被动约束阻尼复合材料大长径比镗杆高速切削稳定性分析

The boring bar used to bore deep hole is of large length to diameter ratio and is modeled as long thin cantilevel structures, which causes stiffness degradation, cutting flutter, poor surface precision, cutters fatigue, noise and lower processing efficiency etc. The technology about boring bar's vibration suppression is crucial to the processing efficiency, quality and cost of deep hole boring, and is a bottleneck problem of deep hole boring. This project is aimed at setting up a complete vibration analyzing theory and effective calculating methods of passive constrained damping layer composite boring bar with large length to diameter ratio (PCDCLR boring bar). According to composite structure mechanics, Kelvin-Voigt damping modulus and Timoshenko beam theory respectively, the composite base layer, damping layer and constraining layer are analyzed. Then nonconservative complete system's Hamilton's principle is used to set up the vibration differential equations of PCDCLR boring bar. By Galerkin method, the differential equations is firstly condensed and reduced order, secondly is used to calculate the critical speed, modal damping, threshold of instability and cutting stability with cycle boring force. Then the effects of various parameters of the different layers to the vibration characteristics of the boring bar are analyzed. All of the research work dedicates to the development of a new composite boring bar and has important scientific and engineering significance.

深孔镗削加工使得镗杆的长径比增大，具有细长悬臂式结构，进而刚度下降，易引发颤振，导致工件表面加工精度下降、刀具疲劳破坏、噪声和降低加工效率等。镗杆减振技术的发展关系到深孔加工的效率、质量和成本等，成为深孔加工领域的一个技术瓶颈。本课题拟针对被动约束阻尼复合材料大长径比镗杆（PCDCLR镗杆）高速镗削时的稳定性建模与分析给出完整的理论研究体系和有效计算方法。拟依据复合材料结构力学、Kelvin-Voigt阻尼模型和铁摩辛柯梁理论对复合材料芯部、阻尼层和约束层进行分析，应用哈密顿原理建立PCDCLR镗杆的振动微分方程。采用伽辽金法对振动方程进行模态缩聚降阶后计算镗杆的临界转速、模态阻尼、失稳阈及考虑周期镗削力的切削稳定性，揭示PCDCLR镗杆的各层参数尺寸等对振动稳定性的影响机理。本课题的研究工作为大长径比减振镗杆的研制奠定了理论基础，具有重要的科学和工程意义。

深孔镗削加工使得镗杆的长径比增大，具有细长悬臂式结构，进而刚度下降，易引发颤振，导致工件表面加工精度下降、刀具疲劳破坏、噪声和降低加工效率等。镗杆减振技术的发展关系到深孔加工的效率、质量和成本等，成为深孔加工领域的一个技术瓶颈。. 本课题对复合材料镗刀杆分别基于欧拉梁理论和薄壁壳结构理论，考虑截面变化、内外阻尼、旋转惯性力、陀螺效应和结构非线性等的影响，建立其动力学模型，进而分析了这些因素对于切削稳定性的影响。得到的结论如下：（1）刀杆的长径比和增强纤维的铺层角度对于刀杆的稳定性有着直接的影响，长径比越小，铺层角度越大，切削稳定性也越好；（2）随着刀杆的刚度和阻尼系数的增加，切削稳定性逐渐提高。在考虑内阻尼时，高转速下会存在一个不稳定区域，因此内阻尼对于切削稳定性的作用受到转速的影响；（3）刀具旋转的陀螺效应在切削过程中起到了负阻尼的作用，使得切削稳定性降低。（4）当考虑刀具结构非线性时，增加铣刀齿数、激振力幅值或者减小切削力参数、切削深度，能够增加主共振响应曲线的峰值；结构阻尼对主共振响应有明显的抑制作用。由于切削系统存在三次刚度非线性，主共振响应峰值向右偏斜，切削系统的主共振响应表现出典型的硬弹簧 Duffing振子的特性，出现跳跃性并且存在多值区域。当过程参数位于不稳定区域时，由于刀杆非线性刚度的限制，对应的时间响应的振幅不是无限增长的，而是将达到有限的数值。（5）采用约束阻尼结构的复合材料镗杆其切削稳定性明显提高，且随着铺层角度的增加，颤振稳定性降低；而增加约束层厚度或增加铺层厚度可以提高颤振稳定性。在切削过程中，还存在一个最佳的阻尼层厚度，以优化镗杆的颤振稳定性。. 本课题的研究工作为大长径比减振镗杆的研制奠定了理论基础，具有重要的科学和工程意义。