深孔拉镗镗杆振动分析与优化设计

论文摘要

拉镗机床是加工深孔零件的重要设备之一。在深孔镗削过程中,被加工工件的质量取决于机床的加工精度,然而由于深孔加工特殊的加工环境,镗杆尺寸和形状都要受到一定的限制,造成刀具直径小、悬伸长、刚性差,易产生振动,这将严重影响加工质量。所以如何减小镗削过程中的振动已成为迫待解决的问题。本文研究镗杆的切削过程,所选用镗杆的长径比为50(L/D=4000/80)。建立镗杆系统动力学方程,在此基础上利用软件ANSYS对方程进行精确求解,分析镗杆的静、动态力学性能,并对镗杆结构进行优化,具体包括：首先对镗杆振动系统做了理论计算分析,建立拉镗镗杆在镗削时的简化受力模型,并在此基础上对镗杆在镗削过程中可能产生的各种振动形式的运动方程进行简化推导。其次分析切削角度,切削力以及镗杆弹性支撑的弹性系数对镗杆振动系统的影响。分别建立镗刀切削角度的数学模型；对镗头做静力分析；推导系统的耦合微分方程,求出引起该系统产生自激振动的条件,以及它与弹性支撑刚度的函数关系。再次利用有限元分析软件ANSYS对整个镗杆系统做静力分析,确定镗杆出现应力集中的位置,并对镗杆的强度和刚度进行校核；对镗杆结构的动态特性进行研究,通过模态分析得到前10阶固有频率及振型图,并对结果进行分析,在此基础上做谐响应分析,得出镗杆在受到外界激励的作用下,产生共振的频率,再通过瞬态分析,得到镗杆在开始和结束镗削时的瞬态动力响应。最后利用ANSYS参数设计语言对镗杆进行参数化建模,以空心镗杆截面内径为设计变量进行优化,得出最优解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外深孔加工镗杆减振研究现状和发展水平
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 第2章 拉镗镗杆的振动基本理论
• 2.1 镗杆系统的结构
• 2.2 镗杆镗削时受力模型
• 2.3 镗杆的径向弯曲自由振动
• 2.3.1 镗杆的刀头部分的挠度及转角
• 2.3.2 镗杆的弯曲振动运动方程
• 2.4 镗杆的扭转自由振动
• 2.5 镗杆的轴向自由振动
• 2.6 镗杆系统在切削力作用下的动态响应分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 影响镗杆振动系统的因素
• 3.1 切削角度对镗杆振动系统的影响
• 3.2 切削力对镗刀的影响
• 3.2.1 研究方法
• 3.2.2 镗刀模型的建立
• 3.2.3 镗刀所受载荷的确定及施加
• 3.2.4 求解
• 3.2.5 结果分析
• 3.3 弹性支撑的弹性系数对镗杆振动系统的影响
• 3.3.1 镗杆动力学模型的建立
• 3.3.2 镗杆振动系统微分方程的建立
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于ANSYS的镗杆系统静力分析
• 4.1 镗杆系统静力分析概述
• 4.1.1 ANSYS线性静力分析的基本步骤
• 4.1.2 镗杆镗削加工时的各种载荷情况
• 4.2 镗杆静力分析
• 4.2.1 建立模型
• 4.2.2 加载求解
• 4.2.3 结果评价
• 4.3 切削速度的分析比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于ANSYS的镗杆系统动力特性分析
• 5.1 镗杆的模态分析
• 5.1.1 模态分析理论
• 5.1.2 模态计算结果及分析
• 5.2 镗杆的谐响应分析
• 5.2.1 ANSYS谐响应分析简述
• 5.2.2 ANSYS谐响应分析的假设和限制
• 5.2.3 ANSYS谐响应分析理论
• 5.2.4 ANSYS谐响应分析方法
• 5.2.5 镗杆的谐响应分析计算
• 5.3 瞬态动力学分析
• 5.3.1 瞬态动力学分析方法
• 5.3.2 镗杆瞬态动力学分析
• 5.4 小结
• 第6章 基于ANSYS的镗杆系统结构优化
• 6.1 优化设计简介
• 6.1.1 优化设计的相关概念
• 6.1.2 优化设计的过程与步骤
• 6.2 镗杆结构的优化
• 6.2.1 优化过程
• 6.2.2 优化结果分析
• 6.3 本章小结
• 结论
• 1.总结
• 2.展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士研究生期间发表的论文