CN103121116B - 减振镗杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减振镗杆，包括镗杆套和周向约束轴向导向于镗杆套内孔的内镗杆，以及驱动内镗杆悬伸出镗杆套的悬伸长度的驱动机构和目标悬伸长度下锁紧内镗杆与镗杆套的锁紧装置。依据本发明适应性强且能够有效抑制颤振。

Description

减振镗杆

技术领域

本发明涉及一种减振镗杆。

背景技术

在镗孔加工过程中，镗杆处于悬伸状态，一般悬伸长度不超过其直径的10倍，否则极易引起振动。当镗杆发生振动时，加工工件表面粗糙度增加，尺寸公差加大，镗刀容易损坏。镗杆的振动还能引起机床的振动，造成机床的损坏。因此，镗削加工是很多学者及工程师研究的重点课题。

有文献指出（NT工程公司Y·Komai与Nakagawa著述），在金属切削过程中发生的再生颤振问题是不可忽视的，而在精镗过程中应当防止发生超过10KHz的高频振动而造成的刀具寿命降低且加工精度降低的问题。减振的问题的结果更多的表现为对颤振频率的抑制。

抑制振动的方法很多，目前通用的方法是减小镗杆的悬伸长度、增加镗杆的直径、减小切削用量、采用硬质合金、陶瓷等材料增加镗杆的弹性模量。

国外一些公司开发了一种利用动力减振器来减振的镗杆，如美国的肯纳，瑞典的山特维克。山特维克公司开发的减振镗杆，最大悬径比达14：1，镗杆直径达300mm。国内镗杆研究尚处于实验室阶段，没有批量化的镗杆生产企业。国内外现有的动力减振镗杆的不足之处是：

1.切削效率低。分析减振镗杆动力学模型可以发现，提高减振块和镗杆体的质量比可以提高镗杆的减振效果。为此，必须增加减振块的体积，增大镗杆内腔的孔径，增加内孔长度，这又降低了镗杆体的刚度，反而降低了减振效果。

经优化设计，可以制造出比较理想的减振镗杆。以山特维克减振镗杆为例，镗杆直径120mm,长度1900mm以上规格的镗杆，悬伸长度达到一定量才能达到较好的减振效果。此类镗杆的夹持端位于后端，悬伸部位镗杆体薄弱，减振块体积大，不能夹持固定。此类镗杆虽然减振效果好，但是可承受的切削量小，切削效率低。

2.镗杆的使用条件比较苛刻。国内外研究减振镗杆，多数将镗杆的夹持端视为理想的固定端，无振动，无变形，这与实际使用情况大不相同。以镗杆在车床上使用为例，镗杆固定在可以移动的刀架上。车床种类很多，不同车床的刀架振动频率及刚性大不相同，而镗杆的性能参数是固定的，同样的镗杆，在不同车床上的切削振动情况大不相同，即使理想情况下减振效果很好的镗杆，在某些车床上也可能会振动，这大大增加了镗杆的使用风险。

3.当镗杆直径较大，悬伸较长时，镗削过程中，镗杆系统的偏载力矩较大，直接引起机床相关部件的变形及振动。研究发现，镗削振动并非只与镗杆有关，而是与机床的结构密切相关，增加辅助装置后可明显改善切削状况，这一点往往被人们所忽视。

承接第3点，中国第CN202591649U号实用新型授权公告公开了一种减振镗杆。其提出镗杆配置滑块支撑，从结构上增加镗杆的刚性，使用弹簧增大对振动的抑制。镗杆安装有镗刀的一端在已经成型的孔内通过带有弹簧的滑块支撑在工件内表面，这种结构变镗杆的一端支撑为两端支撑，但这种支撑并不能有效地抑制镗杆振动的问题，在于支撑点的爬行本身就回城一定的震动，且弹簧只是产生振动阻尼，但这种阻尼会放大震动频率。并且其每刀切削的调整相对比较麻烦。

发明内容

因此，本发明的目的旨在提供一种适应性强且能够有效抑制颤振的减振镗杆。

本发明采用以下技术方案：

一种减振镗杆，包括镗杆套和周向约束轴向导向于镗杆套内孔的内镗杆，以及驱动内镗杆悬伸出镗杆套的悬伸长度的驱动机构和目标悬伸长度下锁紧内镗杆与镗杆套的锁紧装置。

从以上技术方案可以看出，依据本发明因应镗杆悬伸部分刚性弱的缺陷，通过设定镗杆套提高内镗杆悬伸部分的刚度，镗杆套的抗剪截面系数相对比较大，可以承受比较大的切削力。面对轴套配合结构时，同时会遇到配合间隙对内镗杆悬伸出来时所产生的下垂偏角，为此，在悬伸出相应长度后，通过锁紧装置锁紧内镗杆，消除配合间隙，使内镗杆与镗杆套保持严格同轴。因而，通过上述结构可以有效地抑制颤振，同时，匹配不同的应用，调整镗杆的整体长度，适应性比较强。

对应第二层面的技术问题，上述减振镗杆，单纯上述结构的改变，表现为抗剪截面系数的改变，在一定程度上会增加整体的规模，且这种改变在一定程度上是会受到加工内孔孔径限制的，那么为了在进一步的抑制颤振的同时，降低镗杆规模，所述内镗杆包括用于延伸镗杆长度的悬伸段和用于与镗杆套接合的夹持段，其中悬伸段为中空结构，相同截面面积条件下，抗扭剪能力增强，外端部设有镗刀座，内孔在镗刀座侧设有与内孔同轴的主减振块，且悬伸段的其余内腔为液体填充物腔。那么在镗杆使用过程中，镗杆受到交变切削力的作用而振动，此时镗杆内部的主减振块会产生一个相对滞后的振动，使得主振动块的振动方向与镗杆体的振动方向相反，从而抵消镗杆体的振幅值。而填充腔，主要用于填充液体，用于产生阻尼，从而对振动频率和振幅产生调整作用。

发明人认为，减振不应仅仅限于镗杆自身，机床的其他部分可能也会影响减振效果，作为第三层面的考虑，上述减振镗杆，镗杆套相异于减振块所在端的一端同轴地设有平衡减振块。平衡减振快位于镗杆套的后端，或者说夹持部位的后端，不但可以平衡夹持端前侧的切削力，还可以对机床夹持部件起到减振作用。

不同的工艺对象对减振的要求是不一样的，上面的结构大多都可以进行调整，匹配平衡减振块，第四层面的技术问题则是对工艺对象更广泛的适应性，因而，上述减振镗杆，所述平衡减振块包括作为基体的螺母、接合在螺母外周廓上具有外锥面的外锥套和套在该外锥套上并具有与外锥面斜度相同的内锥面的内锥套，以及设置在内锥套上的副减振块；

内锥套与外锥套之一为弹性体，在内锥套套装侧配有调整内锥套在外锥套上轴向位置的锁紧螺母；

对应地，所述镗杆套相应端设有与所述螺母及锁紧螺母配合的螺杆段。

从而依据上述结构，螺母用于平衡减振块位置的调整，调整减振参数；而锁紧螺母则通过压紧程度调整平衡减振块自身的刚度，调整抑制频率，实现进一步的参数调整。

优选地，所述主减振块表现为在轴向中间大且向两端同幅减小的重块，表面披覆橡胶圈形成圆柱体，在对应内孔内端部被定位，另一端则通过密封圈被所述镗刀座顶持，镗刀座通过轴向配置的螺栓在内镗杆上固定并调整顶持的度量。从而，重块配合橡胶体的调整获得对抑制频率的跟踪。

上述减振镗杆，如前所述，为了消除内镗杆悬伸条件下与镗杆套配合间隙所产生的下垂，采用消除配合间隙的手段，前提条件，应当不影响悬伸长度的调整，故而采用一定形式的可控过盈，能够保证配合的结构稳定性，为此，依据较佳的实施例，一种较佳的选择是所述锁紧装置为接合在内镗杆与镗杆套之间的胀紧套，镗杆套在设有胀紧套的位置开有径向螺纹孔，与该螺纹孔配合的螺钉通过顶压径向设置的斜块而与胀紧套上预设的楔槽形成斜楔配合，以用于斜块轴向运动与胀紧套相配合部分径向运动的转换。那么通过斜楔配合的调整实现胀紧套的胀紧和松脱实现调整状态下的松脱和在消除间隙状态下的胀紧，调整非常方便。

为了保证支撑刚度，上述减振镗杆，所述胀紧套的内胀套和外胀套均配有斜楔配合结构，且均轴对称地设有一对。

进一步地，上述减振镗杆，为了保证支撑刚度，所述胀紧套设有一对。

优选地，所述锁紧装置还包括在镗杆套的悬伸端口设置的前胀套，可以进一步的提高支撑刚度。

上述减振镗杆，所述驱动机构为丝母丝杠机构，对应地，所述内镗杆设有该丝母丝杠机构的母座，而对应丝杠轴向定位在所述镗杆套上。这样内镗杆的调整可以实现精确的调整。

结合附图考虑一下更详细的说明，本发明的上述及其他目的和优点将更加显而易见。

附图说明

图1为依据本发明的一种内镗杆的结构示意图。

图2为依据本发明的一种镗杆套的结构示意图。

图3为一种内胀套的横剖结构示意图。

图4为相应于图3的左视图。

图5为一种平衡减振块的结构示意图。

图6为依据本发明的一种减振镗杆的装配结构内镗杆完全缩入示意图。

图7为装配状态下内镗杆悬伸部分全部伸出的一种结构状态。

图中：1.丝母，2.内镗杆体，3.导向槽，4.堵，5.挡圈，6.减振块，7.橡胶圈，8.密封圈，9.垫圈，10.刀夹，11.调整螺钉，12.压刀螺钉。

13.丝杠，14.轴用弹性挡圈，15.垫圈，16.法兰盘，17.轴套，18.镗杆套体，19.斜块，20.螺钉，21.螺钉，22.斜块，23.内胀套，24.外胀套、25.螺钉，26.键，27.导向槽，28.前胀套，29.螺钉，30螺钉。

31.螺母，32.橡胶环，33.减振块。

35键，36.镗杆支架，37.镗杆压盖。

具体实施方式

参照说明书附图1至6，匹配不同工艺对象，采用图2所示的镗杆套与图1所示的内镗杆相结合的方式，通过工艺对象不同调整镗杆的总长度。

在一个层次的技术问题中，采用减振块，利用振动抵消的方式抑制颤振。

由图1引申内镗杆的一般结构：

内镗杆体2整体为空心的圆柱体结构，同一般的镗杆比较类似，常规的镗杆整体也表现为一个管形体。之所以设计成管形体在于在自身较小的重量的情况下具有较大的刚度。在这里内镗杆作为整体镗杆的一部分，在下文中对其具体作用结合镗杆套进一步的说明，在此先说明内镗杆的基本结构。

考虑到内镗杆与镗杆套的结合，显而易见的是，内镗杆在最大悬伸状态时仍然有一定的长度在镗杆套内，这样才能够保证其具有精度可靠的装配基础。因而，在此处内镗杆应当具有匹配最大悬伸长度的悬伸段，加以对应的，其余部分表现为用于其在镗杆套内精确定位的夹持段。

关于方位，应当注意，通常头部指装配有刀具的端部，尾部则是如镗杆的连接到机床刀架的端部。

如图1所示，在图的右部设有减振块6，起到主减振作用。那么提高减振块6和内镗杆体2的质量比，内镗杆体2前端或者说头端内孔孔径大，孔壁相对薄，孔深大，用以增加减振效果，这一段为悬伸部分。

为了减轻镗杆的重量，同时不削弱刚性，内镗杆体2后端加工成空心结构，不用容纳减振块，孔壁较厚，该段作为内镗杆的夹持固定部分。

丝母1用于内镗杆在镗杆套内伸缩用，导向槽3用于伸缩时轴向导向与周向限位位用，也用于传递扭矩。

减振块6材质采用为密度相对较大的钨钴合金，两端套装橡胶圈7，形成整体的圆柱体结构，两者一同装入内镗杆体2前端的内孔。

如图1右端，橡胶质的垫圈9外环与内孔精密配合，用于密封并作为垫。

刀夹10，也可以表示为刀座，一端装入内镗杆体2右端内孔，采用螺钉固定，另一端可夹持镗刀。其中压刀螺钉12用于镗刀的压紧。

调整螺钉11挤压垫圈9，进而经由此挤压橡胶圈7，从而调整橡胶圈7的刚度，产生对颤振频率的匹配。

内镗杆体2悬伸部分的剩余空间内充满不容易造成腐蚀的甲基硅油或乙基硅油，也可以采用其他的性质相近的液体。自然为了节约成本，也可以采用性能相对低下的替代品。

减振原理：在镗孔加工过程中，镗杆受到交变切削力的作用而振动，此时内镗杆内部的减振块6会产生一个相对滞后的振动，使得减振块6的振动方向与内镗杆体的振动方向相反，从而抵消内镗杆体的振幅值。硅油起阻尼作用，调整橡胶圈7的刚度可以调整振动频率与振幅。

关于镗杆套，如图2所示，镗杆套为空心结构，他是承受弯扭的主要部件，在内镗杆完全缩进镗杆套时，镗杆的刚度表现为两者结合后的整体刚度。

在上述的结构中，镗杆套与内镗杆再配置驱动机构从而构成伸缩结构，那么据此就可以匹配不同的工艺对象，调整镗杆的整体长度。该类结构区别于整体增加规模而增加镗杆刚度的手段，整体增加镗杆刚度必然是增加整个镗杆的整体尺寸，存在浪费，并且对于相对较小孔的加工时不够灵活，甚至受限于整体镗杆的尺寸而无法加工较小孔径的工件。以山特维克镗杆为例，直径150mm的减振镗杆与直径250的减振镗杆相比，价格相差近25万！

为了弥补内镗杆悬伸部分刚性弱的特点，一方面镗杆套孔壁可以相对较厚，可以承受较大的切削力，另一方面，截面系数相对比较大，进一步提高切削力。

镗杆套在尾端，也就是如图2所示的左端设有一段较细的部位，加工出外螺纹，用于所配置平衡减振块的安装。

作为驱动机构的构成部分，镗杆套左侧装有丝杠13，配合上所述丝母1用于调整内镗杆的伸缩。

丝杠13固定端由轴用弹性挡圈14、垫圈15、法兰盘16轴向定位，丝杠所属的摩擦副由铜质的轴套17与丝杠13直接摩擦。

在一些应用中采用手动调整的结构，丝杠配置手轮，还可以留出螺栓头，节省空间，所留出的螺栓头配置其他工具进行调整。

机床一般都配有液压系统，内镗杆的调整也可以采用液压缸。而所述锁紧装置可以采用液压把板。

液压装置比较复杂，成本高；不同机床液压系统有差异，如压力、接口尺寸，也不一定留有多余接口；镗杆一般需要频繁拆卸，使用时装上，不用的时候拆除，配液压装置不方便。

关于所述锁紧装置，可以采用摩擦锁紧的结构，如顶紧螺栓，但这种结构容易损伤内镗杆，锁紧刚性差，容易变形。此时可以在顶紧螺栓向心端设置轴瓦，使用轴瓦与内镗杆外表面配合实现锁紧。

在一些应用中还可以采用卡盘结构，或者采用卡盘结构的驱动部分，也就是盘螺纹部分，驱动向心3或者4个瓦块，实现精确定心的锁紧。

在一些应用中，采用胀紧套进行锁紧，胀紧套原本是一种无键联结装置，一般也简称为胀套，在一些具体的应用中还被称为涨紧套，其原理和用途是通过高强度拉力螺栓的作用，在内环与轴之间、外环与轮毂之间产生巨大抱紧力，以实现机件与轴的无键联结。当承受负荷时，靠胀套与机件、轴的结合压力及相伴产生的摩擦力传递转矩、轴向力或二者的复合载荷。胀套联接主要有以下优点：对中精度高；安装/调整/拆卸方便；强度高，联结稳定可靠；在超载时可以保护设备不受损坏，尤其适用于传递重型负荷。广泛应用于重型机械、风力发电、包装机械、印刷机械、数控机床、自动化设备等领域。

在本文使用胀紧套进行锁紧，节省空间，结构简单，成本低，可以保证精确的对中精度，进而保证加工精度。

由于镗杆相对比较长，为了获得比较高的夹持刚度，胀紧套应至少配置有两套。

如图2所示，镗杆套内部设有三套胀紧套，用于内镗杆的夹紧。中间两处胀套相同，主体为锥度相同的内胀套23、外胀套24，两者锥面一内一外，相对配置，然后在侧面设置斜块19、斜块22，这两个斜块用做径向调整，原理是斜楔原理，利用斜面在正交方向上的移动转换。

参见说明书附图3，内胀套23与外胀套24均为圆环结构。外胀套为24由螺钉25固定。

内胀套23结构图如图3，其中，斜面a与斜块19配合，斜面b与斜块22配合，斜面c与外胀套24配合。斜面b为4处斜孔，以胀紧套轴向为基准轴对称分布。从而拧紧径向设置的螺钉20，通过斜块19的挤压，在斜面a的增力作用下，内胀套23产生微量的轴向位移，经过外胀套24与斜面c增力后，内胀套23产生径向变形，从而夹紧内镗杆；同理，拧紧螺钉21，内镗杆被放松，在于斜面a与斜面b斜率相反或者说斜向相反，所产生的力相反。

如图3所示，内胀套23中的豁口d用于径向变形的位移补偿空间。

镗杆套右侧内孔为圆锥面，与之配合的是前胀套28，其通过轴向配置的螺钉29进行涨缩，匹配圆锥面的性质，本领域的技术人员应当理解其工作原理。

依据上述结构，拧紧螺钉29，前帐套28轴向位移，锥面增力后，产生径向变形，卡紧内镗杆。

螺钉30则是顶持在镗杆套端面，那么拧动螺钉30，产生螺纹升力，用于前帐套28克服变形所产生的阻尼而退出。

在图2中，键26为平键，配合于图1所示的轴向设置的导向槽3，轴向被导向，周向被定位，用于内镗杆的导向与限位。

一定程度上，镗杆套在此处就会与传统的镗杆一样作为被直接驱动的对象，那么据此可以配置导向槽27用于镗杆套的导向与限位，这点可参考先有镗杆的定位方式。

再看平衡减振块，在前述的内容中，参见说明书附图2，镗杆套的尾端，图中左端设有一段螺杆，在该段螺杆上配置平衡减振块。其结构如图5所示，所述平衡减振块包括作为基体的螺母31、接合在螺母31外周廓上具有外锥面的外锥套和套在该外锥套上并具有与外锥面斜度相同的内锥面的内锥套，以及设置在内锥套上的副减振块，具体如图5所示，螺母31可以直接构造为外侧为圆锥面，与具有匹配内锥面的橡胶环32配合，螺母31的内螺纹与镗杆套对应的螺杆外螺纹配合。

具体的一种应用中，螺母31外侧本身是圆锥面，或者说螺母31为锥形螺母，自身为刚性体，橡胶环32内侧是与螺母31配合的内锥面，结构相对比较简单，且适用性更强。

当采用两个锥套结构时，任一均可以采用弹性体，如橡胶环32，其与减振块33为一整体，可在减振块33制成后浇铸而成。减振块33为大密度的钨钴合金，减振原理与内镗杆相同。

同时配置一锁紧螺母，用于调整内锥套套装侧配有调整内锥套在外锥套上轴向位置，调整螺母34的松紧程度，还能调整橡胶环32的刚度，这是螺母31与橡胶环32的配合面设计成锥面的原因。如图6所示的螺母34。

进而，在图6中，内镗杆全部缩回镗杆套内部。键35用于镗杆套的导向与防转，镗杆支架36与镗杆压盖37用于镗杆套的夹持固定。

调整镗杆套上配置于胀紧套的对应螺钉，使内镗杆处于松弛状态，调整丝杠，如采用调整丝杠方头的形式，使内镗杆伸缩到预定位置，调整对应胀紧套螺钉，使内镗杆处于抱紧状态。

调整镗杆套前胀套螺钉时必须使用力矩扳手，防止内镗杆夹紧时变形过大。调整平衡减振块时，将平衡减振块旋转到指定位置，调整螺母34，使螺母34的端面与平衡减振块端面贴合，这样就可以将平衡减振块固定到指定位置。调整螺母34的松紧程度还可以调整橡胶圈的刚度，从而调整减振参数。

图7表示了减振镗杆中内镗杆的悬伸段全部伸出的状态，依据图6和图7，内镗杆可以在镗杆套内自由伸缩，从而达到刚性可调的目的。内镗杆悬伸部位减振效果好，但是刚性弱，镗杆套刚性强，可根据不同加工工件及不同机床振动情况自由调整伸缩量。

镗杆套还可以在镗杆支架上伸缩，同样的加工长度，可以调整镗杆套与内镗杆的悬伸比例。平衡减振块位于夹持部位后端，不但可以平衡夹持端前侧的切削力，还可以对机床夹持部件起减振作用。平衡减重块由数块组成，可根据不同切削情况增减，也可以改变装夹位置，调整橡胶圈刚度，从而调整减振参数。

镗孔加工过程中，粗镗与半精镗时，为了提高加工效率，镗刀吃刀较大，此时可将内镗杆悬伸部分缩短或完全缩回镗杆套中。精镗时，镗刀吃刀很小，为了提高加工精度，可将内镗杆悬伸部分伸长。整个镗削过程中，即可以调整平衡减重块的位置、数量以及橡胶圈的刚度，又可以调整内镗杆前端橡胶圈的刚度，还可以调整内镗杆与镗杆套的相对伸缩长度，本方案可以有效解决现有镗杆的多种不足。

Claims (8)

1.一种减振镗杆，其特征在于，包括镗杆套和周向约束轴向导向于镗杆套内孔的内镗杆，以及驱动内镗杆悬伸出镗杆套的悬伸长度的驱动机构和目标悬伸长度下锁紧内镗杆与镗杆套的锁紧装置；

所述内镗杆包括用于延伸镗杆长度的悬伸段和用于与镗杆套接合的夹持段，其中悬伸段为中空结构，外端部设有镗刀座，内孔在镗刀座侧设有与内孔同轴的主减振块，且悬伸段的其余内腔为液体填充物腔；

镗杆套相异于减振块所在端的一端同轴地设有平衡减振块。

2.根据权利要求1所述的减振镗杆，其特征在于，所述平衡减振块包括作为基体的螺母、接合在螺母外周廓上具有外锥面的外锥套和套在该外锥套上并具有与外锥面斜度相同的内锥面的内锥套，以及设置在内锥套上的副减振块；

内锥套与外锥套之一为弹性体，在内锥套套装侧配有调整内锥套在外锥套上轴向位置的锁紧螺母；

对应地，所述镗杆套相应端设有与所述螺母及锁紧螺母配合的螺杆段。

3.根据权利要求2所述的减振镗杆，其特征在于，所述主减振块表现为在轴向中间大且向两端同幅减小的重块，表面披覆橡胶圈形成圆柱体，在对应内孔内端部被定位，另一端则通过密封圈被所述镗刀座顶持，镗刀座通过轴向配置的螺栓在内镗杆上固定并调整顶持的度量。

4.根据权利要求1所述的减振镗杆，其特征在于，所述锁紧装置为接合在内镗杆与镗杆套之间的胀紧套，镗杆套在设有胀紧套的位置开有径向螺纹孔，与该螺纹孔配合的螺钉通过顶压径向设置的斜块而与胀紧套上预设的楔槽形成斜楔配合，以用于斜块轴向运动与胀紧套相配合部分径向运动的转换。

5.根据权利要求4所述的减振镗杆，其特征在于，所述胀紧套的内胀套和外胀套均配有斜楔配合结构，且均轴对称地设有一对。

6.根据权利要求4或5所述的减振镗杆，其特征在于，所述胀紧套设有一对。

7.根据权利要求6所述的减振镗杆，其特征在于，所述锁紧装置还包括在镗杆套的悬伸端口设置的前胀套。

8.根据权利要求1所述的减振镗杆，其特征在于，所述驱动机构为丝母丝杠机构，对应地，所述内镗杆设有该丝母丝杠机构的母座，而对应丝杠轴向定位在所述镗杆套上。