CN105240443A - 基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，由固定磁极组件和振动磁极组件组成，固定磁极组件中的端盖与箱体之间固定连接，两个固定磁极板分别与端盖和箱体内侧的圆柱孔过盈配合连接，振动磁极组件中的芯轴与自制车刀经莫氏圆锥配合连接，端盖和箱体间的空间内注入磁流变液，两圆盘状铁芯置于端盖和箱体间的空间内，并与芯轴过盈配合连接，圆盘状铁芯外圆的骨架上缠绕有励磁线圈。利用磁流变液在外加磁场下响应快、液固转化时能够提供不同阻尼力的特性，实现对车床刀架系统动力参数（阻尼、刚度等）的在线连续实时调控，该减振装置安装在车床溜板箱上，调整方便，能够有效的抑制外圆车削中的颤振。

Description

基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置

技术领域

本发明涉及一种车削加工过程中的减振装置，尤其是一种基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置。

背景技术

尽管金属切削技术有了许多的进步，但加工精度和加工效率仍然受困于切削过程的不稳定现象，即通常所说的颤振。为保证必要的零件加工质量，有时不得不降低切削用量，致使机床和刀具的切削性能得不到充分发挥，严重地限制了切削效率和零件加工质量的提高。目前,随着CNC机床、加工中心和高速切削等高效、高精设备和技术的日益普及,发展切削颤振的控制技术已变得越来越迫切。

有关切削颤振控制技术的研究,国内外学者已经开展了大量的工作。归纳起来，主要的控制方法包括被动、主动和半主动控制三种。其中，被动控制是通过离线增加切削系统刚度、阻尼或者附加被动动力吸振器吸收振动能量来抑制颤振的方法。主动控制是指在振动控制过程中，根据传感器检测到的振动信号，基于一定的控制策略，经过实时计算，通过驱动作动器对控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。半主动控制是一种振动系统的参数控制技术，其所需外部能源少，控制过程依赖于结构反应和外部信号，可获得较好的控制效果。半主动控制综合了主动控制与被动控制的优点，更加经济，可靠，所需的维护成本更低。近年来，随着压电陶瓷、形状记忆合金、电流变液、磁流变液等智能材料的蓬勃发展，一些学者把它们引入到振动控制的方法中来，并取得了很好的效果。

然而，切削过程中的颤振发展得非常迅速，从稳定切削到颤振的过渡时间一般小于800ms，要想在如此短的时间内主动地使切削系统机械结构动态特性发生一定程度的改变是非常困难的，主要原因在于控制系统总的响应时间包括传感器信号传输、控制系统信号处理以及机械结构对控制信号的响应时间三部分，只有当总响应时间小于颤振的过渡时间时，才能对颤振实施有效的控制。而响应快、阻尼或刚度变化显著的材料可显著缩短机械结构对控制信号的响应时间，从而成为有效的控制执行介质，磁流变液在众多的智能材料中更能适应上述要求。它在外加磁场的作用下可在瞬间（毫秒级）使其粘度、塑性等流变特性发生急剧的变化，从自由流动的液体转变为类固体，呈现可控的屈服强度，而且这种变化是可逆的。在磁流变液的应用器件中,大多数都是基于剪切模式设计的,但磁流变液的剪切屈服应力一直徘徊在100kPa以下,这大大限制了其工程应用，而在同样的外场作用下,挤压模式的减振器与剪切模式相比可以获得更高的屈服应力和更小的体积，因此近年来人们逐渐开始将研究重点转向磁流变液的挤压模式上。Laun等人对在强磁场(1T)下磁流变液的挤压特性进行了实验研究,得到磁流变液的抗压力与磁感应强度成正比。浙江师范大学的王鸿云等人对磁流变液在不同磁场作用下的挤压力学性能进行了研究，挤压实验表明，磁感应强度的增大会使挤压应力和压缩弹性模量增强。浙江大学研制了一种磁流变智能镗杆,它通过改变镗杆中的磁场强度来改变整个镗杆的动态特性，经试验该装置可在一定程度上抑制镗削颤振，该装置的工作原理属于剪切-挤压混合模式，结构较复杂，不便于加工过程中的调整。哈尔滨工业大学的李明章等人在常规的磁流变液中添加泡沫金属，研制了筒体结构泡沫金属阻尼器，这种磁流体——泡沫金属阻尼器可适用于高、低频振动的控制，但其缺点是所能提供的可控阻尼力较常规磁流变阻尼器要小，一般用于电机基座的振动控制，能否用于切削加工颤振的控制还有待进一步研究。

综上所述，本发明在磁流变液挤压工作模式的基础上，针对轴类零件外圆车削加工工况，研制了一种磁流变车削颤振减振装置，该装置能够有效的抑制外圆车削中的颤振，对于提高零件的加工质量和生产效率、延长刀具使用寿命具有一定的应用价值。

发明内容

本发明的主要目的是为解决长径比大的轴类零件在进行外圆车削时发生的切削颤振问题，而提供的一种基于挤压工作模式的半主动控制车削颤振磁流变减振装置。利用磁流变液在外加磁场下响应快、液固转化时能够提供不同阻尼力的特性，实现对车床刀架系统动力参数（阻尼、刚度等）的在线连续实时调控。该减振装置安装在车床溜板箱上，调整方便，能够有效的抑制外圆车削中的颤振。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，由与车床溜板箱固定连接的固定磁极组件和与自制车刀过盈连接的振动磁极组件组成，所述固定磁极组件包括端盖、箱体、固定磁极板，端盖与箱体之间固定连接，并且中间具有放置固定磁极组件和振动磁极组件的空间，两个固定磁极板分别与端盖和箱体内侧的圆柱孔过盈配合连接，所述振动磁极组件包括两个圆盘状铁芯、骨架、芯轴、自制车刀，芯轴前端通过莫氏圆锥与自制车刀配合连接，自制车刀固定在方刀架上,端盖和箱体的空间内注入磁流变液，两圆盘状铁芯置于端盖和箱体之间的空间内，并与芯轴过盈配合连接，圆盘状铁芯外圆的骨架上缠绕有励磁线圈。

当改变背吃刀量时，所述箱体通过外六角螺钉与方刀架连接，使整个装置在调整过程中能同步移动，以保证磁极间隙的不变；当调刀结束后，所述固定磁极组件与方刀架分离，由移动压板压在箱体的凸缘上将固定磁极组件固定在溜板箱上，使固定磁极板在切削振动中不随刀具一起振动。

所述箱体的底面加工出与溜板箱上导轨相匹配的燕尾槽，用于在改变背吃刀量时，为箱体沿溜板箱的移动导向，保证固定磁极组件在溜板箱上更加平稳、顺利地移动。

所述圆盘状铁芯和固定磁极板均为圆环形，端盖与箱体为长方体，固定磁极板与端盖和箱体上的孔过盈配合，并与圆盘状铁芯形成一对磁极间隙，箱体上部加工出圆柱形孔，用于注入磁流变液和测量磁极间隙。

所述圆盘状铁芯、固定磁极板均为软铁磁性材料，所述端盖、箱体、芯轴均为非导磁材料。

所述固定磁极组件通过移动压板和支撑钉与溜板箱固定连接，其中，支撑钉的高度可以微调，用于确保固定磁极组件能够被可靠地压紧在溜板箱上。

所述芯轴尾部位置安装加速度传感器，用于对外圆车削过程中产生的切削颤振信号进行有效监测。

所述固定磁极组件通过箱体的连接座耳结构与方刀架连接，使固定磁极组件在调整背吃刀量时，可在方刀架的带动下，随振动磁极组件一起在横向进给方向同步移动。

本发明具有的有益之处在于：

1、本发明提供了一种基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置。该装置利用磁流变液在外加磁场作用下响应快、液固之间转化时能够提供不同阻尼力的特性，根据系统采集的数据，实现对车床刀架动力参数（阻尼、刚度等）的在线实时调控。

2、本发明利用磁流变液的挤压工作模式，在相同磁感应强度下能够产生更大的屈服强度，从而可以更有效的抑制车削中的颤振。

3、本发明所采用的芯轴、端盖、箱体均为非导磁材料制造，减少了漏磁现象的发生，保证装置内部的磁场能够形成较大的磁通，提高了磁流变液的工作效率。

4、本发明通过箱体上的连接座耳结构，使固定磁极组件在调整背吃刀量时，可在方刀架的带动下，随振动磁极组件一起在横向进给方向同步移动，既保证了磁极工作间隙恒定不变，又便于车刀的调整。

5、本发明通过箱体底部的燕尾槽结构导向，有利于固定磁极组件在方刀架的带动下沿溜板箱上的导轨顺利移动。

6、本发明利用莫氏圆锥实现自制车刀与芯轴的紧固连接，保证了两者的对中性。

7、本发明中移动压板左侧支撑钉高度可微调，确保移动压板能够更稳定的压紧固定磁极组件。

附图说明

图1是基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置结构主剖视图；

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，一种基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，由与溜板箱19固定连接的固定磁极组件和与自制车刀18固定连接的振动磁极组件两大部分组成。它包括六角头螺钉1、支撑板2、支撑钉3、移动压板4、螺母5、双头螺柱6、芯轴7、定位轴套8、圆盘状铁芯9、骨架10、励磁线圈11、端盖12、橡胶塞13、箱体14、固定磁极板15、定位元件16、自制车刀18、外六角螺钉20、内六角螺钉21。圆盘状铁芯9、固定磁极板15均为软铁磁性材料，端盖12、箱体14、芯轴7均为非导磁材料。

振动磁极组件包括两个圆盘状铁芯9、定位轴套8、骨架10、芯轴7和自制车刀18。两圆盘状铁芯9通过过盈配合装在芯轴7上，其中右侧圆盘状铁芯以芯轴7轴肩A面定位，而左侧圆盘状铁芯则由定位轴套8实现轴向定位。两个圆盘状铁芯9外圆的骨架10上缠绕有励磁线圈11，芯轴7通过莫氏圆锥与自制车刀18实现配合连接，自制车刀18固定在方刀架17上。芯轴7尾部位置安装加速度传感器，用于对外圆车削过程中产生的切削颤振信号进行有效监测。

固定磁极组件主要是由端盖12、箱体14、2个固定磁极板15等组成，端盖12通过其上的圆柱凸台和端面与箱体14定位，并由内六角螺钉21固定连接。端盖12与箱体14间具有放置固定磁极组件和振动磁极组件的空间，磁流变液亦注入该空间。两个固定磁极板15分别与端盖12和箱体14内侧的圆柱孔过盈配合连接并与两个圆盘状铁芯9形成两对磁极。

图1中励磁线圈11周围的封闭回线上的箭头表示的是圆盘状铁芯9与固定磁极板15形成的磁极间隙处磁力线的走向，磁流变液在该磁场下将形成垂直于圆盘状铁芯9和固定磁极板15端面的链柱状结构，自制车刀18的轴向振动将带动圆盘状铁芯9挤压该链柱状结构，故本发明涉及的车削颤振磁流变减振装置是在磁流变液的挤压模式下工作的。

为了方便调整背吃刀量和磁极间隙以简化车削操作，本发明在改变背吃刀量时，首先将移动压板4上面的螺母5松开，再拧紧外六角螺钉20，使固定磁极组件通过箱体14的连接座耳结构与方刀架17连接。由此，在调刀的过程中，方刀架17既通过自制车刀18带动振动磁极组件移动，同时固定磁极组件在箱体14连接座耳的作用下也将随方刀架17同步移动，这样使固定磁极板15与圆盘状铁芯9之间的工作间隙始终保持在1.5±0.1mm的设计范围内，节省了磁极间隙的调整时间，便于切削加工。

为保证固定磁极组件能顺利地与方刀架17同步移动，在箱体14的底部加工出导向用的燕尾槽与溜板箱19上的导轨相匹配。调刀结束以后，松开外六角螺钉20，使固定磁极组件与方刀架17分离，避免固定磁极组件在切削振动发生时随自制车刀18及振动磁极组件一起振动。由于移动压板4上加工有长条形的孔和槽，此时可将移动压板4在长度方向上的位置进行调整，确保足够的夹紧力作用面后，拧紧移动压板4上面的螺母5压紧箱体的凸缘，使固定磁极组件稳定可靠地固定在溜板箱19上。

本发明由移动压板夹紧机构将固定磁极组件紧固在车床溜板箱19上。夹紧机构包括支撑板2、支撑钉3、移动压板4、螺母5和双头螺柱6等。支撑板2由六角头螺钉1固定在溜板箱19的侧面，在支撑板2上部安装有支撑钉3，支撑钉3可以微调其支撑高度，确保移动压板4能够更可靠地压紧固定磁极组件。移动压板4的右端压在箱体的凸缘上，通过拧紧双头螺柱6上的螺母5，可以使移动压板4克服弹簧力向下移动，将固定磁极组件压紧在溜板箱19上。

本发明的装配顺序依次为：首先将固定磁极板15分别与端盖12和箱体14以过盈配合连接，将箱体14通过底部燕尾槽导轨装在溜板箱19上，然后将芯轴7穿入箱体孔中，在圆盘状铁芯9的骨架10上缠绕好励磁线圈11后，将右侧的圆盘状铁芯9在轴向以芯轴7的轴肩A面定位、径向与芯轴7过盈配合连接在芯轴7上，接着，按间隙配合和过盈配合依次装入定位轴套8和左侧的圆盘状铁芯9，通过莫氏圆锥将芯轴7与自制车刀18连接，从而完成振动磁极组件的装配。下一步，将端盖12通过圆柱凸台和端面C定位装入箱体14中，并用内六角螺钉21将两者紧固。当背吃刀量和磁极间隙调整好后，用移动压板夹紧机构将箱体14固定在溜板箱19上。

为保证固定磁极板15与圆盘状铁芯9之间的间隙均在1.5±0.1mm的设计范围内，本发明采取如下措施：在装配环节中，振动磁极组件以芯轴7上的轴肩A面为轴向基准，按上述装配顺序依次装好各零件后，在芯轴7上安装定位元件16，然后以定位元件16的左端面为轴向安装基准，定位箱体14的右端面和芯轴7上的轴肩B面，使两基准面重合。在压紧固定磁极组件，完成最终的装配后，将定位元件16卸下。此外，在零件加工精度的设计中，对各相关零件尺寸公差、几何公差及尺寸链进行的精确设计和求解计算，都是保证该磁流变减振装置中重要的性能参数——磁极间隙1.5±0.1mm符合设计要求的主要措施。

本发明中，箱体14上部开有圆柱形孔，可在安装时用于磁极间隙的调整和测量，并可通过此孔注入磁流变液，安装完成后用橡胶塞13密封此孔，励磁线圈11的导线可通过橡胶塞13上的小孔引出。

本发明是基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，其工作原理为：磁流变液的磁极工作间隙位于圆盘状铁芯9和固定磁极板15之间的轴向间隙内。在外圆车削加工的过程中，自制车刀18的振动会通过芯轴7直接传递给圆盘状铁芯9，使圆盘状铁芯9随自制车刀18同步振动，而固定磁极组件则在移动压板夹紧机构的作用下固定在车床溜板箱19上，因此，固定在其上的固定磁极板15也被看作是固定不动的。由此，在车削振动过程中，固定磁极板15与圆盘状铁芯9之间就产生了轴向的相对往复运动，这种运动挤压磁极间隙处沿图1所示箭头方向形成的链柱状磁流变液，从而产生磁流变效应。根据切削颤振信号处理结果，通过调节圆盘状铁芯9上励磁线圈11中电流的大小，改变成链柱状磁流变液的挤压屈服强度，使该装置的阻尼、刚度等动态特性参数发生改变，进而达到车削减振的目的。

Claims (8)

1.一种基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，由与车床溜板箱(19)固定连接的固定磁极组件和与自制车刀(18)过盈连接的振动磁极组件组成，其特征在于：所述固定磁极组件包括端盖(12)、箱体(14)、固定磁极板(15)，端盖(12)与箱体(14)之间固定连接，并且中间具有放置固定磁极组件和振动磁极组件的空间，两个固定磁极板(15)分别与端盖(12)和箱体(14)内侧的圆柱孔过盈配合连接，所述振动磁极组件包括两个圆盘状铁芯(9)、骨架(10)、芯轴(7)、自制车刀(18)，芯轴(7)前端通过莫氏圆锥与自制车刀(18)配合连接，自制车刀(18)固定在方刀架(17)上，端盖(12)和箱体(14)的空间内注入磁流变液，两圆盘状铁芯(9)置于端盖(12)和箱体(14)之间的空间内，并与芯轴(7)过盈配合连接，圆盘状铁芯(9)外圆的骨架(10)上缠绕有励磁线圈(11)。

2.根据权利要求1所述的基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，其特征在于：当改变背吃刀量时，所述箱体(14)通过外六角螺钉(20)与方刀架(17)连接，使整个装置在调整过程中能同步移动，以保证磁极间隙的不变；当调刀结束后，所述固定磁极组件与方刀架(17)分离，由移动压板（4）压在箱体(14)的凸缘上将固定磁极组件固定在溜板箱(19)上，使固定磁极板(15)在切削振动中不随刀具一起振动。

3.根据权利要求1所述的基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，其特征在于：所述箱体(14)的底面加工出与溜板箱(19)上导轨相匹配的燕尾槽，用于在改变背吃刀量时，为箱体(14)在沿溜板箱(19)上移动导向，保证固定磁极组件在溜板箱(19)上更加平稳、顺利地移动。

4.根据权利要求1所述的基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，其特征在于：所述圆盘状铁芯（9）和固定磁极板(15)均为圆环形，端盖(12)与箱体(14)为长方体，固定磁极板(15)与端盖(12)和箱体(14)上的孔过盈配合，并与圆盘状铁芯(9)形成一对磁极间隙，箱体(14)上部加工出圆柱形孔，用于注入磁流变液和测量磁极间隙。

5.根据权利要求1所述的基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，其特征在于：所述圆盘状铁芯(9)、固定磁极板(15)均为软铁磁性材料，所述端盖(12)、箱体(14)、芯轴（7）均为非导磁材料。

6.根据权利要求1所述的基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，其特征在于：所述固定磁极组件通过移动压板(4)和支撑钉(3)与溜板箱(19)固定连接，其中，支撑钉(3)的高度可以微调，用于确保固定磁极组件能够被可靠地压紧在溜板箱(19)上。

7.根据权利要求1所述的基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，其特征在于：所述芯轴(7)尾部位置安装加速度传感器，用于对外圆车削过程中产生的切削颤振信号进行有效监测。

8.根据权利要求1所述的基于挤压工作模式的半主动车削颤振磁流变减振装置，其特征在于：所述固定磁极组件通过箱体（14）的连接座耳结构与方刀架（17）连接，使固定磁极组件在调整背吃刀量时，可在方刀架（17）的带动下，随振动磁极组件一起在横向进给方向同步移动。