CN105817680A - 具有可调谐无源吸振器组件的工具夹持器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工具夹持器，所述工具夹持器包括切削工具，所述切削工具安装到在所述工具夹持器的第一末端处附接到套环的头部。柄位于所述工具夹持器的相对第二末端处。中心空腔从所述第一末端朝向所述柄向内延伸。无源吸振器组件设置在所述中心空腔内。所述无源吸振器组件包括吸振器主体和附接到所述吸振器主体的吸振器盖。所述吸振器主体具有第一末端、与所述第一末端相对的第二末端，以及形成于所述第二末端中的一个或多个空腔。所述吸振器主体中的所述一个或多个空腔部分地或全部地填充有金属或陶瓷的颗粒或粉末以提供用于抑制所述工具夹持器的振动的颗粒阻尼。

Description

具有可调谐无源吸振器组件的工具夹持器
技术领域
一般来讲，本发明涉及工具夹持器，并且更具体地讲，涉及诸如钻杆之类的工具夹持器，该工具夹持器具有可调谐无源吸振器组件，该可调谐无源吸振器组件带有用于无源振动抑制的颗粒阻尼。
背景技术
在金属切削操作过程中，工具夹持器与工件之间的任何振动运动均可导致不期望的切削性能，诸如较差的工件表面光洁度和超过公差范围的已加工工件。此外，此类振动可能使工具夹持器或机械工具被损坏。
为了减少这些振动，可降低金属移除速率。然而，该方法妨碍生产而且仅仅最小程度地减少振动的量。
尝试消除工具夹持器中的振动还可包括使用由实质碳化物制成的钻杆。实质碳化物由于其固有高密度而减少转移到钻杆的颤动和振动的量。然而，实质碳化物极其昂贵。此外，虽然实质碳化物杆固有的高密度减少了颤动和振动，但是振动仍可累积到不可接受的水平。再者，实质碳化物相当脆，并且在使用或安装期间对钻杆的很小冲击都可能不小心损坏钻杆。
进一步尝试减少钻杆中的振动包括在杆上或杆内安装动力吸振器，诸如美国专利No.3,774,730中公开的吸振器，该吸振器由支撑在橡胶衬套上高密度材料的圆柱形质量块构成。经过调优后，质量块响应于钻杆中产生的振动而振荡，以消减振动。可对吸振器进行调谐，以使钻杆适应工件或钻杆以其旋转的速度、钻杆的长度以及连接在杆末端处的切削工具的类型。通过以下方式进行此类调整：纵向推动圆柱形质量块相对末端处的压力板，从而抵靠质量块压缩橡胶衬套，这同时偏移质量块的位置并改变橡胶衬套的刚度，以更改圆柱形质量块的动力。
然而，即使这样的设计可用，每次在不同条件下使用钻杆时，也必须使用精密设备对该钻杆进行调谐，所述精密设备可或者不可用于车间地面上。
发明内容
抑制工具夹持器中的振动的问题是要在无源吸振器组件的一个或多个空腔内提供较小尺寸的金属或陶瓷的颗粒或粉末，所述无源吸振器组件带有用于无源振动抑制的颗粒阻尼。
在本发明的一个方面，工具夹持器包括切削工具，所述切削工具安装到在工具夹持器的第一末端处附接到套环的头部。柄位于工具夹持器的相对第二末端处。中心空腔从第一末端朝向柄向内延伸。无源吸振器组件设置在中心空腔内。无源吸振器组件包括吸振器主体和附接到吸振器主体的吸振器盖。吸振器主体具有第一末端、与第一末端相对的第二末端，以及形成于第二末端中的多个空腔。吸振器主体的多个空腔部分地或全部地填充有金属或陶瓷的颗粒或粉末以便提供用于工具夹持器的振动抑制的颗粒阻尼。
附图说明
虽然示出了本发明的多个实施例，但是示出的具体实施例不应被解释为限制权利要求。预期可以在不脱离本发明范围的情况下进行各种变化和修改。
图1为根据本发明实施例的具有无源吸振器组件的工具夹持器的端视图；
图2为沿图1的线2-2截取的具有无源吸振器组件的工具夹持器的剖视图；
图3为根据本发明实施例的无源吸振器组件的吸振器主体的端视图；
图4为沿图3的线4-4截取的无源吸振器组件的吸振器主体的剖视图；
图5为根据本发明实施例的无源吸振器组件的吸振器盖的端视图；以及
图6为沿图5的线6-6截取的无源吸振器组件的吸振器盖的剖视图。
具体实施方式
现在参见图1和图2，示出了根据本发明的实施例的工具夹持器10，诸如钻杆。虽然本发明涉及用于在工件中钻出深孔的钻杆10，但本发明的原理可应用于在切削工件时产生振动的任何工具夹持器。
切削工具，诸如切削工具12，诸如切削刀片，可以常规方式安装到头部14，该头部在钻杆10的一个末端18处附接到套环16。柄20位于钻杆10的相对末端22处。钻杆10具有从末端18朝向柄20向内延伸的中心空腔24。在图示实施例中，钻杆10包括冷却剂管组件26，该冷却剂管组件沿着钻杆10的中心纵向轴线28延伸以用于在切削刀片12附近提供冷却剂。应当理解，冷却剂管组件26是任选的并且可以省去。例如，冷却剂管可替换为螺纹螺柱或具有螺纹末端的实心螺柱。
在金属加工操作中使用钻杆10将产生行进穿过钻杆10的振动，从而影响切削过程的稳定性。为此，钻杆10设置有根据本发明实施例的通常以30示出的无源吸振器组件，该无源吸振器组件将阻尼行进穿过钻杆10的振动。无源吸振器组件30包括大致圆柱形的吸振器主体32和附接到吸振器主体32的吸振器盖34。在图示实施例中，吸振器盖34螺纹连接到吸振器主体32上。然而，应当理解，吸振器盖34可使用本领域所熟知的任何方式(诸如胶合、钎焊等)附接到吸振器主体32。
现在参见图3和图4，吸振器主体32具有第一末端36、与第一末端36相对的第二末端38，以及形成于第二末端38中的一个或多个圆柱形空腔40。一个或多个空腔40呈盲孔的形式，所述盲孔不会完全从第二末端38延伸到第一末端36。例如，在图示实施例中，吸振器主体32的长度为约3.45英寸(87.63mm)并且空腔40的长度为约3.10英寸(78.74mm)。
在图示实施例中，吸振器主体32总共具有八(8)个空腔40，所述空腔围绕第二末端38等距且周向地间隔开。然而，应当理解，本发明并不受空腔40的数目的限制，并且可利用任何所需数目的空腔40来实施本发明。例如，可利用形成环形空腔的单个空腔40来实施本发明。第一末端36包括用于支撑第一弹性支撑件44(诸如O形环等)的周向V形凹口42(图2)。
在本发明的一个方面，吸振器主体32的多个空腔40部分地或全部地填充有较小尺寸的金属或陶瓷的颗粒或粉末62(图2)以形成用于工具夹持器10的无源振动抑制的吸振器质量块。一般来讲，颗粒或粉末62的直径小于每个空腔40直径的1/5。例如，每个空腔40的直径可为约0.25英寸(6.35mm)，而颗粒62的直径可在约0.05mm至约5.00mm之间的范围内。在该尺寸范围内，颗粒62被认为是非粘性的，并且被认为是球形的且直径均匀。在另一个例子中，陶瓷粉末62的直径可在约0.5微米至约50微米的范围内。
在一个实施例中，颗粒或粉末62的体积在约0.000524mm3(对于直径为约0.05mm的颗粒或粉末62)至约65.45mm3(对于直径为约5.00mm的颗粒或粉末62)的范围内。在图示实施例中，每个空腔40的长度为约78.74mm并且直径为约6.35mm，因此体积为约2495mm3。因此，每个空腔40容纳非常大数量的颗粒或粉末62。例如，每个空腔40可容纳直径为约5.00mm的一千或更多个颗粒或粉末62。在另一个例子中，每个空腔40可容纳直径为约0.05mm的一百万或更多个颗粒或粉末62。
在一个实施例中，将高密度的金属颗粒(诸如铅、碳化钨钴等)设置在无源吸振器组件30的每个空腔40内。与粘弹性材料相比，颗粒阻尼着重于碰撞、摩擦和剪切阻尼的组合的能量耗散，所述粘弹性材料耗散储存的弹性能量。颗粒阻尼涉及通过移动颗粒和振动壁之间的动量交换、摩擦、冲击恢复，以及剪切变形的能量吸收和耗散的潜能。颗粒阻尼由于其概念简单、在宽频率范围内的潜在有效性、温度和劣化不敏感性，以及非常低的成本而成为其他形式无源阻尼的有吸引力的替代。
颗粒阻尼为单质量块冲击阻尼器的衍生物，多年以来已对所述单质量块冲击阻尼器进行了全面研究。在单质量块的情况下，直接分析存在并且显示基于系统响应减少的最佳效率的设计标准。通过实验观察到，填充有铅弹的塑料“豆袋”表现出比质量相等的单个铅块更大的阻尼效力和“更软的”冲击。使用颗粒状材料代替单个质量块的另外的益处包括消除了过度的噪声和对于空腔内壁的潜在损害。
现在参见图5和图6，吸振器盖34具有第一末端46以及与第一末端46相对的第二末端48。第一末端46使用本领域所熟知的方式(诸如胶合、硬钎焊等)附接到吸振器主体32的第二末端38。类似于吸振器主体32的第一末端36，吸振器盖34的第二末端48具有用于容纳第二弹性支撑件52(图2)(诸如O形环等)的周向V形凹口50。
返回参见图2，无源吸振器组件30可通过定位在吸振器主体32的第一末端36近侧的调节楔54来调谐。类似于吸振器主体32和吸振器盖34，调节楔54具有用于容纳第一弹性支撑件44的周向V形凹口56。类似地，套环16具有用于容纳在吸振器盖34的第二末端48近侧的第二弹性支撑件52的周向V形凹口58。因此，当无源吸振器组件30安装在工具夹持器10的中心空腔24内时，第一弹性支撑件44和第二弹性支撑件52使得无源吸振器组件30以较小距离60悬浮在工具夹持器10的中心空腔24内。
调节楔54可在中心空腔24内在轴向方向上沿着工具夹持器10的中心纵向轴线28移动，从而选择性地调节抵靠第一弹性支撑件44和第二弹性支撑件52施加的压力的量，以将无源吸振器组件30调谐到所需频率。调节楔54螺纹连接到冷却剂管组件26上。为调谐所讨论的钻杆10，在过去必需监控钻杆10的振动并且拧紧或松开调节楔54，从而调节弹性体支撑件44、52对无源吸振器组件30施加的压力。然而，该方法变得麻烦，并且在本发明的钻杆10中，可以预先定义弹性体支撑件44、52对无源吸振器组件30所需施加的压缩量以在不同工具状态下使振动最小化(即，使振动抑制最大化)。以这种方式，机器操作者可仅调节弹性体支撑件44、52的压缩以通过以下方式来预先定义用于调谐的电平：选择性地调节由调节楔54抵靠弹性支撑件44、52施加的压力的量，以及然后将锁紧螺母64螺纹连接以防止调节楔54沿着中心纵向轴线28的轴向移动。
如上所述，工具夹持器10(诸如钻杆)包括使用用于振动抑制的颗粒阻尼的无源吸振器组件30。无源吸振器组件30可通过以下方式来调谐：将调节楔54沿着工具夹持器10的中心纵向轴线28选择性地定位，使得所需的力抵靠弹性支撑件44、52施加。与使用实心吸振器质量块的常规阻尼方法相比，由工具夹持器产生的用于振动抑制的颗粒阻尼的方法提供优异的阻尼能力。
本文所提到的专利和出版物据此以引用方式并入。
目前已经描述了优选的实施例，可以在所附权利要求的范围内以其他方式体现本发明。

Claims (9)

1.一种工具夹持器，所述工具夹持器包括：
切削工具，所述切削工具安装到在所述工具夹持器的第一末端处附接到套环的头部；
柄，所述柄位于所述工具夹持器的相对第二末端处；
中心空腔，所述中心空腔从所述第一末端朝向所述柄向内延伸；以及
无源吸振器组件，所述无源吸振器组件设置在所述中心空腔内，所述无源吸振器组件包括吸振器主体和附接到所述吸振器主体的吸振器盖，所述吸振器主体具有第一末端、与所述第一末端相对的第二末端，以及形成于所述第二末端中的一个或多个空腔，
其中所述吸振器主体中的所述一个或多个空腔部分地或全部地填充有金属或陶瓷的颗粒或粉末以提供用于抑制所述工具夹持器的振动的颗粒阻尼。
2.根据权利要求1所述的工具夹持器，其中所述吸振器主体具有多个空腔，所述空腔围绕所述第二末端等距且周向地间隔开。
3.根据权利要求2所述的工具夹持器，其中所述多个空腔呈盲孔的形式。
4.根据权利要求1所述的工具夹持器，其中所述颗粒或粉末的直径小于每个空腔直径的1/5。
5.根据权利要求1所述的工具夹持器，其中所述吸振器盖具有第一末端，以及与所述第一末端相对的第二末端，其中所述第一末端附接到所述吸振器主体的所述第二末端。
6.根据权利要求5所述的工具夹持器，其中所述吸振器主体的所述第一末端具有用于容纳第一弹性支撑件的周向V形凹口，并且其中所述吸振器盖的所述第二末端具有用于容纳第二弹性支撑件的周向V形凹口。
7.根据权利要求6所述的工具夹持器，还包括调节楔，所述调节楔可在所述中心空腔内在轴向方向上沿着所述工具夹持器的中心纵向轴线移动，以选择性地调节抵靠所述第一弹性支撑件和所述第二弹性支撑件施加的压力的量，从而将所述无源吸振器组件调谐到所需频率。
8.根据权利要求7所述的工具夹持器，还包括锁紧螺母以防止所述调节楔沿着所述中心纵向轴线的轴向移动。
9.根据权利要求1所述的工具夹持器，其中所述工具夹持器包括钻杆。
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