2010962913 姓名： 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求主要内容：1.镗刀杆具体在机床中的安装情况，与刀具的连接情况以及镗刀杆具体的工作环境状况。 2.镗削加工所能达到的精度以及具体孔加工所要求达到的精度并找出影响这些精度的因素，并对这些因素进行分
2、析，选出主要影响因素。 3.镗刀杆在加工和使用过程中各个因素（比如：切削用量，外界激励）对刀杆的强度，刚度，以及震动特性的影响。并求出刀杆应力应变分布云图找出应力集中的位置和其各阶共振频率和振型图。 基本要求：1.大量搜集资料了解镗杆具体在机床中的安装、与刀具连接以及工作环境的情况。读阅相关书籍了解镗削加工的具体方式，各种方式适用的条件，镗削加工所能达到的精度情况。在孔加工中，找出影响加工质量的因素并找出主要因素。2.建立镗床刀杆的实体模型。具体采用三维软件进行模型的建立，选用合适的材料。2.用有限元软件进行静力分析。3.用有限元软件进行进行模态分析。二、重点研究的问题通过有限元分析软件分析出
3、镗床刀杆在各种边界约束条件下的应力、应变，分析出模态特性，为镗刀杆的结构设计和加工制造提供依据。三、进度安排 序号各阶段完成的内容完成时间（2013 年）1查阅资料并完成开题报告的编写3月 1日3 月 15日2进行外文文献翻译3 月16 日3 月 20日3分析，整理资料，看ANSYS教学3 月25日3 月 30 日4开始进行镗杆的建模与分析过程4月1日4 月 15 日5整理分析结果 撰写论文，整理全部资料4 月 16 日5 月 10日6准备毕业设计答辩5 月 10日5 月28日7交论文、毕业答辩5 月28日5 月 30 日四、应收集的资料及主要参考文献 1 成大先.机械设计手册M.北京：化学工
4、业出版社,20022 刘松主编.有限元分析在镗杆设计中的应用M.北京：机械工业出版社,20063 傅志方.振动模态与参数识别M.北京：机械工业出版社,1990.94 王守信，董绍华等.铣床振动模态分析研究N.内蒙古：内蒙古民族师范学院学报，1995.55 廖念钊主编.互换性与技术测量M.北京：中国计量出版社，19986 王先上.车床振动的自动控制N.北京：机械工程学报,19867 张杰斌，张涌.减振原理在镗杆上的应用M.北京：机械工业出版社,2004.118 郭长城.应用减振器控制振动的两个实例M.北京：机械工业出版社,2005.109 王民等.切削系统可变刚度结构及其颤振控制方法的研究N.北
5、京：机械工程学报,200210 王世龙，王丽娜.提高镗杆刚度的一种措施N.吉林：吉林工学院学报，199911 陈晓霞.ANSYS7.0 高级分析M.北京：机械工业出版社,200412 李启堂，胡荣生.动力吸振器在镗杆中的应用M.北京：机械工业出版社,1997目录中文摘要.1英文摘要.2第一章 绪论 1.1课题研究的学术背景.41.2减振镗杆的国内外研究水平和发展趋势.51.3课题来源. .61.4主要研究内容、设计方法. .71.4.1主要研究内容.71.4.2建立减振系统的数学模型.7第二章 有限元分析软件ANSYS.2.1有限元分析软件ANSYS简介.82.2 ANSYS软件的组成.82.
6、3ANSYS软件主要特点.9第三章 减振系统结构设计与数学模型的建立3.1镗杆杆体材料的选择. .93.2镗杆的结构设计.103.3阻尼器的设计. .10 3.3.1几种可选材料 .103.4 阻尼液的选取 . 103.5弹簧的选择. .113.6可选材料的特性.113.7弹簧材料的选取.123.8减振块的设计. .133.9刀头的选择. .13 3.9.1减振系统数学模型的建立 .13 3.9.2对切削力的分析 .14 3.9.3系统运动方程的建立与求解 .14第四章 模型建立 4.1多刚体动力学模型的建立. .15 4.1.1模型的坐标系统.16 4.1.2模型的建立.16 4.2多柔体动
7、力学模型的建立.16 4.2.1模态中性文件的建立. 16 4.2.2单元类型和材料参数.17 4.2.3定义单元实常数.18 4.2.4有限元模型的建立.19 4.2.5模态中性文件(mnf)的输出.20 4.3 ADAMS与ANSYS的接口.21第五章 样机的仿真与参数化分析 5.1减振系统固有频率的求取. .22 5.2减振系统当量质量的确定 .235.3系统参数的确定 . .235.4模型在频域内的仿真结果.275.5结论. . .275.6参数分析. .325.7设计参数变量化. .325.8定义目标函数. . .325.9分析弹簧刚度系数对刀刃跳动量的影响.33 5.9.1分析阻尼
8、系数对刀刃跳动量的影响.33结论. .34参考文献. .34附件、 外文资料.37深孔加工动力减振镗杆的有限元分析摘要随着金属加工行业的发展，市场竞争日益激烈，对加工质量和加工效率提出了越来越高的要求。深孔加工由于其特殊的加工环境，使镗杆杆体的尺寸和形状都要受到一定的限制，造成了镗杆的刚度较低，特别是在镗杆的长径比比较大的情况下，镗杆的刚度会更小，这将严重影响加工质量，甚至使加工无法正常进行。如何减小镗削过程中的振动已成为迫待解决的问题。要研究镗杆的切削过程，就必须建立镗杆系统的动力学方程。而用传统的方法是不可能建立一个精确的动力学方程的。虚拟样机技术的出现提供了一个解决问题的方法。虚拟样机技
9、术的核心是机械系统动力学、有限元理论和控制理论等建模理论及其技术的实现。有限元分析与机械系统仿真拥有相同的系统动力学求解基础，它们之间结合起来，可更好地实现机械系统刚柔耦合动力仿真分析研究。利用虚拟样机技术可实现机械系统动力学方程的自动生成并精确求解，可在研究阶段预测镗杆的动力学性能，对这些性能进行优化，以达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的。本文借鉴了国外先进的镗杆制造技术，采用内置式动力减振的结构来增加镗杆的动刚度，并对动力减振镗杆进行了结构设计，建立了减振系统的数学模型。在运动特性分析和结构优化中采用虚拟样机技术，利用ANSYS软件联合建立了减振系统的多柔体动力学模型。以减
10、小镗削过程中刀刃的径向跳动量为目标对动力减振镗杆虚拟样机进行仿真优化分析，得出了减振系统的最优参数。关键词:减振器；镗孔；虚拟样机；动力学仿真；参数化分析Dynamic Simulation and Parametric Analysis of Dynamical Vibration Absorption Boring Bar for Deep-Hole ProcessingAbstractWith the developmem of metal machining industry and the increasingly fierce market competition，the high
11、er demand for machining quality and efficiency is put forwardThe size and shape of the boring bar are restrictedbecause of the special machining condition in the deephole processingThis produces the low stiffness of the bodng bar which will become lower especially with the big lengthdiameter ratio o
12、fthe b arThc machining quality will be badly affected and the machining call not be on the rails due to the lower stiffnessHow to reduce the vibration in the boring processing has become an urgent problem The dynamical equation of boring bar system must be build up for studying the cutting processin
13、g of the boring barBut all accurate dynamical equation can not be built with the traditional methodThe appearance of virtual prototype technology offers a way tO solve the problem，The core of the virtual prototype technology is on the realization of modeling theories and technology,mechanical system
14、 dynamics，finite element theory and control theory,etcThe finite element analysis and mechanical system simulation，which have the same solution foundation of systematic dynamics，combine to achieve accurate simulating analysis of coupling motive between the rigid and flexibleBy using virtual prototyp
15、e technology,we carl realize the automatically building and accurately solving of the mechanism system dynamical equation，predict and optimize the system dynamics performance in the course of studying11le improvement of product properties，construction period and expense reduction are achievedReferen
16、ce of the foreign advanced manufacture technology of boring bar is used in this articleWe adopt a boring bar with dynamical vibration absorption system in it tO increase the stiffness of the boring bar,design its structure，set upthe mathematicaI model of the vibration absorption systemIn the movemen
17、t characteristic analysis and structure optimization virtual prototype technology is adopted，and multi flexible body dynamical model of the vibration absorption system are build up by using the So,ware of ADAMS and ANSYSAiming at reducing the radial vibrational value of the edge of knife in the bori
18、ng processing，the virtual prototype of vibration absorption boring bar have been simulated， optimized and analyzed，and optimized parameter are obtained finally The analysis skill and the conclusion，especially the building and simulation result of the vibration absorption model，providing reliable evi
19、dence for the boring bar with dynamical vibration absorption system in it，are important reference for the method of dynamical vibration absorption and the development and research of severaI of vibration absorption boring barKeywords vibration absorber；boring operation；virtual prototype；dynamic simu
20、lation；parametric analysis第1章绪论11课题研究的学术背景 任何一个强大的国家都必须具有包括金属切削加工在内的强大制造业基础。在整个2l世纪中，金属切削加工仍是机械制造业的主导方法。切削加工技术广泛地应用于各个领域，并且要求越来越高，特别是对加工精度的要求也越来越严格。在很多情况下，为了满足对加工的要求，对刀具的性能提出了更高的要求，这种情况在轿车工业中体现得最为明显。从80年代起，我国相继从德国、美国、法国、日本等国引进了较先进的轿车车型和数控自动生产线，这使我国轿车的制造工业得到了空前地发展。在轿车制造工业中，决定轿车性能和技术水平的大多数关键零、部件是通过刀具切
21、削加工最终完成的。并且，切削刀具的性能已成了提高轿车零、部件自动生产线加工工艺技术水平、生产效率、制造精度和降低成本的重要保证。同样在加工航空航天等军品工件时。为了提高工件的综合性能来达到某些特殊的要求，需要一次成型，所利用的刀具必须实现特殊功能。 在机械加工中内孔加工是所占比例较大的一种重要的加工方法，约占整个加工工作量的14，而深孔加工又在内孔加工中占有很大的比例，所以深孔加工问题是否解决好，将会直接影响机器产品的生产进度和产品质量。特别是在重型机器制造业中，能否掌握它，运用自如，将会对生产有着决定性的影响，也影响到机器产品的质量。而深孔加工中最常见的疑难问题就是细长车刀和镗杆的长径比不够
22、或动刚度不够，从而不能满足被加工工件的要求 通常，长径比小于4的镗杆在加工工件时不会产生振动。但是在许多应用中，例如在车内螺纹和内表面开槽时，振动有可能在长径比为23之间时就开始了“。当镗杆受到一个持续的切削力时，秆长从杆直径的4倍增加到10倍时偏差将增加16倍。在同样的切削力作用下，杆长迸一步增加到杆直径的12倍时，将增加另外的70的偏差。对于同样的切削力，保持镗杆的直径不变的情况下杆直径由25mm增加雪32mm会减少62的偏差。也就是说，在镗杆的长径比大于4倍时，镗杆本身的刚度已经明显达不到加工的要求。减少镗杆悬伸长度和增加镗杆杆体的直径对于减少镗杆的变形量是有利的。但是，由于受加工工件尺
23、寸的限制，改变这两个参数是不现实的另外，通过减少切削用量来降低切削力也可以达到减少镗杆变形量的目的，但这样势必会导致生产效率下降，而且在某些情况下，即使减小切削力也不能达到加工要求，所以这也不是最好的解决方法 为解决此类问题，本文采用内置式动力减振结构的防振镗杆，它可以在造价相对比较低的情况下，实现较大长径比。在机械加工中，利用减振镗杆，可以提高表面加工质量，大大提高工作效率，特别是在深孔加工中运用此减振镗杆，对提高内表面质量以及加快切削速度都会有很大的帮助。12减振镗杆的国内外研究水平和发展趋势镗杆对孔进行加工的方式在传统上称为镗孔加工。镗孔加工可以在镗床上进行，也可以在普通车床或者在数控车
24、削加工中心进行加工。镗孔加工与一般的轴类加工有所区别。一般车床车削轴类零件时，为了使刀具的刚度达到要求，并保证加工的质量，刀具形状可以选择得比较租、比较短。但在进行镗孔加工的时候，镗杆是在被加工的工件内，镗杆的尺寸和形状都要受到一定的限制，造成了刀具的刚度较低，特别是在孔径较小、孔深值比较大的情况下，镗杆的刚度将会更小由于，在切削时，刚度较低的情况下很容易引起切削振动，因此为了减少振动应尽量增大镗杆的动剐度。减振镗杆在机械行业的研究中，已经有很长的历史了，但减振镗杆的研究和发展是比较缓慢的。到目前为止，世界上只有为数不多的几家厂商能生产出性价比较好的产品。在国外，日本三菱公司和东芝公司已经有系
25、列化的产品。如图11所示，三菱公司的设计思想是减轻镗杆的头部重量，从而使镗杆的动刚度在很大程度上得到改良。从材料力学的角度进行分析可以知道，这种刀具利用了细长杠杆的端部应力的边缘效应，即杠杆端部受垂直于杠杆的作用力时，杠杆端部靠上的那部分的内应力比较小，因此可以忽略不计。当镗杆头部所受的作用力偏离中心时，头部远离作用力的部分内应力比较小。所以当镗杆受到偏心力时，刀头的那两部分可以切掉一些，这样不仅镗杆头部的重量减少了很多，而且静刚度的减少量也较小，同时镗杆的动刚度在很大程度上的得到了改良。但是应当指出这种处理办法还存在很多的问题，其主要问题是采用头部切除法有很大的局限性，即其长径比不能达到太大
26、。东芝公司的减振镗杆是在刀具的两边平行的切掉一部分，再用刚度和强度大的材料嵌在两边，从而提高镗杆的静刚度。如图12所示，这种镗杆的原理简单，其镶嵌在杆两侧的硬质材料和刀体粘结程度是影响镗杆质量的关键因素。同时由于受到两条加固材料的刚度、厚度和它与杆体粘结的紧密程度的影响，因此长径比的值也受一定的局限。美国Kenametal公司生产的减振镗杆(最大长径比LfD=8)主要是采用特殊的材料制成，也属于提高镗杆静刚度的一种。瑞典Sandvik公司的减振镗杆(最大长径比UD=16)是目前最先进的镗杆，它所采取的方法是给镗杆加内置减振器，如图13所示。这虽然提高了镗杆的动刚度，但也有它的局限性，例如减振块
27、的密度不可能太大，阻尼器的寿命严重地影响这种镗杆的使用寿命。国内的一些减振镗杆很多都处于研究阶段，采用的大多是增加镗杆静刚度的方法，例如在杆体的芯部镶入硬质合金的镗杆嗍嘲。但是大部分的减振措施都是在工艺上进行改良或是在加工过程中采用一些技巧。到目前为止，国内的工具厂商还没有在减振镗杆的制造方面有大的进展，特别是在制造长径比比较大的镗杆方面，而且对内置式减振镗杆的开发工作也还很少。1.3课题来源本课题来源于齐齐哈尔第一机床厂实际应用项目，解决的问题是如何减小切削过程中镗杆的径向弯曲振劫增加镗杆的动刚度，减小刀刃在切削时的径向跳动量是提高深孔加工表面质量的关键。14主要研究内容、设计方法141主要
28、研究内容 由于在深孔加工中镗秆的弯曲振动对孔的加工质量及对孔的二次加工的影响尤为重要，因此本课题的主要目的是降低镗杆在镗削过程中的弯曲振动，即减小刀刃的径向跳动量，从而提高深孔的加工质量。 利用软件ANSYS求出镗杆系统数学模型所需的参数。142建立减振系统的数学模型1)简化模型；2)建立动力学方程；3)解方程，得到各参数之间的关系第2章 有限元分析软件ANSYS21有限元分析软件ANSYS简介ANSYS软件诞生于上世纪70年代，在有限元的发展史上，一直作为一个重要成员存在，在激烈的市场竞争中，生存下来并不断发展壮大，目前是世界上最有影响的有限元软件之一。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁
29、场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接I：1，实现数据的共享和交换，如ProEngineer, NASTRAN，PATRAN，SolidEdge，I-DEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。本课题充分利用ANSYS强大的建模功能，生成了虚拟样机的弹性部件，并通过与ADAMS的接口命令输出了模态中性文件，为振动系统模型的建立奠定了基础。22 ANSYS软件的组成ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。1前处理模块它为用户提供了一个强大的实体建模及网格划分工
30、具，用户可以方便地构造有限元模型，软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料2分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的祸合分析，可模拟多物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。3后处理模块可将计算结果以色彩等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。23 ANSYS软件主要特点 ANSYS软件有如下技术特点： 1唯一能实现多场及多场耦合分析的软件。2唯一实现前后
31、处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件。3唯一具有多物理场优化功能的FEA软件。4强大的非线性分析功能。 、5多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置。6支持异种、异构平台的网格浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件兼容。7强大的并行计算功能，支持分步式并行及共享内存式并行。8丰富的网络划分工具，支持自由网格、映射网格、智能网格、自适应网格等，以确保单元形态及求解精度。9完全交互式的前后处理和图形软件，大大减轻了用户创建工程模型、生成有限元模型以及分析和评价计算结果的工作量。10ANSYS系列的各种产品和适应于各种计算机系统平台的版本为用户提供了各种可能的选择。第3
32、章减振系统结构设计与数学模型的建立31镗杆杆体材料的选择这里我们所研究的主要是镗杆的振动特性，而在模型中我们所关心的是决定镗杆杆体所用材料的特性参数密度和弹性模量的值。为了使模型适合对不同材料的镗杆的研究，我们将在模态中性文件的建立中对杆体的材料采用参数化的描述。在系统中选用45钢来做杆体的材料，如选用其他的材料可通过直接修改相应的变量值来实现。32镗杆的结构设计 这里我们将选用长度为500mm、直径为50mm的杆体进行设计。对于给定减振块的减振系统的减振效果由减振块所在点的振动幅值来确定。因此，减振块通常被安装在杆的最远端。另一个决定减振效果的因素是减振系统内部减振块的质量值。在减振系统中减
33、振块必须放在杆的内部。这就限制了减振器沿杆轴向的位置和内部减振块的尺寸。减振块必须放在直径比杆直径小许多的内孔中。为了达到理想的减振效果，减振块必须选用密度值非常大的材料。动力减振镗杆的基本结构如图31所示。在图3-l所示的动力减振镗杆中，减振块由两个O型橡胶圈支撑，并且，减振块被特殊的油状液体所环绕。橡胶在径向的变形与负载之间具有非线性特性。在加工过程中谐振荡(振动)一旦产生，减振系统将立即发挥作用，镗杆的动能将被减振系统吸收。这样就使振动最小化，切削工况最优化。这种结构的镗杆抗颤振能力更强，加工范围广。镗杆杆体的尺寸选择如图3-2所示，但这些尺寸需要经过仿真试验才能知道正确与否。33阻尼器
34、的设计阻尼器放置在减振镗杆的内部，并且只有在杆体和减振块之fBJ时才能起到减振作用，因此，阻尼器需要选择粘度系数比较大的液体或者是固液混合物。在镗杆进行切削加工时，镗杆的内部温度会升高，但由于冷却液和切屑带走了大部分热量使得镗杆杆体内壁温度不致于过高，这样给我们选择阻尼材料带来很大方便“”。硅油是一种比较好的液体阻尼材料，很多国外的刀具选用硅油作为减振镗杆的阻尼材料，下面是一些硅油阻尼材料，我们将对他们的特性进行分析比较。33.1几种可选的材料1甲基硅油甲基硅油是一种无色透明的油状液体。品种较多，运动粘度可调整范围为101000(MPas)，同时它的保存时问较长。而且它的颗粒大，不易泄漏。可见
35、甲基硅油是一种很好的阻尼材料，完全可以用在此减振镗杆中。2高粘度乙基硅油外观无色或淡黄色液体，20粘度(MPas)：10000- 100000。乙基硅油对金属无腐蚀，且具有粘度随温度变化小、凝固点低、耐高温、抗氧化、防水性、介电性和润滑性能好。同时他还有较低的蒸汽压、较小的挥发性、较大的可压缩性和低的表面力。所以它也是很好的阻尼材料。34阻尼液的选取 为了选用合理的材料作为阻尼液，先把阻尼液的参数假定，经过仿真后再确定阻尼液的最佳参数值。在后面章节的动力学仿真中，模型可以实现的仿真和优化是振动过程中阻尼液对减振块的线性阻尼系数。而要把阻尼液对减振块的阻尼系数转换成阻尼液的粘度系数，从而精确地选
36、材，还需要通过不同工况下的具体实验来解决。35弹簧的选择减振弹簧也是减振系统的一部分，弹簧的形状和大小以及弹簧材料的弹性模量直接影响弹簧弹性系数和物理性能。36可选用材料的特性弹簧可以选择的材料有金属橡胶、橡胶、尼龙、以及其他有机物，下面对这些材料进行比较。金属橡胶弹簧具有一系列优点：1可以根据需要选择金属和橡胶的结构形式，调整橡胶配方和成形工艺来控制弹性系数，以满足各项刚度和强度的要求；2有适当的阻尼，有利于越过共振区，衰减和吸收高频振动与噪音；3冲击刚度大于动刚度和静刚度，有利于缓和冲击；4体积小，重量轻，免维修。橡胶材料具有显著的高弹性，在外力作用下，很容易发生极大的变形，但除去外力以后又恢复原来的状态，这是橡胶区别于其他材料的最主要的特性。此外，橡胶还具有极高的可挠性、耐磨性、耐腐蚀性但橡胶在200Hz附近振动的传递能力随频率起伏不定。37弹簧材料的选取虽然橡胶
