减振刀杆减振颗粒的试验研究

王亚东1, 庞学慧1,张余升2,郑智贞1

(1.中北大学 机械与动力工程学院,山西 太原030051)

(2.上海航天设备制造总厂，上海200245)

    设计了一种基于颗粒阻尼的减振刀具，并建立了减振刀杆的力学模型。在减振刀杆空腔内添加颗粒，并进行锤击及切削试验。得到以下结论：（1）刀杆空腔中添加颗粒后，刀杆的减振效果明显；（2）填充率相同时，密度较大的颗粒会产生较好的减振效果；（3）填充率与减振效果有着很大关系，在填充量为70%左右时减振效果最好；（4）刀杆中添加混合颗粒的减振效果很好。

    在工件的加工过程中，刀杆和工件之间往往会产生剧烈的振动，这种现象称之为颤［1］。通常，使用钢材料的刀杆在长径比超过5时，就会发生颤振。特别是当刀杆的长径比过大时，刀杆的颤振会更加明显，表现为：（1）剧烈的振动会使工件表面产生划痕，影响工件的加工质量；（2）振动会影响切削力的变化，使刀具易于磨损，甚至造成崩刀，损坏刀具。

    本文提出了一种基于颗粒阻尼的减振刀杆。颗粒阻尼减振刀杆是基于非阻塞性颗粒阻尼（NonObstructive Particle Damping，简称NOPD）减振技术［2］的刀杆。其工作原理是在刀杆空腔内填充一定比例的颗粒。系统在振动时，颗粒与颗粒之间相互碰撞和摩擦、颗粒和空腔壁相互碰撞和摩擦消耗能量。颗粒阻尼减振刀杆的优点是在恶劣条件下依然有很好的减振效果，并且具有抗老化、成本低、减振频带宽等优点［3］。

1建立减振刀杆的力学模型

    本文设计的减振刀杆是在刀杆的空腔中加入一定比例的颗粒，可以将减振刀杆看作是一个由单个连续体和单个振动单元组成的减振系统［4］。将刀杆的刀尖作为振动的研究点，即将整个刀杆的质量集中在刀尖，可以看作是一质量块等效地加在这点上，质量块的质量为刀杆的质量，减振刀杆力学模型如图1所示。图中：m1为空腔刀杆的质量；k1为刀杆刚度；x1为m1相应产生的位移；m2为减振空腔内添加颗粒的总质量；c为减振颗粒的阻尼；k2为减振空腔与颗粒层接触产生的接触刚度；x2为m2产生的位移；Peiωt施加在m1上的激振力。

图1减振刀杆力学模型

    这样就把减振刀杆的减振系统简化为具有2个自由度的阻尼振动系统。由m1，k1组成的系统为主系统，由m2，k2组成的系统为附加系统，即减振系统［5］。

该系统的动力学方程为......

作者简介：王亚东（1990—），男，山西太原人，中北大学硕士研究生，主要研究方向为先进刀具技术。

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