CN101890514A - 内置式动力双减振镗杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深孔加工的内置式动力双减振镗杆，主要包括杆体、弹性定位件和柱形减振块，杆体安置刀头端设计有圆柱形孔腔，柱形减振块设计有2个，沿轴向设置，每个柱形减振块由两端通过弹性定位件安置在杆体圆柱形孔腔的中央。本发明公开的内置式双减振镗杆，较之现有技术的单减振镗杆，减振性能有大幅度提高，具有良好的减振性能，大大改善了镗孔加工条件，提高了工件加工精度。

Description

内置式动力双减振镗杆

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种大深孔加工技术领域，更为具体地说是涉及一种镗削刀杆。

背景技术

在镗孔加工过程，镗刀处于半封闭状态，镗杆工作条件恶劣，尤其是加工大深孔时，工作条件更为恶劣。镗刀用于加工大深孔时，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，当镗杆发生径向和切向振动时，将会导致孔粗糙度增大，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。

抑制振动的方法有多种，目前通用的方法是减少镗杆悬伸长度、增加镗杆杆体的直径、减少切削用量、采用硬质合金钢、陶瓷或氮化硼等材料来增加刀杆的弹性模量等。但是，对于在孔径较小、孔深较大的深孔零件来说，只提高刀杆的静刚度是有局限性的。

为了减小镗刀刀杆的振动，国外开发出了一种利用动力减振器来对镗杆进行减振的镗杆，该镗杆是用弹性元件把一个附加质量联系到振动系统上形成减振装置，其具体结构是在镗杆的前端内腔中安装动力减振块。这种结构的镗杆被称为动力减振镗杆。该结构的镗杆能明显减小镗杆刀头的振动，提高加工质量，为减小镗杆的振动开辟了一个新的途径，推进了镗孔加工技术的进步。本发明的发明人对动力减振镗杆从理论到具体结构都进行了深入研究，发现只设一个减振块的单动力减振镗杆还存在一些明显的不足，镗杆刀头的振动和加工质量还有很大的改善空间。现有技术的单动力减振镗杆存在的不足是：

1、分析单减振镗杆的动力学模型，可以发现其相对振幅比(镗杆的最大振幅和镗杆受力静态变形之比)减小到一定程度就存在极限，其能够达到的最小相对振幅比，即极限相对振幅比偏大，和预期有差距。

2、对于单动力减振镗杆来说，提高减振块和镗杆杆体的质量比可以提高镗杆减振效果。为了提高减振效果，往往必须要大幅度地增加减振块的质量，减振块质量的增加意味着减振块长度的增加，势必需要将与其匹配的镗杆的内腔孔加深，这又降低了镗杆杆体的刚度，反而降低了减振效果。

3、单减振动力减振镗杆的频带较窄，当激振频率在较大范围内变化时，减振效果会明显变差。

发明内容

针对上述单减振镗杆存在的不足，本发明的目的旨在提供一种新结构的用于深孔加工的内置式动力减振镗杆，以实现在单减振镗杆减振基础上再进一步地减少镗杆的振动，改善加工条件，提高工件加工质量。

为了达到上述目的，本发明提供的深孔加工用内置式动力减振镗杆采用了如下技术方案：

内置式动力减振镗杆，主要包括杆体、弹性定位件和柱形减振块，杆体安置刀头端设计有圆柱形孔腔，柱形减振块设计有2个，沿轴向设置，两柱形减振块轴向距离不小于10mm，每个柱形减振块由两端通过弹性定位件安置在杆体圆柱形孔腔的中央，减振块与将其安置在杆体圆柱形孔腔中央的弹性定位件构成减振镗杆的减振器。

为了取得更好的效果，在上述方案的基础上，本发明还可进一步采取以下技术措施。

在杆体圆柱形孔腔内的两端分别设置密封件，即在两减振块的两端外侧设置密封件，将减振块密封在杆体圆柱形孔腔内，且在杆体圆柱形孔腔内的间隙中内充入阻尼液。

在两柱形减振块之间设置有挡板，挡板的两端分别与安置柱形减振块的弹性定位件相接。设置挡板是为了使两减振块之间保持一定的距离。挡板的厚度一般为10-50mm。当然也可不设置挡板，直接利用弹性定位件的结构使两减振块之间保持一定的距离。

所述柱形减振块，其结构最好设计成圆柱形减振块；减振块的材质最好是采用密度大于18g/cm³的重合金；柱形减振块体内加工有供切削液通过的管孔。

所述弹性定位件可以是弹性材质整体结构的构件，如橡胶环。也可以是非整体结构的构件，如由环形弹簧座和在不同方向设置的多个弹簧构成的弹性定位件。优选整体结构的橡胶环。当弹性定位件采用整体结构的橡胶环时，其外环面与杆体圆柱形孔腔内圆面相配，内环面与减振块的圆柱面相配。

所述杆体优先选用Fe-Cr基、Fe-Al基和Ni-Co基等减振阻尼合金制作。

本发明还采取了一些其他技术措施。

本发明提供的由两个减振器构成的双减振镗杆，其运动特性明显不同于单减振镗杆。这可从其动力学模型上得到充分说明。相同尺寸的单减振镗杆、双减振镗杆的幅频响应曲线如图1所示。

图1中，横坐标λ表示频率比(外界激振力频率与镗杆固有频率之比)，纵坐标为相对振幅比(镗杆的最大振幅和镗杆受力静态变形之比)。曲线1是单减振的情形，曲线2为双减振中两个减振块间距为10mm的情形，曲线3为双减振中两个减振块间距为35mm的情形。

从图中可以明显的发现，双减振结构明显地降低了相对振幅比，单减振结构只能达到4.77左右，而双减振可以达到3.6，适当调节两个减振块的距离，可以达到2.95左右，可见双减振结构明显地降低了极限振幅比，使镗杆的振幅减小到单减振镗杆所不能达到的程度。

由图1可以比较单减振和双减振镗杆的频带内的减振性能，通常是通过比较其平均值来判断。对于连续函数的平均值公式为：

从幅频响应曲线上可以知道，系统的振幅在λ＝0.5～1.5的时候很大，故积分区间选择为[0.5，1.5]，其计算结果为：

表1平均值的比较

从表1中可以看到单减振镗杆在整个频带内的平均值比双减振镗杆大了近一倍，这说明双减振镗杆在整个频带内比单减振镗杆具有更好的减振性能，而且提高的幅度十分明显。

比较单减振和双减振结构镗杆，可以发现，要达到相同的减振效果，双减振镗杆有更小的减振块质量，从而可以减小减振块长度或直径，与其匹配的镗杆内腔孔的深度或直径也可以相应地减小，保证了镗杆杆体的刚度，使镗杆的减振性能更加稳定。

发明人分别对单减振镗杆和双减振镗杆在精镗时的减振性能进行了模拟仿真，结果如图2和3所示。从图中可以知道，双减振镗杆在径向(对镗孔精度影响最大的方向)的振幅明显比单减振镗杆低，其最大值为1.24×10^-3mm，相对单减振其振幅减少了58％左右，这充分体现了双减振镗杆优异的减振性能。

对于双减振镗杆，其两个减振块之间的距离对双减振镗杆的减振性能也起着重要的影响。图3中曲线2是间距为10mm的情形，曲线3是间距为35mm的情形。从多次模拟的结果来看，两个减振块的间距为10mm时，减振效果就有明显的改善，间距为35mm时的减振效果更好，当间距超过50mm时减振效果开始明显下降，因此两个减振块的间距宜控制在10-50mm范围。

为了取得更好的减振效果，本发明除了巧妙设计结构使得镗杆的减振性能有了良好的改善，发明人还考虑了杆体材料的阻尼性能，即选用具有高阻尼特性的材料制作镗杆，以阻止和降低振动应力峰的传播，从而消除振动的产生。减振合金具有通过材料内部的各种相应阻尼机制，吸收外部振动能并将振动能转化为热能而不可逆耗散，从而达到减振降噪的效果。

根据模拟加工得出镗刀在加工过程中刀片传到刀头的最高温度在200℃以下，传到镗杆的温度在100℃以下。所以在选择材料时应优先选择阻尼性能热稳定性较好的合金材料。Fe-Cr基、Fe-Al基和Ni-Co基阻尼合金具有很好的抗蚀性能，力学性能接近奥氏体不锈钢水平，其内耗相当于Mu-Cu合金水平，甚至更高，更重要的是在室温到300℃的温度区内，其阻尼性能几乎不随温度发生变化。综上多方面的考虑，本发明的镗杆杆体材质优先选用Fe-Cr基、Fe-Al基和Ni-Co基阻尼合金。

仿真条件与图2相同的情况下，再考虑了镗杆系统的材料阻尼性后，对镗杆的减振性能进行了模拟仿真，其结果如图4所示。由图4可以得出考虑材料阻尼后，双减振镗杆的最大振幅为3.8×10^-4mm，而不考虑阻尼其最大振幅为1.24×10^-3mm，这说明镗杆材料的阻尼对镗杆的最大振幅有很大影响。本发明在双减振结构的基础上，选用阻尼性能好的减振合金材料，相对于单减振镗杆，可以发现其显著地改善了镗杆的减振性能。

本发明还对减振合金的阻尼因子进行了优化，其优化结果如图5所示。由图5可得出镗杆的最大幅值随材料阻尼因子的增大而减小，故在选择镗杆材料时，在满足其基本的力学性能的情况下，应优先选择阻尼因子大的减振合金。

附图说明

图1是幅频响应曲线图，其中曲线1是单减振响应曲线，曲线2为双减振中两个减振块间距为10mm的响应曲线，曲线3为双减振中两个减振块间距为35mm的响应曲线。

图2是双减振镗杆径向幅频响应曲线图。

图3是单减振镗杆径向幅频响应曲线图。

图4是考虑材料阻尼后的双减振镗杆径向幅频响应曲线图。

图5是合金材料阻尼因子与镗杆的振幅优化曲线图。

图6是本发明一个实施例的结构示意图

图7是本发明另一个实施例的结构示意图。

图8是本发明的三维总体结构示意图。

图中标号含义如下：1-杆体；2-弹性定位件；3-减振块；4-挡板；5-密封件；6-刀头；7-阻尼液；8-密封件；9-切削液供液管。

具体实施方式

下面结合附图说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明作进一步的说明，以便于更加容易地理解本发明。但需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式，因此不应将下面给出的具体实施方式的实施例理解为本发明的保护范围，将本发明的保护范围限制在所给出的实施例。

实施例1

本实施例的用于深孔加工的内置式双动力减振镗杆，其结构如附图7所示，由镗杆杆体1、弹性定位件橡胶环2、圆柱形减振块3、挡板4、密封圈5、阻尼液7和密封圈8构成，杆体安置刀头6端设计有圆柱形孔腔，圆柱形减振块设计有2个，沿轴向设置，体内加工有切削液供液管9穿过的管孔，挡板4位于两个减振块之间，其厚度为35mm，即使两圆柱形减振块3之间的距离保持在35mm，橡胶环的外环面与杆体圆柱形孔腔内圆面相接，内环面与减振块的圆柱面相接，每个柱形减振块由两端通过弹性定位件橡胶环2安置在杆体圆柱形孔腔的中央，橡胶环和减振块组成减振镗杆的减振器。密封圈5设置在杆体圆柱形孔腔的外端，其外圆面与杆体圆柱形孔腔内圆面相配合，内环面与削液管9外圆面相配合，密封圈8设置在杆体圆柱形孔腔的内端，其外圆面与杆体圆柱形孔腔内圆面相配合，内环面与削液管9外圆面相配合，由密封圈5、8将减振块密封在杆体圆柱形孔腔内，在杆体圆柱形孔腔内的间隙中内充入阻尼液7，即在由杆体内腔、冷却液管和密封圈组成的剩余空腔内充满阻尼液7。刀头6固定在杆体的前端，刀头材料采用消耗因子较高的减振合金材料，例如Fe_Cr_Al或者Fe_Cr_Mo等，也可用40Cr；杆体1采用Fe_Cr_Al或者Fe_Cr_Mo制作；橡胶环选用耐油性、耐热性以及耐老化性且弹性模量较低的橡胶，例如4MPa丁腈橡胶材料；减振块选用密度大于18g/cm³的重合金；挡板4的材料为45#钢；冷却液供液管9从镗杆的内部穿过；阻尼液7选用高粘性且黏温特性较稳定的阻尼液，比如甲基硅油、乙基硅油等。

内置式动力减振镗杆的减振原理：在镗孔加工过程中，镗杆受到交变力的作用而产生振动，此时镗杆内部的减振块会产生一个相位滞后的振动，使得减振块的振动方向与镗杆杆体的振动方向相反，从而抵消了镗杆杆体的振动幅值，这就相当于把杆体的振动转移到减振块上来，达到减小杆体振动的目的。

实施例2

本实施例的深孔加工用内置式动力减振镗杆，其结构如附图6所示。本实施例的深孔加工用内置式动力减振镗杆与实施例1所不同的地方，是两圆柱形减振块3之间未设置挡板4，两圆柱形减振块3之间的距离由作为定位件的橡胶环2的结构来保证，两者的距离为20mm。

Claims (10)

1.一种内置式动力双减振镗杆，主要包括杆体(1)、弹性定位件(2)和柱形减振块(3)，杆体安置刀头端设计有圆柱形孔腔，柱形减振块由两端通过弹性定位件安置在杆体圆柱形孔腔的中央，其特征在于所述柱形减振块设计有2个，分别由弹性定位件沿轴向安置在杆体圆柱形孔腔内，两减振块之间的轴向距离不小于10mm。

2.根据权利要求1所述的内置式动力双减振镗杆，其特征在于在杆体圆柱形孔腔两端分别设置密封件(5、8)，将减振块密封在杆体圆柱形孔腔内，且在杆体圆柱形孔腔内的间隙中内充入有阻尼液(7)。

3.根据权利要求1或2所述的内置式动力双减振镗杆，其特征在于两柱形减振块之间设置有挡板(4)，挡板的两端分别与安置柱形减振块的弹性定位件相接。

4.根据权利要求3所述的内置式动力双减振镗杆，其特征在于所述挡板的厚度为10-50mm。

5.根据权利要求3所述的内置式动力双减振镗杆，其特征在于所述的柱形减振块为圆柱形减振块。

6.根据权利要求3所述的内置式动力双减振镗杆，其特征在于减振块的材质为密度大于18g/cm³的重合金。

7.根据权利要求3所述的内置式动力双减振镗杆，其特征在于圆柱形减振块加工有供切削液通过的管孔。

8.根据权利要求3所述的内置式动力双减振镗杆，其特征在于用于安置圆柱形减振块的弹性定位件为橡胶环。

9.根据权利要求8所述的内置式动力双减振镗杆，其特征在于橡胶环的外环面与杆体圆柱形孔腔内圆面相配，内环面与减振块的圆柱面相配。

10.根据权利要求3所述的内置式动力双减振镗杆，其特征在于所述杆体的材质为选自Fe-Cr基、Fe-Al基和Ni-Co基的减振阻尼合金。

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