CN102672217A - 涂层阻尼减振刀杆及其减振测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涂层阻尼减振刀杆，在所述刀杆的基体材料上涂覆一层减振阻尼材料层，与刀杆的基体材料形成叠层结构，增大刀杆阻尼，利用涂层阻尼材料内耗将刀杆的振动动能转化为热能，从而达到减振、提高加工效率、改善加工质量的目的。该涂层阻尼减振刀杆，能够适应复杂多变的加工条件，有效减小或抑制切削加工过程刀杆的振动，改善切削加工过程的稳定性，提高加工精度和加工效率。同时本发明还公开了该减振刀杆的减振测试方法。

Description

涂层阻尼减振刀杆及其减振测试方法

技术领域

本发明涉及一种切削加工刀具，尤其是一种涂层阻尼减振刀杆及其减振测试方法。

背景技术

目前，在机械加工中内孔加工或内腔加工是一种常见而应用广泛的加工方法，而深孔或深腔加工往往是内孔或内腔加工中一个最大的难点。在深孔或深腔加工过程中由于通常采用细长的内圆车刀或者大长径比的铣杆、镗杆，这样往往会出现加工刀具的动刚度太低，因而很容易发生切削颤振而无法满足加工要求。一般来说当刀杆的长径比小于4时，在加工过程中不会产生振动或者振动一般不会对加工质量造成影响。但当长径比大于4时，刀杆在深孔或深腔加工过程中将产生颤振，对加工产生影响甚至造成加工根本无法进行。

就刀杆减振措施，目前在使用上主要有两大类，一是被动控制方法，二是主动控制方法。被动控制方法主要是在刀杆上装入吸振部件或是采取抑制振动的部件来控制振动。现在主要的措施有:减小切削刚度或是提高加工系统的结构刚度;使用新型材料提高刀杆的静刚度;还有就是使用冲击耗能的方法来减振，包括动力作用减振、摩擦作用减振、冲击减振、阻尼减振等。主动控制方法主要是在减振系统中加入反馈控制系统，通过反馈系统检测出振动系统中产生振动的相关状态量的变化，由反馈系统调节减振系统中控制振动的相关结构参数，从而在外界环境发生变化的情况下，也能够使减振系统控制振动结构，使振动结构的振动响应保持最小、最稳定。

中国专利申请201110221380.8公开了一种阻尼减振刀杆，其包括刀柄和设置于刀柄下端的刀头，所述刀柄内同轴设置有圆柱形空腔，在所述圆柱形空腔中密封填充有阻尼颗粒。颗粒阻尼减振属于被动控制减振技术的一种，通过颗粒之间以及颗粒与腔体内壁之间的相对运动而产生阻尼效应的，通过这些碰撞和摩擦产生能量，达到减振的效果。但该减振刀杆具有一定意义上的不足。首先，刀杆必须是空心刀杆，这在一定程度上限制了刀杆的选择性。其次，刀杆的空腔容积是固定的，从而内部颗粒数是限定的，产生的阻尼效应也就限制在一定的范围。

中国专利ZL200920061678.5公开了一种减振镗刀杆，包括圆柱形杆体，所述杆体下端设有安装镗刀刀片的安装座，上端设置有刀杆夹持部，所述杆体内设置有与杆体同心设置的夹层，所述夹层内填充有弹性层。该减振镗杆利用弹性体层来吸收镗杆振动过程中的振动能，弹性体层起到减振阻尼的作用。夹层是空腔层，可以减小杆体的自身挠曲。但该减振刀杆具有一定意义上的不足。首先，刀杆必须是空心刀杆，这在一定程度上限制了刀杆的选择性。其次，夹层内的弹性层厚度只能限制在一定的范围，从而产生的阻尼减振效应是有限的，并不能满足机械加工过程中复杂多变的加工条件。

中国专利申请200910263580.2公开了一种减小深孔加工镗杆自激振动的方法及其动力减振镗杆，采用动力减振器理论设计了一种动力减振镗杆。减振器由减振棒、阻尼液和橡胶圈组成。利用减振棒的动力作用来平衡一些镗杆振动过程中的振动能量。但该减振刀杆具有一定意义上的不足，减振块材料的选择是整个减振系统的关键。一般只能选择高密度的重合金材料来做减振块。这是因为减振块在镗杆内部的容积有限，一般必须要求减振块的质量尽量大，因而必须要求减振块材料的密度要大。

鉴于以上综合考虑，需要设计一种结构简单，减振效果好，适用性广泛的减振刀杆。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有减振刀杆结构复杂、减振效果和适应性差、无法满足多变的加工条件的不足，提供一种涂层阻尼减振刀杆及其减振测试方法，利用涂层阻尼材料内耗将刀杆的振动动能转化为热能，从而达到减振、提高加工效率、改善加工质量的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种涂层阻尼减振刀杆，在所述刀杆的基体材料上涂覆一层减振阻尼材料层，与刀杆的基体材料形成叠层结构。

所述刀杆是铣刀杆或车刀杆或镗刀杆。

所述刀杆是圆柱或方形。

所述刀杆的基体材料为45号钢或40Cr或硬质合金。

所述减振阻尼材料层涂敷在空心刀杆的内壁，或涂敷在空心或实心刀杆的外围，或涂敷在空心刀杆的内壁及外围。

所述减振阻尼材料层的材料为Mn-Cu合金或Ni-Ti合金或Fe-Cr合金。

一种涂层阻尼减振刀杆的减振测试方法，步骤如下：

1）根据切削加工过程中刀杆的边界条件和受力情况，将涂层阻尼减振刀杆简化为悬臂梁，考虑损耗因子η对刀杆振动的影响，建立涂层阻尼减振刀杆的等效阻尼模型，求出涂层阻尼减振刀杆的整体阻尼比；

2)选用CAD软件solidworks和有限元分析软件ANSYS联合建立涂层阻尼减振刀杆的动力学分析模型：首先利用solidworks建立减振刀杆的三维实体模型，然后导入到有限元分析软件ANSYS中，在ANSYS workbench中输入刀杆基体材料和涂层阻尼材料的材料属性常数，输入通过等效阻尼模型求出的整体阻尼比，并进行网格划分以及施加边界条件约束和激振力，最后进行谐响应分析得出减振刀杆的频率响应曲线；

3)对无涂层阻尼刀杆进行谐响应分析得到无涂层阻尼刀杆的频率响应曲线，无涂层阻尼刀杆基体材料属性和激振力大小与步骤（2）相同；

4）比较步骤2）和步骤3）得到的频率响应曲线图，得到涂层阻尼减振刀杆的减振效果。

本发明利用现有的涂层工艺或喷涂烧结工艺将高阻尼合金涂敷到刀杆基体材料上，形成叠层结构刀杆，增大刀杆阻尼，利用涂层阻尼材料内耗将刀杆的振动能转化为热能，从而达到减振、提高加工效率、改善加工质量的目的。

本发明的有益效果是，该涂层阻尼减振刀杆，能够适应复杂多变的加工条件，有效减小或抑制切削加工过程刀杆的振动，改善切削加工过程的稳定性，提高加工精度和加工效率。

该涂层阻尼减振刀杆可适用于数控车床、数控铣床和加工中心，实现内孔或内腔的高效、高精加工。

该涂层阻尼减振刀杆，可适用于车刀杆或铣刀杆或镗刀杆。刀杆可以为圆柱形或方形等，阻尼材料的涂层结构方式可以为刀杆内涂层(空心刀杆)，刀杆外涂层（实心刀杆），刀杆内外都涂层(空心刀杆)。减振刀杆适用性广泛，结构设计简单合理。

刀杆材料可以为40Cr或45号钢或硬质合金。涂层阻尼材料选用损耗因子较大的高阻尼合金即Mn-Cu合金或Ni-Ti合金或Fe-Cr合金，具有较好的减振效果，选择范围广。

该涂层阻尼减振刀杆较之一般的普通刀杆，能有效减小刀杆振动过程中的振动振幅，从而达到理想的减振效果。

附图说明

图1是方形车刀杆外涂层轴截面图；

图2是方形车刀杆外涂层横截面图；

图3是方形车刀杆内涂层横截面图；

图4是方形车刀杆内外都涂层横截面图；

图5是圆柱形镗刀杆或铣刀杆外涂层轴截面图；

图6是圆柱形镗刀杆或铣刀杆外涂层横截面图；

图7是圆柱形镗刀杆或铣刀杆内涂层横截面图；

图8是圆柱形镗刀杆或铣刀杆内外都涂层横截面图；

图9是镗刀杆简化为悬臂梁的分析力学模型；

图10是外涂层阻尼减振镗刀杆的频率响应曲线；

图11是无涂层阻尼镗刀杆的频率响应曲线；

其中：1—涂层，2—车刀杆，3—铣刀杆或镗刀杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1-4中，涂层1涂覆于车刀杆2的外表面，或内壁，或内壁及外表面上。

实施例1：以机械加工过程中自激振动较为明显的镗杆为例，设计了一种涂层阻尼减振镗杆。涂层方式为圆柱形镗刀杆3外涂层1。空心镗刀杆3长径比为6:1，外径φ30mm，内径φ20mm。基体材料为40Cr合金结构钢，其弹性模量E_s=200GPa，损耗因子η_s=0.0001，阻尼比ζ_s=0.015；外涂层阻尼材料为M2052合金，弹性模量E_c=50GPa，损耗因子η_c=0.23，涂层厚度H_c=0.1mm。

如图5所示的镗刀杆3外涂层1横截面结构中，涂层阻尼减振镗杆的整体损耗因子η按照下式计算得到：

$\mathrm{\η}=\frac{(E_c/E_s){\mathrm{\η}}_s\sqrt{1+{{\mathrm{\η}}_c}^2}+(H_c/(1-H_c)){\mathrm{\η}}_c\sqrt{1+{{\mathrm{\η}}_s}^2}}{(E_c/E_s)\sqrt{1+{{\mathrm{\η}}_c}^2}+(H_c/(1-H_c))\sqrt{1+{{\mathrm{\η}}_s}^2}}$

其中：E_c、E_s分别为涂层阻尼材料和镗杆基体材料的弹性模量，η_c、η_s分别为涂层阻尼材料和镗杆基体材料的损耗因子值，H_c为涂层厚度。代入实施例数据，得到涂层阻尼减振镗杆的整体损耗因子η为0.07。

采用solidworks软件分别创建涂层阻尼减振镗杆和无涂层阻尼镗杆三维实体模型，并分别另存为x-t格式。

打开ANSYS workbench中的谐响应分析模块，将上述减振镗杆x—t格式文件导入Geometry中，在Engineering Data中设置镗杆基体材料和阻尼材料的属性，在ANSYSworkbench谐响应分析模块中输入整体阻尼比ζ＝η/2（根据计算出来的整体损耗因子值η=0.07从而可以估算出涂层阻尼减振镗杆的整体阻尼比ζ＝0.035），然后施加边界约束和激振力，对镗杆刀柄端面进行固定约束，镗杆头端施加激振力大小F=100N，设置扫频范围为0-1000HZ，在“solution interval”中输入30，最后求解得出外涂层阻尼减振镗杆的频率响应曲线，见图10。

以同样的方法，对无涂层阻尼镗杆进行谐响应分析，最后得出无涂层阻尼镗杆的频率响应曲线，见图11。通过两图之间的比较可以观察到第一阶最大振幅值由无涂层阻尼镗杆的10.9×10^-2降到减振镗杆的5.19×10^-2，最大振幅降低了52.4%。

实施例2：按照图3设计一种涂层阻尼减振车刀杆。采用热喷涂工艺在车刀杆的内壁涂层厚度H_c=0.15mm的Ni-Ti合金，提高车刀杆的阻尼特性，从而达到降振的目的。刀杆基体材料为40Cr合金结构钢，损耗因子η_s=0.0001；涂层阻尼材料为Ni-Ti合金，损耗因子η_c=0.18，涂层厚度H_c=0.15mm。该减振车刀杆主要用于机械加工过程中车刀杆的减振降噪。

实施例3：按照图6所示设计一种涂层阻尼减振铣刀杆。在铣刀杆的外围涂层厚度H_c=0.1mm的Fe-Cr合金。Fe-Cr合金是一种高阻尼合金材料，减振能力强，可以提高铣刀杆的抗振性。刀杆基体材料为硬质合金。该减振刀杆主要用于铣刀刀杆的减振降噪。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种涂层阻尼减振刀杆，其特征是，在所述刀杆的基体材料上涂覆一层减振阻尼材料层，与刀杆的基体材料形成叠层结构。

2.如权利要求1所述的涂层阻尼减振刀杆，其特征是，所述刀杆是铣刀杆或车刀杆或镗刀杆。

3.如权利要求1所述的涂层阻尼减振刀杆，其特征是，所述刀杆是圆柱或方形。

4.如权利要求2或 3所述的涂层阻尼减振刀杆，其特征是，所述刀杆的基体材料为40Cr或45号钢或硬质合金。

5. 如权利要求1所述的涂层阻尼减振刀杆，其特征是，所述减振阻尼材料层涂敷在空心刀杆的内壁，或涂敷在空心或实心刀杆的外围，或涂敷在空心刀杆的内壁及外围。

6. 如权利要求5所述的涂层阻尼减振刀杆，其特征是，所述减振阻尼材料层的材料为Mn-Cu合金或Ni-Ti合金或Fe-Cr合金。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的涂层阻尼减振刀杆的减振测试方法，其特征是，步骤如下：

1）根据切削加工过程中刀杆的边界条件和受力情况，将涂层阻尼减振刀杆简化为悬臂梁，考虑损耗因子对刀杆振动的影响，建立涂层阻尼减振刀杆的等效阻尼模型，求出涂层阻尼减振刀杆的整体阻尼比；

2) 选用CAD软件solidworks和有限元分析软件ANSYS联合建立涂层阻尼减振刀杆的动力学分析模型：首先利用solidworks 建立减振刀杆的三维实体模型，然后导入到有限元分析软件ANSYS中，在ANSYS workbench 中输入刀杆基体材料和涂层阻尼材料的材料属性常数，输入通过等效阻尼模型求出的整体阻尼比，并进行网格划分以及施加边界条件约束和激振力，最后进行谐响应分析得出减振刀杆的频率响应曲线；

3) 对无涂层阻尼刀杆进行谐响应分析得到无涂层阻尼刀杆的频率响应曲线，无涂层阻尼刀杆基体材料属性和激振力大小与步骤2）相同；

4）比较步骤2）和步骤3）得到的频率响应曲线图，得到涂层阻尼减振刀杆的减振效果。

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