研究生创新基金项目模板和案列.docx
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研究生创新基金项目模板和案列
研究生创新基金项目
申请书
项目名称:
大长径比减振镗杆结构参数
优化设计研究
项目类别:
应用实践鼓励项目
申请人:
x
项目责任导师:
x
申请人所在学院:
机电工程学院
项目申请时间:
2012/9/12
湖南科技大学研究生工作部
一、基本信息
申
请
人
信
息
申请人姓名
/
申请人学号
xxxxx
正常毕业时间
/年/月
联系电话
/
毕业学位论文
拟选研究方向
大长径比减振镗杆结构参数优化设计研究
项
目
导
师
信
息
项目责任
导师姓名
/
职称
/
所在学院
机电工程学院
主要研究领域
联系电话
/
项目责任导师
培养业务费财务帐号
项
目
组
成
员
姓名
年级
专业
项目分工
签名
/
/级
机械制造及其自动化
软件仿真
/
/级
机械制造及其自动化
软件仿真
项
目
基
本
信
息
项目名称
大长径比减振镗杆结构参数优化设计研究
项目研究
起止时间
2012年10月—2014年5月
申请经费
4000元
研究内容简介:
(用简洁且专业的语言介绍项目研究的主要内容。
一般400字左右)
1.对大长径比镗杆进行系统建模。
建立大长径比镗杆的数学模型,推导出镗杆固有频率和等效阻尼的表达式,作为接下来研究的理论基础。
建立大长径比镗杆的三维实体模型,作为仿真研究的模型基础。
2.对大长径比镗杆进行静力学分析和模态分析。
通过进行静力学分析,研究镗杆优化前的变形量以及应力分布情况;通过进行模态分析,研究镗杆在不同模态下的固有频率和振型的情况。
3.研究大长径比镗杆结构参数对系统振动的影响。
对镗杆进行结构参数化,并分析各结构参数对系统振动的影响程度,找出对系统振动影响较大的结构参数,进行进一步研究。
4.对镗杆进行结构优化。
根据前面研究的主要结构参数,运用软件进行多目标结构优化,得到镗杆的总体最优参数配置,从而达到较好的减振效果,然后建立优化后的大长径比减振镗杆模型。
5.对比验证。
加工出优化后的大长径比减振镗杆,进行试验研究,测量出相关数据,然后与优化前后的仿真数据进行对比,验证研究结果。
关键词
大长径比;减振镗杆;结构参数化;结构优化设计
2、项目论证(可顺延加页)
一、立项背景、选题的科学与应用意义、国内外研究现状及发展趋势(参考文献在引用处标注,在论述正文后面依次列出)
1.立项背景
孔加工是金属切削加工中重要的加工工序之一,约占加工总量的33%[1],而深孔加工又在内孔加工中占很大比例。
从性价比考虑,镗削加工相对于钻削加工精度较高,且价格低于特种加工,因此国内外广采用镗削工艺来加工预置孔[2]。
镗杆由刀片、刀杆和镗座组成,刀杆从镗座中伸出的长度称为悬伸量,悬伸量决定了镗孔的最大深度,是镗刀最重要的尺寸;刀杆长度与直径的比称为长径比。
通常,长径比小于4的镗杆加加工时不易产生颤振。
当镗杆受到一个持续的切削力时,杆长从杆直径的4倍增加到10倍时偏差将增加16倍。
在同样的切削力作用下,杆长进一步增加到杆直径的12倍时,将增加另外的70%的偏差;保持镗杆的直径不变的情况下杆直径由25mm增加到32mm则会减少62%的偏差。
亦即,镗杆的长径比大于4倍时,镗杆本身的刚度已经明显达不到加工的要求[3],特别是当镗杆的长径比大于5时,悬臂式的镗杆都会遇到颤振问题,造成精密孔加工精度低、表面质量差以及加工效率不高等问题。
刀具在切削时发生振动需要三个条件同时存在:
一是包括刀具在内的工艺系统刚性不足导致其固有频率低;二是切削力产生了一个足够大的外激力;三是外激力的频率与工艺系统的固有频率相同随机产生共振。
可见刀具的动、静刚度和几何参数直接影响工艺系统的稳定性。
为了抑制颤振的产生,在实际生产中常采取如下措施:
缩短刀具悬伸、降低切削速度、加大进给量、使用大前角刀片或正前角刀、减小刀尖圆弧、小切深减小切削刃倒棱宽度、颤振主动控制策略。
但这些措施会遇到如下制约和无奈,有时甚至会适得其反。
(1)工件孔深要求决定镗刀杆长径比下限;
(2)降低切削速度,降低整机加工效率;
(3)加大刀具前角,容易产生崩刃;
(4)减小刀尖圆弧,将恶化被加工面表面粗糙度;
(5)切削颤振实时准确识别和预测困难。
因此,如何消除大长径比镗刀杆镗削工程中的振动已成为迫切解决的问题[4-9]。
目前关于镗刀杆的改良设计和切削颤振控制的研究众多,但镗削加工条件和空间尺寸受限,无疑给镗杆的设计和实时振动控制增加了难度。
硬质合金等新材料的出现和计算优化方法的发展使防振镗刀杆的优化设计成为可能。
基于此,项目拟以具有长径比的镗刀杆减振设计为目标,创成合理的镗杆形状结构,建立镗刀杆有限元模型,采用和参数优化设计方法,研究刀头部截面形状变化对镗刀杆动刚度的影响,进而提出和发展自消振镗刀杆的优化设计理论和方法。
2.国内外研究现状及发展趋势
二十世纪前,深孔加工技术的应用长期局限于枪筒,炮筒等军事工业的生产。
随着现代化进程的不断推进,深孔加工技术应用范围与日俱增。
尤其在石油化工、石油采掘、航空航天、机床、汽车等行业,深孔技术的功能更显示出其得天独厚的重要地位[10]。
深孔零件的功能越多,也要求深孔零件的加工质量和性能越来越高,例如一架现代大型客机需要在复合材料部件上加工多达700多万个孔,为了保持优质、高效、稳定的加工,必须使用新型专用高效切削刀具。
镗杆是深孔镗削加工的必备工具,由于深孔镗削时,镗杆的刚度不足容易引起切削振动,因此,出现了减振镗杆的需求。
减振镗杆在机械行业的研究中,已经有很长的历史,但减振镗杆的研究和发展比较缓慢。
近年来,随着高性能材料和控制技术的发展与应用,减振镗杆从理论到实践都有迅速发展,工业的航空航天,汽车产业,军工制造等领域应用日益广泛,加工质量要求也越来越高。
对于切削加工中颤振的控制,国内外的研究人员已进行了大量的研究,总的来说可分为两大类:
振动控制方法和调整切削参数的控制方法。
振动控制方法中,又根据控制执行装置性质的不同分为主动控制方法和被动控制方法。
被动型颤振控制方法主要是通过在系统中加入吸振部件来达到减振的效果,但它有积极和消极之分[11]。
消极的被动控制不需要附加能源,减振器的工作完全取决于主振动系统,其结构简单、工作可靠,已广泛应用于工程中。
被动控制的方法也很多,其中可以分为应用新型材料、动力减振、冲击减振、摩擦减振、阻尼减振等方法,这些方法实质上是通过结构设计提高镗杆动静刚度和改变阻尼。
机械加工中工艺系统刚度对加工精度有重要影响,镗杆类似于一端固定、另一端无支承(刀杆悬伸)的悬臂梁,其动、静刚度是系统固有的特性,静刚度反映镗杆承受因切削力而产生挠曲的能力,动刚度则反映镗杆抑制振动的能力。
利用新型材料方法主要通过使用高强度的新型材料提高镗杆的静刚度来防止颤振;通过镗杆结构优化设计来提高镗杆动刚度来抑制颤振。
日本三菱公司钢制整体式Dimple镗杆[12]在设计刀具形状时的思想是减轻镗杆头部重量,这样不仅镗杆的重量减少了很多,而且静刚度的减少量也较小。
硬质合金的弹性模量为钢的3倍以上,因此,材料本身就具有良好的抗颤振性能。
三菱综合材料公司采用的硬质合金比一般的硬质合金具有更高的刚性,是一种防振性能良好的工具材料。
此种镗杆的头部仍由钢制作,刀杆为硬质合金,其结合形状采用锥形结合方式。
此种方式可提高两者的结合强度。
由于硬质合金镗杆刚性良好,其伸出长度约为钢制镗杆的1.6~2倍。
但是应该指出这种处理办法还存在很多的问题,其主要问题是采用头部切除法有很大的局限性,即长径比不能达到太大。
日本东芝公司的减振镗杆应用三明治结构,用刚度和强度大的材料嵌在镗杆两边,提高镗杆的静刚度。
镶嵌在杆两侧的硬质材料和刀体粘结程度是影响镗杆质量的关键因素。
同时,由于受到两条加固材料的刚度、厚度和它与杆体粘结的紧密程度的影响,因此长径比的值也受局限。
NaganoS,TakayukiK[13]等采用基于树脂的碳纤维增强塑料增强镗杆抑振性能。
美国Kenametal公司LeeDG[3]等设计的镗杆,利用高刚度碳纤维环氧复合阻尼长径比为10.7时颤振还没发生,也属于提高镗杆静刚度的一种。
吴能章,周利平[14]镗杆的芯部嵌入硬质合金的新型刀具进行了分析,在允许的精度范围内制作长径比较大的刀杆。
类似的研究还有,削偏镗杆等[15-17]。
另外,采用特殊的高杨氏模量的材料,如钨类合金构成组合镗杆来提高镗杆的刚度[18]。
为了设计出减振性能更好的镗杆,学者们在减小键杆振动的理论与实践方面一直在进行积极的研究。
从对结构性能分析方面,马秋成等[19]对细长镗杆进行了研究,并通过有限元对镗杆进行了静态分析,模态分析,谐响应分析找出最佳的刀杆设计方案,提高刀杆的抗振能力。
从模态耦合的角度,张红卫等[20]分析了深孔镗削加工过程中自激振动产生的原理以及加工过程中切削颤振机理,进一步总结出为避免切削颤振,镗杆应安装的合理角度。
根据等截面梁的横向振动理论,韩荣第[21]等建立了细长杆系横向自由振动的偏微分方程,求出了细长杆的振型函数。
纵观国内外发展现状,为了适应现代化工业的发展,提高深孔加工零件的质量和性能,镗杆切削振动机理研究以及减振镗杆的研制与应用已成为国内外学者们关注热点。
然而,尽管目前大多学者在该领域中已做了大量的工作,但未能详细研究深孔镗杆工作时的受力情况,进而降低了镗削振动理论的广泛性以及减振镗杆的实用性。
主动控制与半主动控制机构具有实时调控性能,其主要优点是减振器的某一项或多项性能参数可以根据实际振动情况进行调节。
周家林[22]通过基于人工神经网络的镗孔加工尺寸误差预测模型,实现加工尺寸误差预测补偿控制镗削加工精度。
王民[23]等利用模糊BP网络将人类专家知识融入神经元网络,提高了网络学习、判别的速度并应用在镗削系统。
刘鹏[24]利用压电陶瓷(PZT)的正负压电效应抑制减小切削振动。
Akesson,Henrik[25]等设计了自适应控制器对镗杆振动进行主动控制但由于代价较大仍停留在实验室阶段。
近年来智能型材料如压电陶瓷材料、电流变材料、磁流变材料、磁致伸缩材料有了长足发展。
将智能型材料应用于切削振动的控制,已有不少成功的实例:
SanjivG,Tewani.[26]等利用压电执行器(压电陶瓷组成的叠堆产生一个惯性力来平衡作用于主系统的颤振。
MatsubaraT,Tanaka[27],PRATTJR,PetterssonL等都运用主动压电阻尼器来对细长键杆进行颤振控制。
孔繁森、刘春颖[28]利用压电陶瓷作为主动控制元件,对镗杆的再生型颤振进行了主动控制仿真研究。
王民、费仁元等利用电流变材料设计了一种具有在线可调动态特性的智能化镗杆。
甘新基[29]通过调整附加在镗杆上的压电片的驱动电压,可在一定程度上抑制镗削加工过程中的颤振。
梅德庆、孔天荣[30,31]等发明了一种基于磁流变的自抑制智能镗杆构件,能实时地改变镗杆的动态特性,有效抑制镗削过程颤振的发生。
综上所述,对镗杆的振动控制方法和设计的研究,已有较为丰富的研究成果。
进入新世纪以来,我国数控机床和高效刀具取得了快速发展,我国工具行业已经有相当一批企业具备了仿制进口高效刀具的能力,也解决了国内制造业的部分加工需要,在一些领域打破了进口刀具一统天下的局面,但所占份额还不足20%,在我国的工具市场上,进口现代高效刀具仍然占据绝对优势。
经验证明,花钱可以买到先进装备,但核心技术是买不来的。
刀具专用数字化制造技术和装备的大规模引进是近十年的事,采取“以仿为主,替代进口”的方针,虽然有利于加快发展速度,满足市场需求,但与此同时,这种发展方式付出的代价是在技术上严重依赖发达国家,将失去发展主导权,永远跟在人家后面亦步亦趋。
3.选题的科学与应用意义
本研究意义就在于,通过对单自由度普通镗杆的结构设计、刀体材料及刀具材料合理选用的研究分析,结合镗杆加工特点,进行单自由度减振镗杆的设计及研究。
通过省去镗杆的刀头质量,设计出特殊的结构的轻量刀头,这种刀头不但结构简单而且比普通钟杆的阻尼比高。
在防止产生高频振动的同时了改变镗杆的固有频率,从而避开切削系统的共振频率。
纵观国内外发展现状,为了适应现代化工业的发展,提高深孔加工零件的质量和性能,镗杆切削振动机理研究以及减振镗杆的研制与应用已成为国内外学者们关注热点。
然而,尽管目前大多学者在该领域中已做了大量的工作,但未能详细研究深孔镗杆工作时的受力情况,进而降低了镗削振动理论的广泛性以及减振镗杆的实用性。
现代数字化制造技术是为了满足制造业提高生产率的需求而发展起来的。
作为一个完整的制造技术体系,现代数字化制造技术主要由数控机床、数控量仪和数控刀具(国际上习称“现代高效刀具”)三部分组成。
现代高效刀具对于充分发挥数字化制造技术的综合优势,起着关键而不可替代的作用。
尤其是现在的大飞机项目和汽车行业的飞速发展,出现大量薄壁和深孔零部件需要加工。
因此,发展现代高效刀具,替代廉价、低效的传统刀具,是中国制造业提高竞争力的必由之路。
进入新世纪以来,我国工具工业已经开始了从传统标准刀具向现代高效刀具的转型,进入了崭新的发展轨道。
国外多家刀具厂商的新型镗杆占据了一定的市场,而且对我国均采取技术封锁,只提供产品无产品设计与制造的核心技术。
因此,发展有自主知识产权的防振高效镗杆,是我国刀具受到进口刀具步步进逼的严峻挑战下的必然选择。
可喜的是,机械系统创成科学分支里的“零件结构制造方向”下的“高精度数字化制造科学”已被国家列为未来10-20年机械工程优先资助领域。
综上所述,本项目对用于深孔加工的防振镗杆的设计理论和方法展开研究,研究大长径比镗杆的结构形式及其动力学特性,得出防振镗杆的动刚度与颤振的关系,探讨防振镗杆截面形状与刚度的关系,进而提出和发展一套大长径比防振镗杆的设计理论和方法。
项目研究是一项创新性的工作,对于促进我国高效工具的技术进步,提高镗刀的国际市场核心竞争力等方面不仅具有重要的学术价值和社会意义,而且有着广泛的应用前景。
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二、项目研究内容(分研究内容、研究目标、解决的关键问题及创新点等四部分进行阐述)
1.研究内容:
(1)对大长径比镗杆进行系统建模。
建立大长径比镗杆的数学模型,推导出镗杆固有频率和等效阻尼的表达式,作为接下来研究的理论基础。
建立大长径比镗杆的三维实体模型,作为仿真研究的模型基础。
(2)对大长径比镗杆进行静力学分析和模态分析。
通过进行静力学分析,研究镗杆优化前的变形量以及应力分布情况;通过进行模态分析,研究镗杆在不同模态下的固有频率和振型的情况。
(3)研究大长径比镗杆结构参数对系统振动的影响。
对镗杆进行结构参数化,并分析各结构参数对镗杆固有频率的影响程度,找出对系统振动影响较大的结构参数,进行进一步研究。
(4)对镗杆进行结构优化。
根据前面研究的主要结构参数,运用软件进行多目标结构优化,得到镗杆的总体最优参数配置,从而达到较好的减振效果,然后建立优化后的大长径比镗杆模型。
(5)对比验证。
加工出优化后的大长径比镗杆,进行试验研究,测量出相关数据,然后与优化前后的仿真数据进行对比,验证研究结果。
2.研究目标:
针对深孔加工中大长径比镗杆的切削振动问题,以大长径比镗杆作为研究对象,建立参数化镗杆模型,进行结构参数优化设计,最终设计出具备较好减振性能的大长径比镗杆,以确保深孔镗削加工质量、延长刀具使用寿命,进而提出一套大长径比镗刀杆的优化设计理论和方法,服务于工具行业,促进镗削工具的技术进步。
3.拟解决的关键问题:
当镗杆的长径比大于5时,悬臂式的镗杆都会遇到颤振问题,造成精密孔加工精度低、表面质量差以及加工效率不高等问题。
虽然目前关于镗刀杆的改良设计和切削颤振控制的研究众多,但镗削加工条件和空间尺寸受限,无疑给镗杆的设计和实时振动控制增加了难度。
硬质合金等新材料的出现和计算优化方法的发展使减振镗刀杆的优化设计成为可能。
本项目拟解决的关键问题是:
(1)大长径比减振镗杆结构参数对系统振动影响的研究。
(2)大长径比减振镗杆总体最优参数配置的研究。
4.项目创新点:
孔加工是金属切削加工中重要的加工工序之一,而深孔加工又在内孔加工中占很大比例。
从性价比考虑,镗削加工相对于钻削加工精度较高,且价格低于特种加工。
因此深孔镗削减振的研究一直是一个热点的研究方向。
目前深孔镗削加工的减振结构和方法的研究有:
采用新材料,提高镗杆的刚度;改变结构阻尼,增大振动能量的损耗;还有动力减振、摩擦减振和冲击减振等减振方法。
而本项目的创新点在于:
(1)大长径比镗杆结构参数优化方法;
(2)设计出新的大长径比镗杆结构。
三、项目研究方案及可行性分析(对研究路线、研究方法、研究基础、研究条件等分别进行说明和论证)
1.技术路线:
首先选定大长径比的普通镗杆作为初始原型;接下来通过软件的三维建模和有限元建模,使镗杆原型结构化,便于对镗杆原型进行静力学分析、模态分析和动力特性研究;然后通过建立大长径比镗杆的振动模型分析和结构参数化研究,使镗杆原型参数化,研究结构参数对镗杆振动系统的影响;再进行镗杆原型的结构参数优化设计,使镗杆模型概念化,
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