CN103962883A - 基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀，由与普通车刀固定连接的主振部件和悬挂在其上的磁流变动力吸振部件组成，其特点是：主振部件与磁流变动力吸振部件之间通过磁场下可变刚度、阻尼的磁流变液和滚珠7进行柔性支撑和连接，其中，滚珠安装在主振部件刀杆轴两侧的键槽里，磁流变液填充在磁流变动力吸振部件的圆盘形磁极、上、下箱体、端盖和主振部件的第一、二圆盘状铁芯间的轴向间隙内。本发明采用磁流变液作为调节执行介质，针对不同车削工况下的颤振频率，通过调整磁感应强度，实时在线地改变磁流变动力吸振部件的阻尼及固有频率等参数，从而最大限度地吸收主振系统中车刀的振动能量，有效地抑制车削颤振。

Description

基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀

技术领域

本发明涉及一种车削加工减振装置，尤其是一种基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀。

背景技术

近年来，高速、精密切削加工技术已越来越多地应用于航空航天、光电和通讯等领域内大型、精密零部件的切削加工中，随着应用研究的不断完善和深入，微幅、超微幅振动对加工精度提高的制约作用日益凸显，在采用空气弹簧及相关主动控制方法有效隔离机外振源的基础上，来自于切削加工过程自身的振动已走入研究者的视线，成为限制高效精密切削技术发挥优势的关键因素之一。因此，寻求有效抑制切削颤振的新方法已迫在眉睫。

磁流变液作为一种新型的智能控制材料，由于其制成的阻尼器具有能耗低、阻尼力大、动态范围广、实时调节性好等特点，已被逐渐应用于土木工程、汽车悬架和机械加工等各种减振场合中，然而，现有的磁流变减振装置大都属于阻尼减振，而动力吸振也是振动控制中经常采用的一种高效减振方法，通过适当的调节，该方法的减振效果要优于单纯的阻尼减振。王勋龙等将动力吸振器应用于车辆减振，并研究了各种参数对动力吸振器减振性能的影响；魏榕祥等通过在飞机平尾翼尖处安装动力吸振器来吸收某一确定频率的振动能量，以达到减振的目的；Foo E等建立了弹性车体动力学模型, 研究了基于动力吸振器的车辆运行平稳性及其控制方法； Jia Jangwu研究了动力减振器螺旋弹簧的惯性效应对镗杆动态特性的影响；Felipe Antonio CheguryViana等人基于蚁群算法设计了可调动态减振器；邵俊鹏等应用虚拟样机技术对动力减振器的参数进行了优化。研究表明，该方法虽然可以取得很好的减振效果，但其结构参数一经优化确定后即无法调整，因此，如果将动力减振原理与磁流变效应结合用于切削加工系统，则可以根据颤振频率，通过电参数的调节适当改变磁流变动力吸振器的固有频率等动力学参数，从而最大限度地吸收切削系统的振动能量,对不同切削状态下的颤振进行有效的半主动实时控制。

磁流变液的工作模式有流动、剪切和挤压三种。相比于剪切和流动模式，挤压模式下磁流变液的流变特性更加复杂、产生的屈服强度更大。Alireza等的研究表明，磁流变液在挤压模式下能产生很大的可控力，并首次发现了磁流变液的凝聚效应；徐春晖等采用二阶流体本构关系研究了平行圆盘间牛顿流体的挤压流动；廖昌荣等分析了基于圆盘挤压模式的磁流变阻尼器的工作特性，对挤压模式的磁流变液阻尼器设计具有一定的参考价值。与磁流变液挤压特性的研究相比，基于挤压模式的磁流变器件应用研究还鲜见报道。陈吉安等对用于车辆的磁流变减振器进行了设计，提出了一种剪切模式的磁流变减振器模型；王其东等人设计了基于流动模式和剪切模式的磁流变半主动悬架模糊控制减振器；梅德庆等人申请的发明专利将磁流变效应引入镗削加工中，研制了剪切模式和挤压模式混合的磁流变液自抑振智能镗杆系统。综上所述，本发明在动力减振原理的基础上，针对零件长径比数值较大的轴类零件外圆车削加工工况，研制可代替普通车刀的挤压模式磁流变动力吸振车刀。

发明内容

本发明是要解决细长轴类零件外圆车削过程中发生的颤振技术问题，而提供一种基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀，该动力吸振车刀可针对不同外圆车削工况下的颤振频率，通过外加磁场的作用，对附加在车刀上的磁流变动力吸振部件的刚度、阻尼及固有频率等动特性参数进行实时调节，从而最大限度地吸收车刀的振动能量，抑制车削颤振的发生。该吸振车刀调整方便、可适用于各类外圆车削工况。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀，由与普通车刀固定连接的主振部件和悬挂在其上的磁流变动力吸振部件组成，其特点是：主振部件与磁流变动力吸振部件之间通过磁场下可变刚度、阻尼的磁流变液和滚珠进行柔性支撑和连接，其中，滚珠安装在主振部件刀杆轴两侧的键槽里，磁流变液填充在磁流变动力吸振部件的圆盘形磁极、上、下箱体、端盖和主振部件的第一、二圆盘状铁芯间的轴向间隙内。

主振部件包括经改造的普通车刀、刀杆轴、第一、二圆盘状铁芯，普通车刀与刀杆轴通过其上的莫氏圆锥定位，在径向采用斜楔楔紧，并在斜楔的一端用螺母紧固；第一、二圆盘状铁芯分别与刀杆轴过渡配合连接，第一、二圆盘状铁芯上的方形凹槽内缠绕励磁线圈。

磁流变动力吸振部件由上箱体、下箱体、圆盘形磁极和端盖组成，上箱体与下箱体之间通过内螺纹圆锥销定位并由螺栓和螺母紧固，圆盘形磁极与上、下箱体内的环槽在轴向间隙配合连接，端盖依靠其一端的凸台与上、下箱体定位并由螺钉紧固。

圆盘形磁极、第一、二圆盘状铁芯均为圆环形，所述上箱体上开有用于测量磁极间隙、引线和注入磁流变液的方形孔。

圆盘形磁极、第一、二圆盘状铁芯均为软铁磁性材料，所述上、下箱体3、端盖、刀杆轴均为非导磁材料。普通车刀后端安装有卸刀螺母。

本发明具有的有益之处在于：

1. 本发明提供了一种将动力减振原理和磁流变效应结合的吸振车刀。该发明采用磁流变液作为调节执行介质，针对不同车削工况下的颤振频率，通过调整磁感应强度，实时在线地改变磁流变动力吸振部件的阻尼及固有频率等参数，从而最大限度地吸收主振系统中车刀的振动能量，有效地抑制车削颤振。

2. 本发明中磁流变动力吸振车刀采用挤压工作模式，可增大磁流变效应对吸振部件参数的调节范围，从而增强了对车削颤振的抑制范围和减振效果。

3. 本发明采用滚珠式非固定、柔性支撑结构，既可使车刀振动时产生相对磁流变动力吸振部件的往复直线运动，又可使背吃刀量调整时车刀与磁流变动力吸振部件同步运动，保证磁极间隙的恒定，简化车削操作。

4. 本发明所述刀杆轴、上、下箱体、滚珠、端盖均采用铝等非导磁材料，使磁路沿刀杆轴分成上、下两部分独立的回路，减少了漏磁现象的发生，提高了磁流变液的工作效率。

5. 本发明利用莫氏圆锥将车刀与刀杆轴配合连接，保证了两者的对中性；同时配有卸刀螺母方便车刀的调整和更换。

附图说明

图1 是本发明的结构主剖视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的左视图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图3所示，一种基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀，由与普通车刀16固定连接的主振部件和悬挂在其上的磁流变动力吸振部件两大部分组成。

磁流变动力吸振部件包括上箱体3、下箱体10、圆盘形磁极11和端盖5。上箱体3与下箱体10之间通过内螺纹圆锥销19定位并由螺栓18和螺母1紧固，圆盘形磁极11与上、下箱体3、10内的环槽在轴向间隙配合连接，端盖5依靠其一端的凸台与上、下箱体定位并由螺钉4紧固。

主振部件包括改造后的莫氏锥柄车刀16、刀杆轴13、第一、二圆盘状铁芯9、12。普通车刀16与刀杆轴13通过其上的莫氏圆锥定位，在径向采用斜楔15楔紧，并在斜楔15的一端用螺母14紧固；第一、二圆盘状铁芯9、12分别与刀杆轴13过渡配合连接，第一、二圆盘状铁芯9、12上的方形凹槽内缠绕励磁线圈8。

由于本发明基于动力减振原理，因此主振部件与磁流变动力吸振部件之间采用磁场下可变刚度、阻尼的磁流变液和滚珠7进行柔性支撑和连接。其中，滚珠7安装在刀杆轴两侧的键槽里。当普通车刀16在外圆车削过程中沿轴向振动时，在滚珠7的支撑下主振部件中的刀杆轴13和普通车刀16可相对动力吸振部件产生摩擦系数较小的直线往复运动，促使动力吸振部件在磁流变效应作用下产生动力吸振效果，削减普通车刀16的振动能量；同时，在调整普通车刀16的背吃刀量时，该支撑还可以使普通车刀16和动力吸振部件同步移动，从而保证了圆盘形磁极11和第一、二圆盘状铁芯9、12之间的间隙恒定不变，简化了间隙的调整操作。

图1中箭头所示为磁回路中磁力线走向，因此磁极间隙处的磁流变液在磁场下将形成垂直于第一、二圆盘状铁芯9、12和圆盘形磁极11端面的链柱状结构，普通车刀16的轴向振动将挤压该链柱状结构，故本发明涉及的动力吸振车刀是在磁流变液的挤压模式下工作的。

本发明的装配顺序依次为主振部件的装配、磁流变动力吸振部件的装配。在主振部件装配之前，应先将圆盘形磁极11空套在刀杆轴13大轴径上，随后开始主振部件的装配。装配中首先依靠刀杆轴13大轴径两侧的轴肩做轴向定位，将绕有励磁线圈8的第一、二圆盘状铁芯9、12从刀杆轴13的两端按过渡配合装入，接着通过莫氏圆锥将已旋入卸刀螺母17的普通车刀16和刀杆轴13配合连接，而后采用斜楔15贯穿刀杆轴13和普通车刀16，以防止车削振动造成连接的松动，最终用防松螺母14将斜楔15紧固在刀杆轴13上，完成主振部件的装配。在动力吸振部件的装配中，先将圆盘形磁极11采用间隙配合方式在轴向依次与上箱体3、下箱体10内部的环形槽配合，然后用内螺纹圆锥销19将上、下箱体3、10定位，并由螺栓18和螺母1紧固，最后端盖5通过定位凸台和螺钉4与上、下箱体3、10定位连接。磁流变动力吸振部件与主振部件间的轴向位置以刀杆轴13的A面为基准，通过开口定位元件2来调整确定，车削加工前将该定位元件移开。

本发明磁流变动力吸振车刀通过开口定位元件2的定位、第一、二圆盘状铁芯9、12在刀杆轴13轴肩的定位、圆盘形磁极11与上、下箱体3、10内环槽的轴向间隙配合以及各相关零件尺寸公差设计、尺寸链的求解计算，保证了磁流变减振装置中重要的结构、性能参数——圆盘形磁极11与第一、二圆盘状铁芯9、12间的磁极间隙为1.5±0.05mm。刀杆轴13与第一、二圆盘状铁芯9、12之间的配合尺寸为Ф26H8/n7；圆盘形磁极11与上箱体3、下箱体10之间的配合尺寸均为10H8/h7；

为了方便磁流变动力吸振车刀的调整和更换，在原有普通车刀16的外表面加工螺纹，并旋入卸刀螺母17。当拆除斜楔15和防松螺母14后，不断旋紧卸刀螺母17直至与刀杆轴13右端面接触后继续旋入，普通车刀16便可轻松拆卸下来。此外，卸刀螺母17端面加工螺纹孔，用来安装传感器，实现对振动信号的在线测量。

考虑车床刀架的结构和车削操作的方便，本发明中的上、下箱体3、10为中空的类半圆柱体，圆盘形磁极11、第一、二圆盘状铁芯9、12均为圆环类零件。励磁线圈8横向缠绕在第一、二圆盘状铁芯9、12外表面上的方形凹槽内，且分别缠绕至与第一、二圆盘状铁芯9、12的大端面等高，每个铁芯上分别缠绕上、下两组励磁线圈，整个装置中共四组线圈，其导线由透明软树脂防尘罩6上的通孔引出。

本发明基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀工作原理为：外圆车削加工中，当车刀16发生轴向振动时将带动刀杆轴13和第一、二圆盘状铁芯9、12随之同步振动，由于滚珠7和磁流变液的柔性支撑，该振动将使主振系统与磁流变液动力吸振部件之间产生往复的相对运动，这种运动挤压磁极间隙处沿图1箭头方向形成的链柱状磁流变液，从而产生磁流变效应。根据切削颤振的频率，通过调节第一、二圆盘状铁芯9、12上励磁线圈电流的大小，改变磁流变液的挤压屈服强度，同时改变磁流变动力吸振部件的阻尼、刚度、固有频率等动态特性参数，使之与颤振频率相匹配，进而最大限度地吸收车刀颤振的能量，降低颤振幅度，达到削减及抑制车削振动的目的。

Claims (6)

1.一种基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀，由与改造过的普通车刀(16)固定连接的主振部件和悬挂在其上的磁流变动力吸振部件组成，其特征在于：主振部件与磁流变动力吸振部件之间通过磁场下可变刚度、阻尼的磁流变液和滚珠(7)进行柔性支撑和连接，其中，滚珠(7)安装在主振部件刀杆轴(13)两侧的键槽里，磁流变液填充在磁流变动力吸振部件的圆盘形磁极(11)、上、下箱体(3、10)、端盖(5)和主振部件的第一、二圆盘状铁芯(9、12)间的轴向间隙内。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀，其特征在于：所述主振部件包括经改造的普通车刀(16)、刀杆轴(13)、第一、二圆盘状铁芯(9、12)，普通车刀(16)与刀杆轴(13)通过其上的莫氏圆锥定位，在径向采用斜楔（15）楔紧，并在斜楔（15）的一端用螺母（14）紧固；第一、二圆盘状铁芯(9、12)分别与刀杆轴(13)过渡配合连接，第一、二圆盘状铁芯(9、12)上的方形凹槽内缠绕励磁线圈(8)。

3.根据权利要求1所述的基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀，其特征在于：所述磁流变动力吸振部件由上箱体(3)、下箱体(10)、圆盘形磁极(11)和端盖(5)组成，上箱体(3)与下箱体(10)之间通过内螺纹圆锥销(19)定位，并由螺栓(18)和螺母(1)紧固，圆盘形磁极(11)与上、下箱体(3、10)内的环槽在轴向间隙配合连接，端盖(5)依靠其一端的凸台与上、下箱体(3、10)定位并由螺钉(4)紧固。

4.根据权利要求1所述的基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀，其特征在于：所述圆盘形磁极(11)、第一、二圆盘状铁芯(9、12)均为圆环形，所述上箱体(3)上开有用于测量磁极间隙、引线和注入磁流变液的方形孔。

5.根据权利要求1所述的基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀，其特征在于：所述圆盘形磁极(11)、第一、二圆盘状铁芯(9、12)均为软铁磁性材料，所述上、下箱体(3、10)、端盖(5)、刀杆轴(13)均为非导磁材料。

6.根据权利要求1所述的基于磁流变液挤压工作模式的动力吸振车刀，其特征在于：所述普通车刀(16)后端安装有卸刀螺母(17)。