CN104096873A - 非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆 - Google Patents

Abstract

非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆，涉及一种切削刀具。设有刀杆本体、刀杆连接件、刀头、耦合耗能板；在耦合耗能板上设有凹槽阵列，在每一凹槽内设有1粒表面低恢复系数颗粒和至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒，在高表面粘滞阻力高分子颗粒表面包覆高聚合物薄膜，在耦合耗能板上设有用于安装耦合耗能板的固定槽。在刀杆内部安装多层耦合耗能板后，能将切削力产生的振动能量迅速逐级耗散，耗能因子高，抑振效果明显，有效提高深孔零部件镗削加工的稳定性和精度。成本较低，易于实行。表面低恢复系数颗粒以金属材料为基材，外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，表面低恢复系数颗粒强度高、不易腐蚀、寿命长，可长期使用。

Description

非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆

技术领域

本发明涉及一种切削刀具，尤其是涉及一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆。

背景技术

在机械加工中，深孔加工一直是一个难题。在镗削过程中，当刀杆的长径比超过4倍时，刀具自身将在切削力作用下产生颤振，使得加工精度下降，甚至无法进行加工。

国内的一些抑振刀具多数处于研究阶段，采用的方法(参见中国专利200920061678.5)主要是增加刀杆静刚度，如镍基重合金防振刀具等。但对于长径比超过4倍的刀杆，这种方法效果不明显，特别是在刀具结构比较复杂的情况下，其造价很高，同时由于受加工工件尺寸的限制，很多情况下无法增大刀具直径，因此提高刀具静刚度有一定应用局限性。另外，减少切削量来降低切削力可以减少刀杆变形量，但会导致生产效率下降。因此，当使用长径比超过4倍的刀杆进行深孔加工时，由于切削力在刀杆悬臂末端的刀具上产生的大位移振动，导致加工精度和表面质量变差，且生产效率较低，制约了深孔零部件的镗削加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆。

本发明设有刀杆本体、刀杆连接件、刀头、耦合耗能板；在耦合耗能板上设有凹槽阵列，在凹槽阵列的每一凹槽内设有1粒表面低恢复系数颗粒和至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒，在高表面粘滞阻力高分子颗粒表面包覆高聚合物薄膜，在耦合耗能板上设有用于安装耦合耗能板的固定槽。

所述凹槽阵列可设为m×n凹槽阵列，m为耦合耗能板的长度方向颗粒凹槽数，n为耦合耗能板的宽度方向颗粒凹槽数。

所述高表面粘滞阻力高分子颗粒可采用互穿网络型聚合物，互穿网络型聚合物通过双网络之间相互交叉渗透、机械缠结而产生强迫互容和协同效应的一种综合性能良好的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物高分子材料，高表面粘滞阻力高分子颗粒的粒径可为0.2～0.5mm；每个凹槽内能放置成千粒高表面粘滞阻力高分子颗粒。

所述高聚合物薄膜可采用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，高聚合物薄膜的厚度可为0.2～0.6mm。

所述表面低恢复系数颗粒可采用金属颗粒外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物，金属颗粒的密度可为5～18.3g/cm³，若刀杆截面为矩形，刀杆高度为H，刀杆上部放置的金属颗粒的粒径为0.095～0.013H，包覆的聚合物厚度为0.2～0.4mm，刀杆下部放置的金属颗粒的粒径为0.058～0.071H，包覆的聚合物厚度为0.2～0.3mm；若刀杆截面为圆形，直径为R，刀杆上部放置的金属颗粒的粒径为0.092～0.014R，包覆的聚合物厚度为0.2～0.4mm，刀杆下部放置的金属颗粒的粒径为0.055～0.069R，包覆的聚合物厚度为0.2～0.3mm。

所述耦合耗能板为表面设有m×n凹槽阵列的金属板。所述耦合耗能板可设有3～7层，在刀杆内部加工出安装耦合耗能板的固定槽。

所述耦合耗能板的凹槽直径d₁可为0.91～0.95d，d为表面低恢复系数颗粒的直径，凹槽深度h₁可为0.19～0.24d，凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒距耦合耗能板表面的深度h₂可为0.075～0.083d。

相邻表面低恢复系数颗粒之间可保留一个必要的间隙δ，间隙δ可为0.14～0.19d，间隙δ过大会导致表面低恢复系数颗粒发生非弹性碰撞的频率降低，间隙δ过小会影响表面低恢复系数颗粒非弹性碰撞的压缩阶段和恢复阶段的冲量衰减，因此凹槽的加工精度、表面低恢复系数颗粒的形状精度等的公差范围须满足表面低恢复系数颗粒之间的间隙δ。

在刀具切削加工时，刀具的切削力会引起刀杆悬臂结构的振动，当刀杆将振动传递到内部耦合耗能板后，在耦合耗能板上凹槽内表面低恢复系数颗粒在高表面粘滞阻力的高分子高表面粘滞阻力高分子颗粒体系中进行滚动运动，这个过程的粘滞阻力耗散了20％～40％的动能，刀杆振动位移越大，粘滞阻力耗散能量越多。当刀杆传递过来的能量不大时，依靠表面低恢复系数颗粒在高表面粘滞阻力高分子颗粒上滚动产生的粘滞阻力即可将动能耗散；当振动能量大于粘滞阻力耗散能量时，相邻的表面低恢复系数颗粒以高碰撞频率、低恢复系数发生非弹性碰撞，通过6～8个表面低恢复系数颗粒迅速将耦合耗能板的动能逐级耗散。相邻表面低恢复系数颗粒之间保留一个必要的间隙δ，表面低恢复系数颗粒在耦合耗能板的位置排布通过离散元计算得出。同时用高聚合物制作的薄膜将高表面粘滞阻力的高分子高表面粘滞阻力高分子颗粒包覆住，按一定的深度放置在耦合耗能板排布颗粒的凹槽内，当表面低恢复系数颗粒发生非弹性碰撞前，在凹槽内表面低恢复系数颗粒在高表面粘滞阻力的高分子高表面粘滞阻力高分子颗粒体系上滚动运动，这个过程的粘滞阻力耗散了一部分机械能。由于在刀杆内部设置多层耦合耗能板，在每层耦合耗能板上高频率的进行表面低恢复系数颗粒和高表面粘滞阻力高分子颗粒体系的非弹性碰撞和滚动粘滞阻力的耦合耗能，从而使得由切削力产生的振动被增加的多层耗能板迅速抑制，耗能因子高，抑振效果明显，从而有效提高了深孔零部件镗削加工的稳定性和加工精度。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明在刀杆内部安装多层耦合耗能板后，能将切削力产生的振动能量迅速逐级耗散，耗能因子高，抑振效果明显，有效提高了深孔零部件镗削加工的稳定性和精度。

(2)本发明对原刀杆结构改动小，附加成本较低，易于实行。

(3)本发明采用的表面低恢复系数颗粒以金属材料为基材，外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，表面低恢复系数颗粒强度高、不易腐蚀、寿命长，可长期使用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的耦合耗能板的凹槽位置分布俯视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图2的B-B剖视图；

图5为图3的C-C剖视图；

图6为矩形截面刀杆内部耦合耗能板安装示意图；

图7为圆形截面刀杆内部耦合耗能板安装示意图；

图8为传统刀杆与采用本发明的方法后频响函数对比曲线。

图中各标记为：11—刀杆本体，12—刀杆连接件，13—刀头，2—装在刀杆内部的耦合耗能板，3—在耦合耗能板上加工出的经离散元计算的凹槽，4—高表面粘滞阻力高分子颗粒，5—表面低恢复系数颗粒，6—高聚合物薄膜，7—安装耦合耗能板的固定槽。

具体实施方式

参见图1～7，本发明实施例设有刀杆本体11、刀杆连接件12、刀头13、耦合耗能板2；在耦合耗能板2上设有凹槽阵列，在凹槽阵列的每一凹槽3内设有1粒表面低恢复系数颗粒5和至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒4，在高表面粘滞阻力高分子颗粒4表面包覆高聚合物薄膜6，在耦合耗能板2上设有用于安装耦合耗能板的固定槽7。

所述凹槽阵列可设为m×n凹槽阵列，m为耦合耗能板2的长度方向颗粒凹槽数，n为耦合耗能板2的宽度方向颗粒凹槽数。

所述高表面粘滞阻力高分子颗粒4可采用互穿网络型聚合物，互穿网络型聚合物通过双网络之间相互交叉渗透、机械缠结而产生强迫互容和协同效应的一种综合性能良好的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物高分子材料，高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粒径可为0.2～0.5mm；每个凹槽内能放置成千粒高表面粘滞阻力高分子颗粒4。

所述高聚合物薄膜6可采用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，高聚合物薄膜的厚度可为0.2～0.6mm。

所述表面低恢复系数颗粒5可采用金属颗粒外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物，金属颗粒的密度可为5～18.3g/cm³，若刀杆截面为矩形，刀杆高度为H，刀杆上部放置的金属颗粒的粒径为0.095～0.013H，包覆的聚合物厚度为0.2～0.4mm，刀杆下部放置的金属颗粒的粒径为0.058～0.071H，包覆的聚合物厚度为0.2～0.3mm；若刀杆截面为圆形，直径为R，刀杆上部放置的金属颗粒的粒径为0.092～0.014R，包覆的聚合物厚度为0.2～0.4mm，刀杆下部放置的金属颗粒的粒径为0.055～0.069R，包覆的聚合物厚度为0.2～0.3mm。

所述耦合耗能板为表面设有m×n凹槽阵列的金属板。所述耦合耗能板2可设有3～7层，在刀杆内部加工出安装耦合耗能板2的固定槽。

所述耦合耗能板的凹槽直径d₁可为0.91～0.95d，d为表面低恢复系数颗粒5的直径，凹槽深度h₁可为0.19～0.24d，凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒4距耦合耗能板表面的深度h₂可为0.075～0.083d。

相邻表面低恢复系数颗粒之间可保留一个必要的间隙δ，间隙δ可为0.14～0.19d，间隙δ过大会导致表面低恢复系数颗粒发生非弹性碰撞的频率降低，间隙δ过小会影响表面低恢复系数颗粒非弹性碰撞的压缩阶段和恢复阶段的冲量衰减，因此凹槽的加工精度、表面低恢复系数颗粒的形状精度等的公差范围须满足表面低恢复系数颗粒之间的间隙δ。

在刀杆内部截面为矩形的情况下，如图6所示，在刀杆上部安装3层耦合耗能板，在该部分耦合耗能板上的表面低恢复系数颗粒的粒径为8mm，密度为7.3g/cm³，表面低恢复系数颗粒5外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，包覆的聚合物厚度为0.3mm；耦合耗能板上凹槽的排布形式如图2～5所示，耦合耗能板厚度为4mm，耦合耗能板垂直向间距为5.2mm；表面低恢复系数颗粒5的间距δ为1.28mm，凹槽直径d₁的取值为7.44mm，凹槽深度h₁为1.68mm，凹槽内填放的高分子高表面粘滞阻力高分子颗粒4距耦合耗能板2表面的深度h₂为0.63mm，高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粒径为0.3mm。在刀杆下部安装2层耦合耗能板，在该部分耦合耗能板上的表面低恢复系数颗粒5的粒径为4.8mm，密度为6.9g/cm³，表面低恢复系数颗粒5外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，包覆的聚合物厚度为0.2mm；耦合耗能板2厚度为4mm，耦合耗能2板垂直向间距为5.2mm；表面低恢复系数颗粒5的间距δ为0.82mm，凹槽直径d₁的取值为4.5mm，凹槽深度h₁为1mm，凹槽内填放的高分子高表面粘滞阻力高分子颗粒4距耦合耗能板2表面的深度h₂为0.39mm，高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粒径为0.2mm。

在刀杆内部截面为圆形的情况下，如图7所示，在刀杆上部安装3层耦合耗能板，在该部分耦合耗能板上的表面低恢复系数颗粒5的粒径为8mm，密度为7.3g/cm³，表面低恢复系数颗粒5外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，包覆的聚合物厚度为0.3mm；耦合耗能板2厚度为4mm，耦合耗能板2垂直向间距为5.2mm；表面低恢复系数颗粒5的间距δ为1.28mm，凹槽直径d₁的取值为7.44mm，凹槽深度h₁为1.68mm，凹槽内填放的高分子高表面粘滞阻力高分子颗粒4距耦合耗能板表面的深度h₂为0.63mm，高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粒径为0.3mm。在刀杆下部安装2层耦合耗能板2，在该部分耦合耗能板2上的表面低恢复系数颗粒5的粒径为4.8mm，密度为6.9g/cm³，表面低恢复系数颗粒5外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，包覆的聚合物厚度为0.2mm；耦合耗能板2厚度为4mm，耦合耗能板2垂直向间距为5.2mm；表面低恢复系数颗粒5的间距δ为0.82mm，凹槽直径d₁的取值为4.5mm，凹槽深度h₁为1mm，凹槽内填放的高分子高表面粘滞阻力高分子颗粒4距耦合耗能板表面的深度h₂为0.39mm，高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粒径为0.2mm。

在深孔零部件镗削加工时，切削力引起的振动将通过耦合耗能板2将振动传递到排布好的表面低恢复系数颗粒5，通过表面低恢复系数颗粒5的低恢复系数非弹性碰撞和高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粘滞阻力的耦合耗能将传递来的机械能迅速逐级耗散，起到提高刀杆稳定性和加工精度的作用。

对圆形截面刀杆进行稳定性分析，刀杆长2200mm，外径240mm，内径170mm，图8为传统刀杆与采用本发明的方法后频响函数对比曲线。在1～300Hz中低频带内，本发明比传统刀杆的第1共振峰峰值下降约50％，第2共振峰及后续共振峰被大幅抑制，下降幅值可达1400％～5800％。在300～600Hz中频带内，本发明将传统刀杆连续的高值谱峰减弱成两个很平缓的谱峰。由此可以看出，采用本发明的方法后，通过表面低恢复系数颗粒5的低恢复系数非弹性碰撞和高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粘滞阻力的耦合耗能将传递来的机械能迅速逐级耗散，刀杆的稳定性大幅提升。

按离散元计算的结果，在每层耦合耗能板2上用高聚合物薄膜6将高表面粘滞阻力的高分子高表面粘滞阻力高分子颗粒4包覆住，按一定深度放置在耦合耗能板2排布颗粒的凹槽3内，在凹槽上放置表面低恢复系数颗粒5，每个表面低恢复系数颗粒5之间间隙为δ。在刀具切削加工时，切削力引起刀杆的振动将通过耦合耗能板2将振动传递到排布好的表面低恢复系数颗粒5，通过表面低恢复系数颗粒5的低恢复系数非弹性碰撞和高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粘滞阻力的耦合耗能将传递来的机械能迅速逐级耗散，起到提高刀杆稳定性和加工精度的作用。

根据刀杆截面的几何形状、刀杆的长径比、刀具的切削量范围、被加工件的转速范围等条件，经离散元计算，耦合耗能板2上的凹槽3的排布与上述条件相关，耦合耗能板2上凹槽3的安装如图2～4所示，在振动传递到表面低恢复系数颗粒5后，速度的衰减如下式所示：

$v_n=\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_p{m}_{i-1}[1+e_{(i-1)i}]}{m_i+m_{i-1}}\·v_1$

式中，m_i为表面低恢复系数颗粒的质量，e_i为表面低恢复系数颗粒的恢复系数，v₁为表面低恢复系数颗粒初速度，v_n为第n个表面低恢复系数颗粒初速度，μ_p为动力学粘滞系数。

每个表面低恢复系数颗粒周围都有分布均匀的6个表面低恢复系数颗粒，每次非弹性碰撞都有3～4个表面低恢复系数颗粒参与，通过6～8个表面低恢复系数颗粒低恢复系数的非弹性碰撞和高表面粘滞阻力高分子颗粒的粘滞阻力的耦合耗能后，速度可降低85％以上，能迅速抑制振动能量。

Claims (10)

1.非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆，其特征在于设有刀杆本体、刀杆连接件、刀头、耦合耗能板；在耦合耗能板上设有凹槽阵列，在凹槽阵列的每一凹槽内设有1粒表面低恢复系数颗粒和至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒，在高表面粘滞阻力高分子颗粒表面包覆高聚合物薄膜，在耦合耗能板上设有用于安装耦合耗能板的固定槽。

2.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆，其特征在于所述凹槽阵列设为m×n凹槽阵列，m为耦合耗能板的长度方向颗粒凹槽数，n为耦合耗能板的宽度方向颗粒凹槽数。

3.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆，其特征在于所述高表面粘滞阻力高分子颗粒采用互穿网络型聚合物，互穿网络型聚合物通过双网络之间相互交叉渗透、机械缠结而产生强迫互容和协同效应的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物高分子材料，高表面粘滞阻力高分子颗粒的粒径可为0.2～0.5mm；每个凹槽内可放置成千粒高表面粘滞阻力高分子颗粒。

4.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆，其特征在于所述高聚合物薄膜采用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，高聚合物薄膜的厚度可为0.2～0.6mm。

5.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆，其特征在于所述表面低恢复系数颗粒采用金属颗粒外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物，金属颗粒的密度可为5～18.3g/cm³。

6.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆，其特征在于若刀杆截面为矩形，刀杆高度为H，刀杆上部放置的金属颗粒的粒径为0.095～0.013H，包覆的聚合物厚度为0.2～0.4mm，刀杆下部放置的金属颗粒的粒径为0.058～0.071H，包覆的聚合物厚度为0.2～0.3mm；若刀杆截面为圆形，直径为R，刀杆上部放置的金属颗粒的粒径为0.092～0.014R，包覆的聚合物厚度为0.2～0.4mm，刀杆下部放置的金属颗粒的粒径为0.055～0.069R，包覆的聚合物厚度为0.2～0.3mm。

7.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆，其特征在于所述耦合耗能板为表面设有m×n凹槽阵列的金属板，在刀杆内部加工出安装耦合耗能板的固定槽。

8.如权利要求1或7所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆，其特征在于所述耦合耗能板设有3～7层。

9.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆，其特征在于所述耦合耗能板的凹槽直径d₁为0.91～0.95d，d为表面低恢复系数颗粒的直径，凹槽深度h₁为0.19～0.24d，凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒距耦合耗能板表面的深度h₂为0.075～0.083d。

10.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能刀杆，其特征在于相邻表面低恢复系数颗粒之间保留间隙δ，间隙δ可为0.14～0.19d。