霍桂臣 刘宝会 冀璞光 郄彦辉 王乃亮 殷福星

摘要 数控机床的外圆车刀在工作时振动会严重影响加工精度，降低车刀使用寿命。基于有限元数值仿真，研究了在刀杆上添加锰铜阻尼合金材料来减小切削振动的新方法，深入分析了不同添加方案。研究结果表明：刀杆上下两面各添加1.5 mm阻尼合金层，在稳定期减振效果最为显著，输出点稳定期加速度均方根值降为原输出值的30.86%，刀杆上下两面各添加4.5 mm阻尼合金层，横向贯穿边长为8 mm阻尼合金方柱时，输出点衰减期加速度均方根值降为原输出值的40.40%

关 键 词 阻尼合金;有限元分析;减振;加工精度;车刀

中图分类号 TG145     文献标志码 A

Application simulation of damping alloy in cutting tools

HUO Guichen1， LIU Baohui1， JI Puguang2，3，4， QIE Yanhui1，

WANG Nailiang5， YIN Fuxing2，3，6

（1. School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China; 2. Research Institute for Equipment Materials， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China; 3. Tianjin Key Laboratory of Materials Laminating Fabrication and Interface Control Technology， Tianjin 300130， China; 4. Cangzhou Hegong Science and Technology Park Construction and Investment Co Ltd，Cangzhou，Hebei 061000， China; 5. Tianjin Silvery Dragon Prestressed Materials Co Ltd， Tianjin 300400， China; 6. School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China）

Abstract The vibration of the outer circular lathe tool in the CNC machine will seriously affect the processing precision and reduce the service life of the lathe tool. Based on the finite element numerical simulation， a new method was proposed by adding Mn-Cu damping alloy on the cutter rod to circumvent the cutting vibration. Different additions are analyzed in depth. The results of the study are as follows： when 1.5 mm damping alloy layers are added to the upper and lower sides of the knife pole， the effect of vibration damping is the most remarkable in the stable period， and the root mean square value of the acceleration of the output point is reduced to 30.86% of the original output value; when 4.5 mm damping alloy layers are added to the upper and lower sides of the cutter bar， while the lateral penetration is 8 mm damping alloy square columns， the root mean square value of the acceleration of the output point is reduced to 40.40% of the original output value.

Key words damping alloy; finite element analysis; vibration damping; machining precision; lathe tool

0 引言

机械加工制造业的发展对加工精度的要求越来越高，为达成高质量的切削工件，切削时的精度尤为关键。影响切削加工精度的主要原因之一就是切削振动，如果能降低切削振动，不仅能够提高加工精度，并且还能延长车刀的使用寿命，减少噪音改善工人的工作环境。为此各国工程技术人员开展了大量的理论与应用研究工作，Bediaga等[1]通过改变切削控制参数来抑制切削振动，此法对于机床电机及供电线路的负荷有较大要求，而且改变切削控制参数通常会降低机械加工效率。Altintas等[2]提出了一种振动抑制算法，输入整形滤波器避免了结构模式的激发，但以增加跟踪和轮廓误差为代价。Zatarain[3]提出了机床主轴转速变化的频域分析理论，但整个理论实用性较差。瑞典Sandvik公司在刀杆中加入阻尼动力吸振器，在实际切削过程中已经可以取得很好的效果，但是该装置受工作频率与环境温度影响很大，而且使用寿命不长。日本三菱公司在刀杆轻量化设计的基础上结合结构设计也推出了自己的减振刀杆，但在减振效果与应用范围都还达不到工业大规模生产的要求。杨毅青等[4]用附加动力吸振装置来减少振动，这种方法需要针对特定的加工过程建立合理的切削系统模型并精确地设计吸振器的参数来达到良好的减振效果，但这很难应对复杂多变的切削过程。张永亮等[5]把智能材料磁流变液的流变特性应用于车刀减振，效果显著但是整個系统相对复杂，造价昂贵[3]。周琳等[6]利用摩擦吸振设计了一种减振装置，但该装置不具有普适性。由于这些年材料科学的迅猛革新，材料减振在工程减振中应用已成为工程热点之一[7]，新型锰铜阻尼合金具有强度高和阻尼系数高的双重优点，故可在车刀减振中应用研究。

隨着有限元及计算机技术的快速发展，计算机辅助设计工程系统的功能和计算精度都有很大的提高，Patran&Nastran软件是专门用于结构动力学分析和数值仿真的有限元软件，由其建立的有限元模型及仿真结果具有很高的可靠性。本文基于有限元方法利用Patran&Nastran软件建立了刀杆有限元模型，通过数值模拟研究了在刀杆上添加锰铜阻尼合金材料对切削过程中振动的影响，结果表明：在刀杆上添加锰铜阻尼合金材料，对车刀加工作业时进行减振，通过这种方式减振效果显著，造价低廉，添加简单方便，可大量生产制造。

1 阻尼合金减振机理

阻尼是指任何系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，其作用机理是把运动能量转化为热能或其它可以散耗能量的一种作用，是一种内耗作用，阻尼系数是此特性的量化表征。

阻尼合金是具有阻尼系数大，能使振动迅速衰减的特种金属材料。常用的阻尼合金按其原理可分为：复相型、强磁型、错位型、孪晶型。目前技术成熟的阻尼合金材料有锌铝合金、镁合金、灰口铸铁等数十种，由图中可以看出主要阻尼合金的衰减性能和强度如图1所示[8]，在图中可以看出常温情况下锰铜阻尼合金材料其衰减性能在50%～70%，抗拉强度在635～641 MPa。

图2为锰铜阻尼合金时效10 h孪晶结构的金相图[9]，其工作机理主要是孪晶之间的摩擦从而增加能量的内耗最终达到减振的目的。其热处理前后阻尼系数随温度变化关系如图3所示[7]。经过热处理后，在-20 ～30 ℃下锰铜阻尼合金阻尼系数可达0.03，数控机床的外圆车刀主要在常温环境下工作，若降低车刀工作时的切削振动，应选用阻尼性能优秀，材料强度高的阻尼合金材料，为此采用锰铜阻尼合金材料作为车刀减振材料能够很好满足这一要求。

2 有限元仿真模型建立

2.1 材料参数

材料力学性能参数如表1所示。

2.2 车刀刀杆有限元模型

用Patran&Nastran软件[10-14]建立的刀杆有限元模型，如图4a）所示，其中位于刀杆末端和距末端70 mm范围内，上下表面施加固定约束，在刀尖处施加频率为3 500 Hz激振力，激振力的主切削力、进给力和背向力为320 N、316 N和170 N。瞬态响应输出点A位于刀杆底面前部位置。如图4b）所示，刀杆改进设计方案的有限元模型如图5所示，分别研究位于刀杆上下表面及中间部分添加锰铜系阻尼合金材料对振动的影响。

3 数值仿真结果及分析

3.1 上下表面阻尼合金层对振动影响

在刀杆上下表面同时添加厚度相同阻尼合金层，总厚度由1～10 mm增量为1 mm，在刀尖施加激励即可获得输出点A的瞬态时间加速度曲线，如图6所示，图6为上下两面添加7 mm阻尼合金层A点的瞬态响应时间加速度曲线对比图。由图中可以看出，初始阶段其加速度峰值迅速衰减经过一段时间后逐渐进入稳态振动。

为了区分衰减期和稳定期，选取一段时间加速度图像筛选出其峰谷值，求取这段时间内加速度峰谷值的标准差，计算标准差与这段时间内加速度绝对值最大值的比值，如果比值小于等于15%则判定其已经进入稳定期。采用计算加速度均方根值的形式进行量化可以分别获得衰减期稳定期加速度均方根柱状图，如图7所示，其中柱状图上方百分比为有无阻尼合金图层时，输出点A加速度均方根值的比值，从图7中可以看出上下表面总厚度为7 mm阻尼合金图层A点在衰减期加速度均方根值降为58.35%，稳定期加速度均方根值降为33.48%，采用上述方法绘制出随着阻尼合金层的厚度增加，A点加速均方根值的曲线图如图8所示。

从图8中可以看出，阻尼合金层对刀杆减振效果非常显著，输出点A衰减期加速度均方根值最大可降为原输出值的56.53%，稳定期加速度均方根值可降为30.86%。当阻尼合金图层厚度超过3 mm时衰减期加速度均方根值可略有下降，而稳定期加速度均方根值趋于稳定，由此说明，在衰减期随着阻尼合金厚度的增加其振动衰减仍有增加趋势，而对稳定期振动影响不明显。

3.2 刀杆内部阻尼合金材料对振动影响

不影响刀杆强度、刚度情况下，为了研究刀杆内部添加阻尼合金材料对振动的影响，选定在上下表面具有阻尼合金层总厚度分别为3 mm、6 mm、9 mm的刀杆其内部贯穿边长8 mm的阻尼合金方柱，其位置如图5所示，从而获得上述3种方案与原始刀杆加速度均方根曲线图如图9所示。

由图9中对比可以看出，内部贯穿阻尼合金方柱后对稳定期的影响不是很大，但是随着阻尼合金层厚度增加对衰减期有了更明显的减振趋势。

通过上述研究当上下两面添加阻尼合金图层后，A点衰减期加速度均方根值最大可降为原来的56.53%，而稳定期加速度均方根值降为30.86%。对于既有阻尼合金层又有中间贯穿边长8 mm阻尼合金方柱时A点衰减期加速度均方根值最大降为原始刀杆的40.40%。

4 结论

数值仿真的结果表明，在不改变刀杆结构尺寸基础上，在适当位置添加锰铜系阻尼合金材料层，可大幅降低刀杆工作时引起的振动，从而可提高切削加工时的稳定性及加工精度，在刀杆内部某些关键位置增加阻尼合金材料可在衰减期有明显减振效果，本文研究成果可为高精度刀具设计提供理论基础。

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[责任编辑    杨    屹]