CN102248215A - 离心式叶轮加工中使用的振动抑制装置 - Google Patents

Abstract

离心式叶轮加工中的振动抑制装置，解决叶轮的整体铣削加工过程中，随着切削材料的去除，材料切削过程显著影响系统的模态特性，导致铣削系统是时变而带来的振动，采用的方案是，该振动抑制装置包括：径向抑振磁流变弹性体、径向抑振线圈、径向抑振磁压片、径向抑振导磁内圆筒、锁紧螺母和径向抑振线圈配套电路构成的径向振动抑制装置，径向抑振磁流变弹性体、径向抑振线圈和径向抑振导磁内圆筒依次套装在离心式叶轮的中心孔内，径向抑振磁压片在离心式叶轮的中心孔内径向抑振磁流变弹性体两侧端面上，径向抑振导磁内圆筒套装在机床的装夹固定轴上，经锁紧螺母锁紧构成离心式叶轮的中心孔与装夹固定轴的固定连接结构。本发明的优点是，该装置具有结构简单，极大降低离心式叶轮加工成本，调整控制容易，大大提高加工效率和成品率。

Description

离心式叶轮加工中使用的振动抑制装置

技术领域

 本发明涉及复杂曲面薄壁金属零件切削加工过程中使用的振动抑制装置，尤其是一种基于磁流变材料，利用磁流变材料在其磁场变化下改变磁流变材料刚度和阻尼系数，实现对离心式高温合金整体叶轮多轴铣削加工时产生的颤振起到抑制和吸收的装置。

背景技术

高温合金中的奥氏体组织等因素使切削力远大于普通钢材的切削力，叶轮叶片薄壁而悬臂长，流道狭窄，刀具切入切出困难，动态切削力易引起切削过程不稳定，变化幅度更为剧烈，更容易发生颤振。高温合金导热差，铣刀切削刃极易粘屑，导致刀具钝化，切削力畸变，也易引发颤振。因此切削振动(往往表现为颤振)问题在高温合金叶轮多轴铣削加工过程中尤为突出，严重影响叶轮表面质量（由颤振造成的叶片表面微裂纹，在疲劳环境下工作会造成叶片断裂，有时后果特别严重，损失巨大），降低铣削中心主轴和刀具寿命。其加工效率远低于铝合金叶轮，因此，高温合金叶轮的切削颤振抑制更为迫切。高温合金叶轮实际生产中一直采用多组切削参数组合试验的试切方法来寻找合适的加工参数。这一方法，工作量非常大，具有盲目性，不可确定的因素多且复杂，导致了大量的人力、机时、材料等浪费，加工效率和成品率低。

铣削加工振动控制方式现有技术中分为两类：其一为切削参数在线调整控制法，其二为振动控制法。在第二类振动控制法中，又可以根据控制执行装置性质不同分为被动控制方法、主动控制方法和半主动控制方法。被动控制中的吸振器的参数与机床的工艺状态相关性强，故应用有较大局限。主动控制具有极强的适应性和调节性，但由于其需要高工作电压，对较大能源要求以及造价高、加工工艺复杂、设备的维修费用高、可靠性和稳定性差等方面的问题，其应用仍受到限制。近年来，随着磁流变弹性体等智能材料的迅速发展，通过磁流变弹性体自身的性能改变，实现对颤振控制成为可能。

磁流变弹性体是磁流变材料的一个新的分支。它是由高分子聚合物(如橡胶等)和铁磁性颗粒组成，混合有铁磁性颗粒的聚合物在外加磁场作用下固化，利用磁致效应(即铁磁性颗粒在磁场方向形成链或柱状聚集结构)，使颗粒在基体中形成有序结构。由于磁流变弹性体兼有磁流变材料和弹性体的优点，如响应快(ms量级)，可逆性好，可控能力强等，又克服了磁流变液沉降、稳定性差等缺点，它的力学、电学、磁学诸性能可以由外加磁场来控制，因而近年来成为磁流变材料研究的一个热点。磁流变弹性体可以广泛应用于机械传动，减振隔振，机器人和智能执行机构等领域，可以大大简化机械结构，完成一些传统机械结构难以实现的功能。

就目前研究情况看，高温合金叶轮稳定域准确预测及加工参数优化等在短期内难以实现，应探索新的抑制高温合金加工颤振的有效方法。如果能够根据高温合金叶轮加工过程进行自适应对叶轮模态参数动态补偿，就能够在一定程度上抑制加工颤振，以扩展其切削稳定域，提高其加工效率及加工精度。

发明内容

为克服高温合金叶轮的整体铣削加工过程中，由于离心式高温合金叶轮轴向尺寸大，由于径向铣削受力大，随着切削材料的去除，材料切削过程显著影响系统的模态特性，导致铣削系统是时变 (模态参数随时间变化)系统，进而导致切削力复杂多变，同时高温合金材料抗拉强度大，切削刃极易粘屑等因素最终导致切削加工振动分析、稳定域准确预测及加工参数优化等难于实现，因此材料切削过程显著影响系统的模态特性并随切削时间而变化，导致问题难于解决的技术缺陷，本发明公开一种离心式叶轮加工中的振动抑制装置，该装置实现对高温合金叶轮的切削振动有效、精确的控制，特别是径向抑制加工过程中的振动，扩展多轴铣削稳定域，提高其加工精度和加工效率。针对高温合金叶轮多轴加工模态时变等特点，依据磁流变弹性体的特殊性能，将磁流变弹性体固定于叶轮非精加工区域，通过调节磁场使磁流变弹性体刚度、阻尼发生变化(表现为其弹性、剪切储能模量与损耗因子等可控)，进而改变叶轮铣削加工的模态参数，抑制颤振发生。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，离心式叶轮加工中使用的振动抑制装置，该振动抑制装置与离心式叶轮同时安装在机床的装夹固定轴上，该振动抑制装置包括：径向抑振磁流变弹性体、径向抑振线圈、径向抑振磁压片（3）、径向抑振导磁内圆筒、锁紧螺母和径向抑振线圈配套电路构成的径向振动抑制装置，所述的径向抑振磁流变弹性体、径向抑振线圈和径向抑振导磁内圆筒依次套装在离心式叶轮的中心孔内，径向抑振磁压片在离心式叶轮的中心孔内径向抑振磁流变弹性体两侧端面上，径向抑振导磁内圆筒套装在机床的装夹固定轴上，经锁紧螺母锁紧构成离心式叶轮的中心孔与装夹固定轴的固定连接结构。

所述该振动抑制装置还包括：轴向抑振磁流变弹性体、轴向抑振线圈、轴向抑振磁压片和轴向抑振导磁内圆筒配套电路构成的轴向振动抑制装置，轴向抑振磁流变弹性体、轴向抑振线圈和轴向抑振导磁内圆筒依次套装在装夹固定轴上，轴向抑振磁压片设置在轴向抑振磁流变弹性体的两端面上，经锁紧螺母构成离心式叶轮叶轮轮毂与轴向抑振磁压片和轴向抑振磁流变弹性体之间沿装夹固定轴轴线方向的紧密接触的固定连接结构。

本发明的优点是，该装置具有结构简单，极大降低离心式叶加工成本，调整控制容易，大大提高加工效率和成品率，避免被动控制的颤振抑制吸振器的参数与机床的工艺状态相关性强的局限，磁流变弹性体颤振抑制阻尼器能够实现对多个目标模态的抑制，响应快(ms量级)，容易实施，克服主动控制的繁琐、实施费用高等缺点。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

附图说明

附图1为本发明实施例1结构示意图。

附图2为本发明实施例2结构示意图。

附图3为径向振动抑制装置实施例1示意图。

附图4为径向振动抑制装置实施例2示意图。

附图中，1、径向抑振磁流变弹性体，2、径向抑振线圈，3、径向抑振磁压片，4、径向抑振导磁内圆筒，5、锁紧螺母，6、离心式叶轮的中心孔，7、机床的装夹固定轴，8、轴向抑振磁流变弹性体，9、轴向抑振线圈，10、轴向抑振磁压片，11、轴向抑振导磁内圆筒，12、叶轮叶片。

具体实施方式

参看附图1和附图3，本发明实施例1结构和径向振动抑制装置实施例1结构，离心式叶轮加工中使用的振动抑制装置，该振动抑制装置与离心式叶轮同时安装在机床的装夹固定轴上，该振动抑制装置包括：径向抑振磁流变弹性体1、径向抑振线圈2、径向抑振磁压片3、径向抑振导磁内圆筒4、锁紧螺母5和径向抑振线圈配套电路构成的径向振动抑制装置，所述的径向抑振磁流变弹性体1、径向抑振线圈2和径向抑振导磁内圆筒4依次套装在离心式叶轮的中心孔6内，径向抑振磁压片3在离心式叶轮的中心孔6内径向抑振磁流变弹性体1两侧端面上，径向抑振导磁内圆筒4套装在机床的装夹固定轴7上，经锁紧螺母5锁紧构成离心式叶轮的中心孔6与装夹固定轴7的固定连接结构。

使用时，铣刀实施对离心式叶轮叶片12的叶片进行铣削加工，切削时产生的振动传导到径向磁流变弹性体1上，特别是径向产生振动，径向抑振线圈2配套电路向径抑振线圈2供电，通过改变配套电路的供电电流，通过调节磁场使径向磁流变弹性体1刚度、阻尼系数发生变化(表现为其弹性、剪切储能模量与损耗因子等可控)，进而改变叶轮铣削加工的模态参数，抑制颤振发生。对轴向产生振动也有一定的抑制作用。

参看附图4，径向振动抑制装置实施例2，所述径向抑振磁流变弹性体1为分体结构，径向抑振磁流变弹性体1沿轴线方向设置成2-5段，径向抑振线圈2按分体设置的径向抑振磁流变弹性体1的设置数量对应设置，每个径向抑振线圈2分别接各自对应的径向抑振线圈。

所述径向磁流变弹性体1为分体结构，径向磁流变弹性体1沿轴线方向设置成2-5段，励磁线圈2按分体设置的磁流变弹性体1的设置数量对应设置，每个径向抑振线圈2分别接各自对应的径向抑振线圈配套电路。通过不同的振线圈配套电路分别改变对应径向磁流变弹性体1刚度、阻尼系数，进而更加有效改变叶轮铣削加工的模态参数，抑制颤振发生。

参看附图2，为本发明实施例2，该实施例中，所述该振动抑制装置还包括：轴向抑振磁流变弹性体8、轴向抑振线圈9、轴向抑振磁压片10和轴向抑振导磁内圆筒11配套电路构成的轴向振动抑制装置，轴向抑振磁流变弹性体8、轴向抑振线圈9和轴向抑振导磁内圆筒11依次套装在装夹固定轴7上，轴向抑振磁压片10设置在轴向抑振磁流变弹性体8的两端面上，经锁紧螺母5构成离心式叶轮叶轮轮毂12与轴向抑振磁压片10和轴向抑振磁流变弹性体8之间沿装夹固定轴7轴线方向的紧密接触的固定连接结构。

使用时，铣刀实施对离心式叶轮叶片12的叶片进行铣削加工，切削时产生的振动经离心式叶轮的轮毂侧面传导到轴向抑振磁流变弹性体8上，特别是产生的轴向振动，轴向抑振线圈9配套电路向轴向抑振线圈9供电，通过改变配套电路的供电电流，通过调节磁场使轴向抑振磁流变弹性体8刚度、阻尼系数发生变化(表现为其弹性、剪切储能模量与损耗因子等可控)，进而改变叶轮铣削加工的模态参数，抑制颤振发生。同时轴向抑振磁流变弹性体8对径向颤振发生也起到一定的抑制作用。

为本发明实施例2在其使用时，抑制颤振发生更加有利于离心式叶轮的加工，对提高加工精度，提高成品率，降低机床及加工刀具损耗具有明显的积极作用。

本发明实施例中，所述的径向抑振磁压片3、径向抑振导磁内圆筒4、轴向抑振磁压片10和轴向抑振导磁内圆筒11由软铁磁性材料制成。以便使励磁线圈产生的磁场更多的聚集在径向抑振磁压片3与径向抑振导磁内圆筒4和轴向抑振磁压片10与轴向抑振导磁内圆筒11构成的闭合磁场区域。

本发明实施例中，所述的径向抑振磁流变弹性体1和轴向抑振磁流变弹性体8由作为基体材料的橡胶类阻尼材料和分散在基体材料其中的羟基铁粉构成，羟基颗粒所占体积浓度比的30％至80%。由于本发明径向磁流变弹性体1和轴向抑振磁流变弹性体8的作用不需要其具有较强的机械性能，故具体比例根据需要颤振抑制的需要，需要磁流变效应强一些，羟基铁粉颗粒所占体积浓度比就大一些。比例过小则磁流变效应较弱，试验数据表明在羟基铁粉颗粒所占体积浓度比的30％至80%既能产生需要的磁流变效应。

Claims (7)

1.离心式叶轮加工中使用的振动抑制装置，该振动抑制装置与离心式叶轮同时安装在机床的装夹固定轴上，其特征在于：该振动抑制装置包括：径向抑振磁流变弹性体（1）、径向抑振线圈（2）、径向抑振磁压片（3）、径向抑振导磁内圆筒（4）、锁紧螺母（5）和径向抑振线圈配套电路构成的径向振动抑制装置，所述的径向抑振磁流变弹性体（1）、径向抑振线圈（2）和径向抑振导磁内圆筒（4）依次套装在离心式叶轮的中心孔（6）内，径向抑振磁压片（3）在离心式叶轮的中心孔（6）内径向抑振磁流变弹性体（1）两侧端面上，径向抑振导磁内圆筒（4）套装在机床的装夹固定轴（7）上，经锁紧螺母（5）锁紧构成离心式叶轮的中心孔（6）与装夹固定轴（7）的固定连接结构。

2.根据权利要求1所述的离心式叶轮加工中的振动抑制装置，其特征在于，所述径向抑振磁流变弹性体（1）为分体结构，径向抑振磁流变弹性体（1）沿轴线方向设置成2-5段，径向抑振线圈（2）按分体设置的径向抑振磁流变弹性体（1）的设置数量对应设置，每个径向抑振线圈（2）分别接各自对应的径向抑振线圈。

3.根据权利要求1或2所述的离心式叶轮加工中的振动抑制装置，其特征在于，所述该振动抑制装置还包括：轴向抑振磁流变弹性体（8）、轴向抑振线圈（9）、轴向抑振磁压片（10）和轴向抑振导磁内圆筒（11）配套电路构成的轴向振动抑制装置，轴向抑振磁流变弹性体（8）、轴向抑振线圈（9）和轴向抑振导磁内圆筒（11）依次套装在装夹固定轴（7）上，轴向抑振磁压片（10）设置在轴向抑振磁流变弹性体（8）的两端面上，经锁紧螺母（5）构成离心式叶轮叶轮轮毂（12）与轴向抑振磁压片（10）和轴向抑振磁流变弹性体（8）之间沿装夹固定轴（7）轴线方向的紧密接触的固定连接结构。

4.根据权利要求1或2所述的离心式叶轮加工中使用的振动抑制装置，其特征在于，所述的径向抑振磁压片（3）和径向抑振导磁内圆筒（4）由软铁磁性材料制成。

5.根据权利要求3所述的离心式叶轮加工中使用的振动抑制装置，其特征在于，所述的轴向抑振磁压片（10）和轴向抑振导磁内圆筒（11）由软铁磁性材料制成。

6.根据权利要求1或2所述的离心式叶轮加工中使用的振动抑制装置，其特征在于，所述的径向抑振磁流变弹性体（1）由作为基体材料的橡胶类阻尼材料和分散在基体材料其中的羟基铁粉构成，羟基颗粒所占体积浓度比的30％至80%。

7.根据权利要求3所述的离心式叶轮加工中使用的振动抑制装置，其特征在于，轴向抑振磁流变弹性体（8）由作为基体材料的橡胶类阻尼材料和分散在基体材料其中的羟基铁粉构成，羟基颗粒所占体积浓度比的30％至80%。

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