CN102248216B - 轴流式叶轮加工中的振动抑制装置 - Google Patents

Abstract

轴流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，采用的技术方案是，该振动抑制装置包括：磁流变弹性体、励磁线圈、磁压片、导磁内圆筒、锁紧螺母和励磁线圈配套电路构成，所述的导磁内圆筒、励磁线圈和磁流变弹性体依次套装在装夹固定轴上，磁压片设置在磁流变弹性体的两端面上，经锁紧螺母构成轴流式叶轮轮毂与磁压片和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，极大降低轴流式叶加工成本，调整控制容易，大大提高加工效率和成品率。

Description

轴流式叶轮加工中的振动抑制装置

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，实现对轴流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，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，本发明公开一种轴流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，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，轴流式叶轮加工中的振动抑制装置，该振动抑制装置包括：磁流变弹性体、励磁线圈、磁压片、导磁内圆筒、锁紧螺母和励磁线圈配套电路构成，所述的导磁内圆筒、励磁线圈和磁流变弹性体依次套装在装夹固定轴上，磁压片设置在磁流变弹性体的两端面上，经锁紧螺母构成轴流式叶轮轮毂与磁压片和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，极大降低轴流式叶加工成本，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为本发明结构实施例1示意图。

附图2为本发明结构实施例2示意图。     附图中，1磁流变弹性体，2励磁线圈，3导磁压片，4导磁内圆筒，5叶轮轮毂，6叶轮叶片，7装夹固定轴，8定位螺母。

具体实施方式

参看附图1实施例1，轴流式叶轮加工中的振动抑制装置，该振动抑制装置与轴流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：磁流变弹性体1、励磁线圈2、磁压片3、导磁内圆筒4、锁紧螺母8和励磁线圈配套电路构成，所述的导磁内圆筒4、励磁线圈2和磁流变弹性体1依次套装在装夹固定轴7上，磁压片3设置在磁流变弹性体1的两端面上，经锁紧螺母8构成轴流式叶轮轮毂5与磁压片3和磁流变弹性体1之间沿装夹固定轴9轴线方向的紧密接触的固定连接结构。

使用时，铣刀实施对轴流式叶轮6的叶片进行铣削加工，切削时产生的振动传导到磁流变弹性体1上，励磁线圈配套电路向励磁线圈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。 

本发明实施例中，所述的导磁内圆筒4和导磁压片3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导磁内圆筒4导磁压片3磁流变弹性体1构成的闭合磁场区域。

本发明实施例中，所述磁流变弹性体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，羟基铁粉颗粒所占体积浓度比的30％至80%。由于本发明磁流变弹性体1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。

参看附图2实施例2，本发明实施例2中，所述磁流变弹性体1为分体结构，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，每个励磁线圈2分别接各自对应的励磁线圈配套电路。通过不同的励磁线圈配套电路分别改变对应磁流变弹性体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。 

Claims (4)

1.轴流式叶轮加工中的振动抑制装置，该振动抑制装置与轴流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：磁流变弹性体（1）、励磁线圈（2）、导磁压片（3）、导磁内圆筒（4）、锁紧螺母（8）和励磁线圈配套电路构成，所述的导磁内圆筒（4）、励磁线圈（2）和磁流变弹性体（1）依次套装在装夹固定轴（7）上，导磁压片（3）设置在磁流变弹性体（1）的两端面上，经锁紧螺母（8）构成轴流式叶轮轮毂（5）与导磁压片（3）和磁流变弹性体（1）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。

2.根据权利要求1所述的轴流式叶轮加工中的振动抑制装置，其特征在于，所述的导磁内圆筒（4)和导磁压片（3)由软铁磁性材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的轴流式叶轮加工中的振动抑制装置，其特征在于，所述磁流变弹性体（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%。

4.根据权利要求1或2所述的轴流式叶轮加工中的振动抑制装置，其特征在于，所述磁流变弹性体（1）为分体结构，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，每个励磁线圈（2）分别接各自对应的励磁线圈配套电路。

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