旋转复合材料镗杆动态特性分析与性能研究

作     者：赵奇 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任勇生;魏金宝

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：碳纤维复合材料 镗杆 有限元 固有频率 谐响应 

摘      要：传统的金属材料镗杆,由于固有频率和动刚度较低,在高速镗削过程中很容易发生颤振,从而影响加工质量和加工精度,难以满足加工技术要求,而且使刀具寿命降低。为了确保加工系统有较好的切削稳定性,一般会降低切削用量或者提高镗杆本身静刚度,但是,在实际加工过程中,这会降低加工效率,并且单纯的提高镗杆刀体静刚度已无法满足复杂多变的加工工艺,因此需要设计开发一种新型减振镗杆以提高减振系统以及切削系统的动刚度。同时改善包括镗杆在内的机床结构的动刚度和基本固有频率的最佳方式是采用复合材料。这是由于复合材料具有高静态刚度和高阻尼以及非常高的比刚度。本文对复合材料镗杆的动态特性进行理论分析与数值计算。复合材料镗杆结构构成如下:刀杆采用空心复合材料形式,内嵌阻尼材料芯体,刀杆表面采用金属套包裹。采用大型有限元商用分析软件ANSYS对复合材料镗杆进行有限元建模和动力学仿真并进行准确求解,其中包括静止和旋转的复合材料镗杆、不考虑和考虑结构阻尼的复合材料镗杆的动力学特性与谐响应分析。研究了复合材料镗杆的结构设计参数,包括复合材料铺层方式、复合材料与阻尼芯材料的类型、粘合层与金属套件的厚度以及镗杆的长度等,对固有频率、涡动频率、临界转速、坎贝尔图、谐响应曲线、有阻尼固有频率、模态阻尼比和动刚度的影响。本文的有限元分析结果与文献结果进行了对比,显示出较好的一致性。对复合材料镗杆进行有限元建模、并进行模态分析和谐响应分析,分析不同铺层方式和不同结构对固有频率和幅频响应曲线的影响;对旋转镗杆进行模态分析,分析不同铺层方式对涡动频率和临界转速的影响。分别对五种铺层方式和不同结构的复合材料镗杆进行了阻尼性能分析,运用ANSYS对镗杆进行了模态分析、谐响应分析,得出复合材料镗杆的阻尼固有频率、模态阻尼比和幅频响应曲线;加入转速,得出旋转镗杆的涡动频率、临界转速和动刚度。讨论不同结构的尺寸和材料对旋转复合材料镗杆的固有频率、模态阻尼比和动刚度的影响。