CN102418769B - 刚度/阻尼可调的双悬臂梁密封式被动阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种可应用于机械加工领域的数控机床及工件被动减振装置，具备明显的单自由度振动特性。该装置由壳体，底座，悬臂梁，质量块，螺钉，螺母，垫片，摩擦片，螺纹孔等组成，为一盒状密封结构。该装置的特征在于具备严格垂直于悬臂梁方向的主模态运动，振动特性来源于两个悬臂梁的一阶弯曲振动。该装置的刚度、阻尼可调，可通过调整该装置中质量块的位置及摩擦片的预紧力来实现，具备较宽的抑振频带。适用于机械加工中工件或机床动态特性发生变化，要求阻尼器具备参数可调的特点。该装置可安装在数控车床、铣床或者工件上进行减振。本装置结构简单，实施方便，成本较低，对坏境无污染，可有效降低切削加工中的振动，实现零件的高效及高质加工。

Description

刚度/阻尼可调的双悬臂梁密封式被动阻尼器

技术领域

本发明一种刚度/阻尼可调的双悬臂梁密封式被动阻尼器，具体涉及一种金属数控切削加工过程中的机床及工件减振装置，以实现金属零件的高效及高质加工。属于机械加工领域的减振装置。

背景技术

数控机床的切削加工中，刀具与工件间常出现强烈的振动，在导致工件表面质量下降的同时，也影响到刀具及机床的使用寿命；同时该振动伴随有大量噪声。根据作用力的不同，机床上的振动可分为自由振动、由外界激励引起的强迫振动和由切削过程本身引起的自激振动(即颤振)。颤振在机床上的发生极为普遍，为减小颤振的不良影响，加工中常被迫降低切削用量，从而妨碍了机床额定功率的充分利用，导致制造成本上升。因此须探索出有效的提升数控机床切削性能的减振措施，尤其是在针对薄壁及深孔等特殊零件的加工。

减振措施大致可分为主动与被动控制方法。被动控制方法是通过改变切削系统结构来抑制振动。该类方法中最常见的是使用被动阻尼器抑制机床或工件模态，如在主轴/刀柄系统中引入阻尼器的设计概念，采取阻尼器抑制铣削加工下的工件模态等。被动阻尼器由于实施简单，效果明显，在数控切削加工领域得到广泛应用。

被动阻尼器的缺点在于抑振频带相对较窄；其发挥出振动抑制作用的前提是，其刚度、阻尼参数须与被抑制目标模态的动力学参数有较为精确的匹配关系。如何使得被动阻尼器达到最佳的振动抑制效果，阻尼器参数的调谐是个难点。此外，由于机械加工中机床、工件的动态特性在时刻发生变化，因而要求被动阻尼器的动力学参数能进行相应调整。通过设计一种刚度/阻尼可调的被动阻尼器，并对阻尼器参数进行优化，可扩大被动阻尼器在切削加工领域的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提出一种机械加工领域应用的刚度/阻尼可调的双悬臂梁密封式被动阻尼器，以降低切削加工中的振动。该装置具备明显的单模态特征，可抑制机床或工件的一个主模态。该装置制作简单，抑振效果明显。

本发明装置由顶罩1，壳体2，质量块3，悬臂梁4，底座5，螺钉6，滑板7，垫片8，螺母9，摩擦片10等组成。

顶罩1、底座5及壳体2通过螺钉组合成一个盒状密封结构，底座5通过螺钉与待抑振结构连接。其中，顶罩1设有两条供悬臂梁4伸入的第一通槽11，底座5设有两条供悬臂梁4伸入并固定的第二通槽51，且该底座5上表面设有一下沉台阶52，下表面设有一供待抑振结构卡置的凹槽53；该壳体的一个内表面设有一凹陷部21；

两个悬臂梁4伸入底座5的第二通槽51内，通过螺钉与底座5连接；

质量块3设有两条供悬臂梁4伸入的第三通槽31，该质量块3通过螺钉与悬臂梁4连接，且质量块3在悬臂梁4的上下位置可调；该质量块3的一个侧面上设有一凸出部32，与壳体的凹陷部21相配合并形成一个空腔；

两个四方形滑板7置于底座5的下沉台阶52处，并通过调节螺钉、螺纹孔与壳体2连接；该滑板7贴近壳体的一侧，设置有倾斜台阶71；通过调节螺钉的悬入与悬出，可使得滑板7在底座5的下沉台阶52上滑动；

摩擦片10置于由质量块3的凸出部32与壳体2的凹陷部21所形成的空腔中，其底部由滑板7(共两块)上的倾斜台阶71支承；当滑板7滑动时，摩擦片10的高度随着倾斜台阶的滑动而上升或降低；

螺母9与垫片8通过螺纹与壳体2连接。螺母9穿过壳体2的螺纹孔后，其末端与摩擦片10接触，进而使摩擦片10与质量块3的凸出部32接触；通过调节螺母9的松紧程度，调节摩擦片10与质量块3之间的压力，从而改变质量块3振动时的摩擦力；

该阻尼器装置具备明显的单自由度特征；单模态的振动来自于双悬臂梁的一阶弯曲，振动方向为质量块沿垂直于双悬臂梁的方向；

该装置的单自由度特性可以进行调节。通过调节质量块在悬臂梁上的高度可改变装置的固有频率。当质量块3在悬臂梁4上的位置从底部逐渐升高时，该装置的固有频率逐渐增加；

该装置阻尼的改变可通过调节螺母预紧力或摩擦片的高度。该装置的阻尼主要来源于质量块3与摩擦片10之间的摩擦。摩擦力的大小取决于接触表面的压力大小和接触面的粗糙程度。当螺母9预紧力增加或摩擦片10的高度增加时，质量块3与摩擦片10之间的正压力增加，摩擦力增大，从而使得阻尼增加；

摩擦片10高度的调节可通过调节两块四方形滑板7的位置；滑板7由穿过螺纹孔的螺钉固定在底座5的下沉台阶上。通过旋转螺钉，可使得滑板7在下沉台阶上滑动；

该装置的阻尼范围可通过更换摩擦片的材料(如金属材料：不锈钢，铸铁，铝，铜等；非金属材料：尼龙，橡胶等)进行调整；

该装置的阻尼主要来源于质量块运动时与摩擦片间的摩擦，具有非线性的特征；

该装置摩擦片摩擦时的预紧力取决于螺母旋入壳体的松紧程度；

该装置质量块通过内六角螺钉与两个悬臂梁固定；

该装置与工件或机床的连接方式为螺纹连接；

该装置为全封闭结构，所有连接方式均为螺钉或者螺母；

本发明一种机械加工领域应用的减振装置，其优点如下：

(1)该装置采用双悬臂梁结构，可提供严格垂直于悬臂梁方向的单模态运动，可用于抑制机床或工件的某一模态。当有多个振动模态需要抑制时，可同时使用多个此装置。

(2)该装置具备刚度、阻尼可调的特点，抑振频带较宽。可满足切削加工中的机床、工件动态特性发生变化时，要求阻尼器刚度、阻尼具备一定的可调区间。通过调整质量块在悬臂梁上的位置，可调整装置的固有频率；通过调整螺钉的预紧力以及摩擦片间的接触面积，可改变摩擦片间的摩擦系数，调整装置的阻尼。

(3)该装置作为机械加工领域的机床及工件减振装置，效果明显，可极大提高弱刚性工艺系统数控切削加工时的效率。

(4)该装置采用全封闭式结构，可有效防止切削液、金属切屑干扰阻尼器功效的发挥。

(5)该装置结构简单，制作方便，所有连接方式均为螺钉或者螺母。使用过程无环境污染、噪音等问题。

附图说明

图1为本发明装置俯视图；

图2为图1的剖视图；

图3本发明装置前视图；

图4为图3的剖视图A-A；

图5为图3的剖视图B-B；

图6本发明装置左视图；

图7为本发明装置的爆炸图；

图8为本发明装置振动抑制实现流程图；

图9为本发明装置应用图一；

图10为本发明装置应用图二。

图中标号说明如下：

1 顶罩        11 第一通槽    2 壳体         21 凹陷部

3 质量块      31 第三通槽    32 凸出部      4 悬臂梁

5 底座        51 第二通槽    52 下沉台阶    53 凹槽

6 螺钉        7 滑板         71 倾斜台阶    8 垫片

9 螺母        10 摩擦片

具体实施方式

本发明为一种刚度/阻尼可调的双悬臂梁密封式被动阻尼器(参阅图1至图7)。该装置由顶罩1，壳体2，质量块3，悬臂梁4，底座5，螺钉6，滑板7，垫片8，螺母9，摩擦片10等组成。在使用该装置前，须首先对被抑制的主结构(机床或工件)进行实验模态分析，确定待抑制目标模态的动力学参数(质量，固有频率，阻尼)及振型，进而通过数值或有限元仿真等获得该装置的最优固有频率及阻尼。为最大限度地发挥本装置的抑振性能，须满足其安装位置尽可能接近于目标模态的最大振动幅值处，且本装置质量块3的振动方向与目标模态的振动方向一致。工作时，首先通过螺钉将底座5，悬臂梁4，质量块3安装在被抑制的目标结构上。将质量块3调整至悬臂梁4上的适当高度，以使得该装置的固有频率接近仿真最优值；用螺钉将质量块位置固定。安装滑板7，壳体2，螺钉，摩擦片10，垫片8，螺母9以及顶罩1。分别调整滑板7的位置、螺母9的预紧力以改变装置的阻尼，并使其与目标模态的阻尼相匹配。该装置振动抑制的实现流程如图8。在完成该装置的固有频率、阻尼调整后，可最终实现切削加工中的振动抑制。

该装置可应用于抑制数控切削加工中的振动。以薄壁工件铣削加工为例(图9和图10)，此时系统的弱刚性主要来源于工件，切削加工中易发生振颤。根据有限元分析可知，工件振动的主要形式为垂直于工件表面方向的一阶弯曲振动。在工件上使用该装置时，须满足安装时质量块3的主模态方向(垂直于悬臂梁4的方向)与工件振动方向一致。进而，根据流程图8调整阻尼器的刚度、阻尼参数，可实现抑制薄壁件铣削加工中的振动，提高切削效率和工件表面质量。

Claims (5)

1.一种刚度和/或阻尼可调的双悬臂梁密封式被动阻尼器装置，其特征在于：该装置包括顶罩（1），壳体（2），质量块（3），悬臂梁（4），底座（5），螺钉（6）,滑板(7)，垫片（8），螺母（9），摩擦片（10）；

顶罩（1）、底座（5）及壳体（2）通过螺钉组合成一个盒状密封结构，底座（5）通过螺钉与待抑振结构连接；其中，顶罩（1）设有两条供悬臂梁（4）伸入的第一通槽（11），底座（5）设有两条供悬臂梁（4）伸入并固定的第二通槽（51），且该底座（5）上表面设有一下沉台阶（52），下表面设有一供待抑振结构卡置的凹槽（53）；该壳体的一个内表面设有一凹陷部（21）；

两个悬臂梁（4）伸入底座（5）的第二通槽（51）内，通过螺钉与底座（5）连接；

质量块（3）设有两条供悬臂梁（4）伸入的第三通槽（31），该质量块（3）通过螺钉与悬臂梁（4）连接，且质量块（3）在悬臂梁（4）的上下位置可调；该质量块（3）的一个侧面上设有一凸出部（32），与壳体的凹陷部（21）相配合并形成一个空腔；

两个四方形滑板（7）置于底座（5）的下沉台阶（52）处，并通过调节螺钉、螺纹孔与壳体（2）连接；该滑板（7）贴近壳体的一侧，设置有倾斜台阶（71）；通过调节螺钉的悬入与悬出，使得滑板（7）在底座（5）的下沉台阶（52）上滑动；

摩擦片（10）置于由质量块（3）的凸出部（32）与壳体（2）的凹陷部（21）所形成的空腔中，其底部由滑板（7）上的倾斜台阶（71）支承；当滑板（7）滑动时，摩擦片（10）的高度随着倾斜台阶的滑动而上升或降低；

螺母（9）与垫片（8）通过螺纹与壳体（2）连接；螺母（9）穿过壳体（2）的螺纹孔后，其末端与摩擦片（10）接触，进而使摩擦片（10）与质量块（3）的凸出部（32）接触；通过调节螺母（9）的松紧程度，调节摩擦片（10）与质量块（3）之间的压力，从而改变质量块（3）振动时的摩擦力。

2.根据权利要求1所述的刚度和/或阻尼可调的双悬臂梁密封式被动阻尼器装置，其特征在于：该阻尼器装置具备单自由度特征；单模态的振动来自于双悬臂梁（4）的一阶弯曲，振动方向为质量块（3）沿垂直于双悬臂梁（4）的方向。

3.根据权利要求2所述的刚度和/或阻尼可调的双悬臂梁密封式被动阻尼器装置，其特征在于：该装置的单自由度特性可以进行调节：通过调节质量块（3）在悬臂梁（4）上的高度改变装置的固有频率，当质量块（3）在悬臂梁（4）上的位置从底部逐渐升高时，该装置的固有频率逐渐增加。

4.根据权利要求1所述的刚度和/或阻尼可调的双悬臂梁密封式被动阻尼器装置，其特征在于：该装置阻尼的改变通过调节螺母（9）预紧力或摩擦片（10）的高度；当螺母（9）预紧力增加或摩擦片（10）的高度增加时，质量块（3）与摩擦片（10）之间的正压力增加，摩擦力增大，从而使得阻尼增加。

5.根据权利要求1所述的刚度和/或阻尼可调的双悬臂梁密封式被动阻尼器装置，其特征在于：该装置的阻尼范围通过更换摩擦片（10）的材料进行调整；该材料为不锈钢、铸铁、铝、铜、尼龙、橡胶中的一种。

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