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作者：

刘洋

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摘要：

振动是切削加工中普遍存在的现象,尤其是在航空航天,汽车等领域的车削和铣削加工中,刀杆悬伸长,刚性差的问题极易导致切削加工过程产生颤振,降低切削加工稳定性,严重影响加工质量和加工精度.为抑制长悬伸刀杆切削加工中的颤振,提出一种结构简单,性能优良和适应性强的被动减振解决方案,研制约束阻尼结构减振刀杆,以此实现抑制颤振,提高切削加工稳定性的目的.约束阻尼结构刀杆能够吸收切削加工过程产生的振动能量,并通过粘弹性阻尼材料的剪切变形转化为热能耗散,其阻尼减振性能在高频时更强,可在一定程度上适应复杂多变的切削加工条件. 首先,分析约束阻尼结构的耗能机理并结合刀杆的具体结构,初步设计约束阻尼结构车刀杆和约束阻尼结构铣刀杆,并根据粘弹性阻尼材料的动态力学性能分析减振刀杆的频变阻尼特性;研究车削颤振和铣削颤振的产生机理,建立车削频变阻尼单自由度振动模型和铣削频变阻尼二自由度振动模型,推导车削极限径向切削深度,铣削极限轴向切削深度和稳定主轴转速的计算公式;分析刀杆的模态参数与切削加工稳定性的关系,确定减振刀杆的设计优化目标为增大一阶动刚度,同时保证较高的一阶固有频率. 其次,通过实验和回归拟合确定三种粘弹性阻尼材料的动态剪切损耗因子和动态剪切模量与频率的关系;对板类约束阻尼结构和轴类约束阻尼结构进行模态分析,建立悬臂梁模型和微元剪切耗能模型,推导模态参数的理论计算公式;通过有限元仿真和模态实验验证理论建模和计算的准确性. 然后,对设计的约束阻尼结构车刀杆和约束阻尼结构铣刀杆进行减振性能优化,优化阻尼层结构尺寸以及优选粘弹性阻尼材料;制造最优约束阻尼结构车刀杆和最优约束阻尼结构铣刀杆,并通过模态实验对比约束阻尼结构刀杆和普通刀杆的阻尼减振性能,最优约束阻尼结构车刀杆的一阶动刚度同比增大82%,最优约束阻尼结构铣刀杆的一阶动刚度同比增大23.5%. 最后,绘制车削加工和铣削加工稳定性叶瓣图,最优约束阻尼结构车刀杆的极限径向切削深度同比增大86.7%,最优约束阻尼结构铣刀杆的极限轴向切削深度同比增大22%,加工稳定区域均增大,加工稳定性改善;根据稳定性叶瓣图选择切削加工参数进行车削实验和铣削实验,在高主轴转速和大切削深度下,约束阻尼结构刀杆的减振效果更好,加工稳定性更强,与普通刀杆相比其工件表面质量明显改善.

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关键词：

颤振现象 约束阻尼 频变阻尼 减振刀杆 阻尼减振 稳定加工

学位级别：

硕士

学位年度：

2017