阻尼合金消耗因子对镗杆减振性能的影响

曾海波，罗红波，李红梅

(四川大学制造科学与工程学院，成都 610065)

0 引言

在金属切削加工中，在工件和刀具之间常常发生强烈的相对振动，称之为颤振(chatter)［1］。在一定力的作用下，镗杆的弯曲程度主要取决于镗杆的静刚度，而镗杆的振颤的幅度和频率取决于镗杆的静刚度和动刚度［2-4］。在生产实践中，一般来说机床的振动是不希望产生的。这是因为振动所产生的噪声能刺激操作工人引起疲劳，降低工作效率.并且它又能使机床零件过早出现疲劳破坏，从而使零件的安全程度、可靠性和强度下降，机床的振动还会导致被加工工件的精度降低，刀具寿命和生产率下降。对于镗孔加工更是如此，镗杆镗孔的时候处于半封闭状态，镗杆工作在工件之内，加工条件恶劣，尤其是用于加工大深孔时，镗杆悬伸很长，一般悬伸长度是其直径的4～10倍，因此极易引起振动，严重影响镗削的精度和加工效率。因此加工大深孔时，镗杆的振动是不可忽视的因素。

减振镗杆各个参数的变化，尤其是阻尼合金、减振块和阻尼液等参数的变化对其影响很大。如果参数调整不好，对其减振性能影响很不好，甚至会使镗杆失去减振作用。

1 镗杆结构模型的建立

减振镗杆所采用的是内置式阻尼动力减振结构的防振镗杆［5］，其基本结构如图1所示。

减振系统的刀杆是由一个连续体和一个振动单元组成的，如图1所示。根据振动力学的理论分析可知，这样的系统建立方程很不方便，必须进行简化。

在图2中为简化模型的方便，选取镗杆的刀尖作为研究振动点，镗杆的质量将被集中在这一点，可以认为有一个质量块等效地加在这一点，等效质量块的质量就是镗杆的当量质量，镗杆在研究点的刚度被看作是弹簧的弹性系数k1，橡胶圈的弹性系数为k2，阻尼液的动力阻尼为c，空气摩擦和冷却液的阻尼影响，根据不同的情况，可以取不同的值。当镗杆的振动频率较低时，可以忽略不计;而当振动频率较高时，空气阻尼有时可以忽略，但冷却液的阻尼却不可以忽略。

这样就把减振镗杆系统简化成了具有两个自由度的有阻尼振动系统。我们把由m1、k1组成的系统称之为主系统，把由m2、k2和c组成的减振装置称之为减振器。

振动系统的运动微分方程为:

式中:A1、A2——主质量、辅助质量的振幅;

由式(4)、(5)可以看出，要确定的参数有a、λ、ξ、u。根据已有的研究成果基础，知道此优化问题可以用全局数值搜索法寻优求解程序，寻求系统的最优参数为:

根据实际应用要求，本文初步设计的镗杆悬臂长度L=800mm，直径 D=80mm，材料为40Cr，弹性模量E=211GPa，镗杆主系统悬伸总质量m1=40kg。

2 阻尼合金的选择

2.1 阻尼合金的分类

阻尼合金具备的基本特征是能够通过材料内部的各种相应阻尼机制，吸收外部振动能量，并将振动能转化成热能而不可逆耗散，达到减振的功效。一般分为复相型、孪晶型、位错型、铁磁型合金［6］。其性能特点如表1和表2。

表1 阻尼合金的性能特点

表2 阻尼合金的性能特点

复相型的Al_Zn合金阻尼性能偏低，而且只能在150℃左右较窄的温度区内使用。

孪晶型:镁合金阻尼性能虽很高，但其抗蚀性能较差，力学性能太低，Fe_Ni_Mn虽具有很好的抗蚀和力学性能;可是内耗太小。

位错型:尽管Mn_Cu及Ni_Ti合金具有较高的阻尼性能和好的抗蚀及力学性能功能，但由于受马氏体相变点的制约，使用温度不能超过80℃。

铁磁型:Fe_Cr基、Fe_Al基、Ni_Co基其阻尼性能具有很好的抗蚀性能，力学性能十分接近于奥氏体不锈钢的水平，其内耗相当于Mn_Cu合金水平，甚至更高。更重要的是其高阻尼性能可从室温一直保持到300℃(或更高)的高温条件。

2.2 材料的选取

金属或合金的阻尼性能好坏可用许多种方法量度如:对数衰减率δ，内耗Q－1，减振系数SDC，能耗系数η等［7］。我们可以用内耗(Q－1)来计算出选用材料的最佳消耗因子β=Q－1/2。

在镗杆的精加工切削过程中，刀头部分的温升最高，大约为300℃，其余杆件部分受温较低，大约为20℃。因此可以选用铁磁型合金Fe_Cr3_Mo作为刀头部分的材料，选用Fe_Cr13_Al做为镗杆的杆件部分的材料，此时Fe_Cr3_Mo和Fe_Cr13_Al的最佳消耗因子分别为0.0134和0.0105。

3 阻尼合金参数对减振镗杆性能的影响

本次试验是通过对减振镗杆的谐响应分析来比较对减振性能的影响大小。在材料选定和尺寸确定的情况下，系统模态阻尼比 ζ=0.22，基频为40.679Hz，选取不同的消耗因子进行分析，分析结果如图3～7所示。

通过谐波响应图3～6的比较，在0～0.7的范围内选取不同的消耗因子，可以得出以下结论:当阻尼合金的消耗因子不断增大的情况下，铁磁合金的减振效果也将越来越好，当选取阻尼消耗因子为0.7的时候达到最佳的减振效果，谐响应的峰值为2.91e－2mm，由于阻尼合金在同一温度的最佳消耗因子是一定的，因此在满足了镗杆的刚度条件下，选用本次实验合金材料，我们可以在其最佳消耗因子下工作，即选取Fe_Cr3_Mo和Fe_Cr13_Al的消耗因子分别为0.0134和0.0105的时候下观察减振效果。结果如图6。

然后比较图6和图7，我们可以看到当消耗因子相差很大的情况下，峰值的变化却不是很大，仅仅相差0.31 e－2mm。考虑到镗杆在工作中各个部件的温度差别很大，因此，针对不同的温度，我们选用了适合了该温度下工作的合金，即:Fe_Cr3_Mo作为刀头部分的材料，选用Fe_Cr13_Al做为镗杆的杆件部分的材料，得到较为理想的结果3.22e－2mm。

图7 Fe_Cr3_Mo和Fe_Cr13_Al的消耗因子分别为0.0134和0.0105时的谐波响应

4 结论

通过以上的实验，我们可以分析得出:阻尼合金的材料对于减振效果的影响很大。其随着消耗因子不断升高，减振的效果可以更为理想，由于不同的材料在同一温度下的消耗因子是不同的，而在镗杆的工作条件下，各个部件的温度基本确定，因此，我们要综合考虑适合不同温度的材料，和高的消耗因子以及经济方面的因素，选用最恰当的减振合金，使其尽量能在低费用的情况下达到更好的减振效果。

［1］S.A.托贝斯.机床振动学［M］.北京:机械工业出版社，1977.

［2］张钟伟.高速高精度加工用热装刀具夹持系统［J］.MC现代零部件，2006(2):76－78.

［3］王文光.热装式夹头及其支撑技术［J］.工具展望，2005(2):11－13.

［4］S Sen，B Aksaka.l Stress analysis of interference fitted shaft hub system under transient heat transfer conditions［J］.M aterials and Des ign 2004，25:407 －412.

［5］秦柏，邵俊鹏.重型数控机床深孔加工动力减振镗杆的设计与仿真［J］.哈尔滨理工大学学报，2006(1):139－141.

［6］李沛勇，戴圣龙，刘大博，等.材料阻尼及阻尼合金的研究现状［J］.材料工程，1998(8):44－48.

［7］于学勇，李宁，青永刚，等.固溶处理温度对Fe-1Mn-022C合金阻尼性能的影响［J］.四川大学学报，2003(5)84－87.