CN106270590B - 一种被动式减振镗杆及其最优减振性能调节方法 - Google Patents
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Abstract
一种被动式减振镗杆及其最优减振性能调节方法，属于机加领域，解决了现有智能减振镗杆的调试步骤繁琐的问题。本发明所述镗杆：在该镗杆的内部从前至后依次设置有质量块、伸缩式悬臂梁和滑块，伸缩式悬臂梁的两端分别与质量块和滑块固定连接。质量块和伸缩式悬臂梁的悬伸部位于第一空腔内，并构成变刚度吸振器，该吸振器能够在第一空腔内做悬臂振动。滑块能够在镗杆的内部滑动，进而改变伸缩式悬臂梁的悬伸量。滑块与设置在所述镗杆后端的旋钮联动。本发明所述的方法：计算出当镗杆杆体振幅为零时，吸振器的等效刚度；通过旋钮调节悬伸量，进而使所述吸振器的等效刚度等于其在镗杆杆体振幅为零时的等效刚度。本发明适用于深孔镗削加工。
Description
技术领域
本发明涉及机加领域，具体地说，涉及一种被动式减振镗杆及其最优减振性能调节方法。
背景技术
深孔镗削加工一直以来都是机加领域中的一个难点，其难度在于，在深孔镗削加工的过程中，镗杆需要深入工件的内部。工件的孔深越长，镗杆的悬伸长度也越长，而镗杆的刚度会随悬伸长度的增加而降低，进而导致镗杆变形，并伴随有振动行为。镗杆的振动会影响深孔的加工精度及其内壁的光滑程度，严重时会导致工件不合格，甚至是报废。
现有的镗杆减振方式可分为被动减振和主动减振。
现有镗杆的被动减振方式主要分为以下几类：
一、通过调节切削参数对镗杆进行减振，比如采用小切深的方式进行镗削加工。这种减振方式多以牺牲效率为代价，不利于提高生产效率，经济性不好。
二、采用高弹性模量材料制作镗杆，进而提高镗杆的静刚度。这种方式具有一定的减振效果，但仅提高镗杆的静刚度并不能完全解决镗杆的振动问题。除此之外，采用高弹性模量材料制作的镗杆造价较高。
三、对镗杆的外形进行减振优化设计。这种方式具有一定的减振效果，但该方式不适用于大尺寸的镗杆。
四、通过在镗杆内部加装吸振器的方式对镗杆进行减振。这种方式具有一定的减振效果，但是该类镗杆的后期维护与维修比较麻烦，对加工参数也有一定要求，一旦加工参数选择不当，反而会加剧镗杆的振动。
五、采用智能减振镗杆。该智能减振镗杆具有一定的减振效果，并且对切削参数的适应性较强。但是其整体系统庞大，安装、调试、后期的维护与维修多有不便，运行成本高。
发明内容
本发明为解决现有智能减振镗杆的调试步骤繁琐的问题，提出了一种被动式减振镗杆及其最优减振性能调节方法。
本发明所述的一种被动式减振镗杆，在所述镗杆的前端设置有刀头1，所述刀头1用于装夹刀片2；
在所述镗杆的内部，从前至后依次设置有质量块3、伸缩式悬臂梁4和滑块5，所述伸缩式悬臂梁4的一端与质量块3固定连接，所述伸缩式悬臂梁4的另一端与滑块5固定连接；
所述质量块3与伸缩式悬臂梁4的悬伸部均位于第一空腔6内；
所述质量块3与所述悬伸部构成变刚度吸振器，所述变刚度吸振器能够在第一空腔6内做悬臂振动；
所述滑块5能够在镗杆的内部滑动，进而改变伸缩式悬臂梁4的悬伸量；
在所述镗杆的后端设置有旋钮7，所述旋钮7与滑块5联动。
优选的是，在所述镗杆的内部、靠近其后端的位置设置有第二空腔8，在所述第二空腔8的内部固定设置有滑座9，所述滑块5能够在滑座9内滑动。
进一步的是，在所述第一空腔6与第二空腔8之间设置有第三空腔10，三者的内部连通，所述第三空腔10的内径等于伸缩式悬臂梁4的直径。
进一步的是，在所述第一空腔6与第三空腔10之间还设置有第四空腔11，在所述第二空腔8与第三空腔10之间还设置有第五空腔12，五者的内部连通；
在第四空腔11和第五空腔12的内部分别设置有第一滑套13和第二滑套14，所述第一滑套13和第二滑套14均与伸缩式悬臂梁4滑动连接。
进一步的是，在所述滑座9的内壁上设置有第一滑道15和第二滑道16，在所述滑块5的表面上固定设置有第一凸缘17和和第二凸缘18；
所述第一凸缘17和第二凸缘18分别与第一滑道15和第二滑道16相匹配。
进一步的是，所述旋钮7通过螺纹杆19与滑块5联动；
所述螺纹杆19为中部突出的圆柱形结构，所述第二空腔8为圆柱形；
在所述旋钮7与螺纹杆19之间设置有后盖20，在后盖20的端面上设置有通孔；
所述滑块5的一端与伸缩式悬臂梁4的另一端螺纹连接，所述滑块5的另一端与螺纹杆19的一端螺纹连接；
所述螺纹杆19的另一端与所述通孔旋转副连接，并与旋钮7固定连接；
所述螺纹杆19的中部位于第二空腔8内，两者旋转副连接。
进一步的是，在所述后盖20的端面上设置有角刻度线22，在所述的旋钮7上设置有指针23。
本发明所述的最优减振性能调节方法基于所述被动式减振镗杆，所述方法包括以下步骤：
步骤一、在所述减振镗杆上安装加速度传感器，并将减振镗杆安装在镗床上；
在设置好转速、切深和进给量后，采用工件旋转、减振镗杆进给、多次走刀的加工方式对工件进行镗削加工；
步骤二、在第一次走刀的过程中，通过加速度传感器测量减振镗杆杆体的振动加速度a，并获得所述振动加速度a的变化曲线，根据所述振动加速度a的变化曲线计算出振动加速度a变化的频率f，根据振动加速度a变化的频率f计算出振动加速度a变化的角频率ω0；
步骤三、根据公式(1)计算出当所述减振镗杆的杆体振幅为零时，所述变刚度吸振器的等效刚度；
k2＝ω2m2 (1)
其中，k2为变刚度吸振器的等效刚度，ω为减振镗杆的杆体所受镗削力变化的角频率，m2为质量块3的质量；
所述减振镗杆的杆体所受镗削力变化的角频率ω等于所述振动加速度a变化的角频率ω0；
步骤四、通过旋钮7将伸缩式悬臂梁4的悬伸量归零；
通过旋钮7调节伸缩式悬臂梁4的悬伸量，进而使变刚度吸振器的等效刚度k2等于ω2m2；
所述伸缩式悬臂梁4的悬伸量与变刚度吸振器的等效刚度满足公式(2)：
其中，l1为伸缩式悬臂梁4的悬伸量，l2为当所述悬伸部处于悬伸状态时，质量块3的质心与第一空腔6的后端面的间距，E为伸缩式悬臂梁4的弹性模量，I为伸缩式悬臂梁4的惯性矩；
步骤五、调节好所述变刚度吸振器的等效刚度后，继续走刀，并最终完成对工件的镗削加工。
本发明所述的一种被动式减振镗杆，位于第一空腔内部的质量块和伸缩式悬臂梁的悬伸部构成变刚度吸振器。所述减振镗杆为二自由度系统，所述减振镗杆的杆体为主系统，所述变刚度吸振器为子系统。
本发明所述的最优减振性能调节方法，通过旋钮调节伸缩式悬臂梁的悬伸量，进而使所述变刚度吸振器的等效刚度等于其在镗杆杆体振幅为零时的等效刚度，从而实现对镗杆杆体的减振。
本发明所述的一种被动式减振镗杆结构简单，本发明所述的最优减振性能调节方法步骤简便，易于操作，能够解决现有智能减振镗杆的调试步骤繁琐的问题。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的一种被动式减振镗杆及其最优减振性能调节方法进行更详细的描述，其中：
图1是实施例提及的一种被动式减振镗杆的结构示意图；
图2是实施例提及的一种被动式减振镗杆的轴向剖面图；
图3是图2的A-A向剖面放大图；
图4是实施例提及的滑座的结构示意图，其中(a)为轴向剖面放大图，(b)为径向剖面放大图；
图5是实施例提及的滑块的结构示意图，其中(a)为轴向剖面放大图，(b)为(a)的A向端面放大图；
图6是实施例提及的螺纹杆的结构示意图，其中(a)正视放大图，(b)为(a)的B向视图；
图7是实施例提及的一种被动式减振镗杆的后端面放大图；
图8是实施例提及的一种被动式减振镗杆的杆体的轴向剖面图；
图9是实施例提及的变刚度吸振器的动力学模型示意图；
图10是实施例提及的变刚度吸振器的受力变形图；
图11是实施例提及的一种被动式减振镗杆的整体系统动力学模型示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的一种被动式减振镗杆及其最优减振性能调节方法作进一步说明。
实施例一：下面结合图1和图2详细地说明本实施例。本实施例所述的一种被动式减振镗杆，在所述镗杆的前端设置有刀头1，所述刀头1用于装夹刀片2；
在所述镗杆的内部，从前至后依次设置有质量块3、伸缩式悬臂梁4和滑块5，所述伸缩式悬臂梁4的一端与质量块3固定连接，所述伸缩式悬臂梁4的另一端与滑块5固定连接；
所述质量块3与伸缩式悬臂梁4的悬伸部均位于第一空腔6内；
所述质量块3与所述悬伸部构成变刚度吸振器，所述变刚度吸振器能够在第一空腔6内做悬臂振动；
所述滑块5能够在镗杆的内部滑动，进而改变伸缩式悬臂梁4的悬伸量；
在所述镗杆的后端设置有旋钮7，所述旋钮7与滑块5联动。
实施例二：下面结合图2、图3和图8详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的一种被动式减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种被动式减振镗杆，在所述镗杆的内部、靠近其后端的位置设置有第二空腔8，在所述第二空腔8的内部固定设置有滑座9，所述滑块5能够在滑座9内滑动。
本实施例所述的一种被动式减振镗杆，通过设置滑座，避免了滑块直接与减振镗杆滑动摩擦。
实施例三：下面结合图8详细地说明本实施例。本实施例是对实施例二所述的一种被动式减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种被动式减振镗杆，在所述第一空腔6与第二空腔8之间设置有第三空腔10，三者的内部连通，所述第三空腔10的内径等于伸缩式悬臂梁4的直径。
在本实施例中，伸缩式悬臂梁4能够在第三空腔10内滑动。
实施例四：下面结合图2和图8详细地说明本实施例。本实施例是对实施例三所述的一种被动式减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种被动式减振镗杆，在所述第一空腔6与第三空腔10之间还设置有第四空腔11，在所述第二空腔8与第三空腔10之间还设置有第五空腔12，五者的内部连通；
在第四空腔11和第五空腔12的内部分别设置有第一滑套13和第二滑套14，所述第一滑套13和第二滑套14均与伸缩式悬臂梁4滑动连接。
本实施例中，第一滑套13和第二滑套14均与伸缩式悬臂梁4滑动连接，位于第一滑套13和第二滑套14内部的悬臂梁分别与第一滑套13和第二滑套14滑动摩擦，起到了保护伸缩式悬臂梁4的作用。
实施例五：下面结合图4和图5详细地说明本实施例。本实施例是对实施例二所述的一种被动式减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种被动式减振镗杆，在所述滑座9的内壁上设置有第一滑道15和第二滑道16，在所述滑块5的表面上固定设置有第一凸缘17和和第二凸缘18；
所述第一凸缘17和第二凸缘18分别与第一滑道15和第二滑道16相匹配。
在本实施例中，设置在滑座9的内壁上的第一滑道15和第二滑道16分别与设置在滑块5的表面上的第一凸缘17和和第二凸缘18相匹配。凸缘能够在与之匹配的滑道内滑动，起到了定位和定向的作用。
实施例六：下面结合图2和图6详细地说明本实施例。本实施例是对实施例五所述的一种被动式减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种被动式减振镗杆，所述旋钮7通过螺纹杆19与滑块5联动；
所述螺纹杆19为中部突出的圆柱形结构，所述第二空腔8为圆柱形；
在所述旋钮7与螺纹杆19之间设置有后盖20，在后盖20的端面上设置有通孔；
所述滑块5的一端与伸缩式悬臂梁4的另一端螺纹连接，所述滑块5的另一端与螺纹杆19的一端螺纹连接；
所述螺纹杆19的另一端与所述通孔旋转副连接，并与旋钮7固定连接；
所述螺纹杆19的中部位于第二空腔8内，两者旋转副连接。
在本实施例中，通过旋钮7带动螺纹杆19旋转，螺纹杆19的旋转能够使滑块5在滑座9中前后移动，进而带动伸缩式悬臂梁4前后移动，从而实现对伸缩式悬臂梁4的悬伸量的调节，并最终实现对变刚度吸振器的等效刚度的调节。
实施例七：下面结合图7详细地说明本实施例。本实施例是对实施例六所述的一种被动式减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种被动式减振镗杆，在所述后盖20的端面上设置有角刻度线22，在所述的旋钮7上设置有指针23。
在本实施例中，后盖20的端面上设置有角刻度线22，旋钮7上设置有指针23，如此设计，能够更精确地调节所述悬伸量。
实施例八：下面结合图9至图11详细地说明本实施例。本实施例所述的最优减振性能调节方法基于实施例一所述的一种被动式减振镗杆实现。
本实施例所述的最优减振性能调节方法包括以下步骤：
步骤一、在所述减振镗杆上安装加速度传感器，并将减振镗杆安装在镗床上；
在设置好转速、切深和进给量后，采用工件旋转、减振镗杆进给、多次走刀的加工方式对工件进行镗削加工；
步骤二、在第一次走刀的过程中，通过加速度传感器测量减振镗杆杆体的振动加速度a，并获得所述振动加速度a的变化曲线，根据所述振动加速度a的变化曲线计算出振动加速度a变化的频率f，根据振动加速度a变化的频率f计算出振动加速度a变化的角频率ω0；
步骤三、根据公式(1)计算出当所述减振镗杆的杆体振幅为零时，所述变刚度吸振器的等效刚度；
k2＝ω2m2 (1)
其中，k2为变刚度吸振器的等效刚度，ω为减振镗杆的杆体所受镗削力变化的角频率，m2为质量块3的质量；
所述减振镗杆的杆体所受镗削力变化的角频率ω等于所述振动加速度a变化的角频率ω0；
步骤四、通过旋钮7将伸缩式悬臂梁4的悬伸量归零；
通过旋钮7调节伸缩式悬臂梁4的悬伸量，进而使变刚度吸振器的等效刚度k2等于ω2m2；
所述伸缩式悬臂梁4的悬伸量与变刚度吸振器的等效刚度满足公式(2)：
其中，l1为伸缩式悬臂梁4的悬伸量，l2为当所述悬伸部处于悬伸状态时，质量块3的质心与第一空腔6的后端面的间距，E为伸缩式悬臂梁4的弹性模量，I为伸缩式悬臂梁4的惯性矩；
步骤五、调节好所述变刚度吸振器的等效刚度后，继续走刀，并最终完成对工件的镗削加工。
图9为变刚度吸振器的动力学模型示意图，其中，l3为质量块的长度。
所述变刚度吸振器的动力学模型可等效为质量—弹簧系统。由于所述伸缩式悬臂梁的阻尼极小，为了方便建模，此处忽略了伸缩式悬臂梁本身的阻尼属性。
图10为变刚度吸振器的受力变形图。
假设在所述质量块质心O处施加作用力F，所述变刚度吸振器受力变形，将作用力F平移到S点，作用力F引起的变形可等效于在S点施加作用力F和附加力矩MS，则所述变刚度吸振器的等效刚度k2可由以下计算获得：
在作用力F和附加力矩MS的共同作用下，所述变刚度吸振器在S点产生位移δS及转角θ，其中，
MS＝F(l2-l1) (3)
δS＝δSM+δSF (4)
θ＝θSM+θSF (5)
在公式(4)和公式(5)中，其中，δSM为S点在附加力矩MS作用下的位移，δSF为S点在作用力F作用下的位移。θSM为S点在附加力矩MS作用下的转角，θSF为S点在作用力F作用下的转角。
这里将所述质量块定义为刚性，根据几何关系有，所述质心O在作用力F作用下的变形δ可表示为
δ＝sinθ(l2-l1)+δS (6)
则所述变刚度吸振器的等效刚度k2可表示为：
将公式(3)至(6)代入公式(7)，可得：
图11为减振镗杆的整体系统动力学模型示意图。
减振镗杆的整体系统动力学模型可等价为具有双自由度的质量—弹簧系统，由于镗杆杆体自身的阻尼极小，此处忽略不计。图中，M1为镗杆杆体的等效质量，K1为镗杆杆体的等效刚度，k2为变刚度吸振器的等效刚度，F0为镗杆杆体所受镗削力，x1为镗杆杆体的位移响应，x2为质量块的位移响应，L为镗杆的总长度。
将镗杆杆体的外部载荷简化为周期波动的简谐镗削力F0，其表达式为：
F0＝FAsin(ωt) (8)
公式(8)中，FA为镗杆杆体所受镗削力的幅值。
则减振镗杆整体系统的动力学方程为：
该方程的稳态解为：
公式(10)中，为减振镗杆杆体的稳态响应振幅，为变刚度吸振器的稳态响应振幅。
稳态响应振幅可表示为：
通过计算可知，当时，即镗杆杆体不再振动，由此得到镗杆杆体振幅为0的条件为：
k2＝ω2m2 (1)
在镗削过程中，由于切削参数的不同，尤其是主轴转速的不同，导致镗杆的杆体所受镗削力变化的角频率也不相同。对于不同的镗削力角频率，只要确保变刚度吸振器的等效刚度k2＝ω2m2，就能够保证镗杆杆体的振幅最小，从而达到最优减振的目的。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (5)
1.一种被动式减振镗杆，在所述镗杆的前端设置有刀头(1)，所述刀头(1)用于装夹刀片(2)；
在所述镗杆的内部，从前至后依次设置有质量块(3)、伸缩式悬臂梁(4)和滑块(5)，所述伸缩式悬臂梁(4)的一端与质量块(3)固定连接，所述伸缩式悬臂梁(4)的另一端与滑块(5)固定连接；
所述质量块(3)与伸缩式悬臂梁(4)的悬伸部均位于第一空腔(6)内；
所述质量块(3)与所述悬伸部构成变刚度吸振器，所述变刚度吸振器能够在第一空腔(6)内做悬臂振动；
所述滑块(5)能够在镗杆的内部滑动，进而改变伸缩式悬臂梁(4)的悬伸量；
在所述镗杆的后端设置有旋钮(7)，所述旋钮(7)与滑块(5)联动；
在所述镗杆的内部、靠近其后端的位置设置有第二空腔(8)，在所述第二空腔(8)的内部固定设置有滑座(9)，所述滑块(5)能够在滑座(9)内滑动；
在所述滑座(9)的内壁上设置有第一滑道(15)和第二滑道(16)，在所述滑块(5)的表面上固定设置有第一凸缘(17)和和第二凸缘(18)；
所述第一凸缘(17)和第二凸缘(18)分别与第一滑道(15)和第二滑道(16)相匹配；
其特征在于，所述旋钮(7)通过螺纹杆(19)与滑块(5)联动；
所述螺纹杆(19)为中部突出的圆柱形结构，所述第二空腔(8)为圆柱形；
在所述旋钮(7)与螺纹杆(19)之间设置有后盖(20)，在后盖(20)的端面上设置有通孔；
所述滑块(5)的一端与伸缩式悬臂梁(4)的另一端螺纹连接，所述滑块(5)的另一端与螺纹杆(19)的一端螺纹连接；
所述螺纹杆(19)的另一端与所述通孔旋转副连接，并与旋钮(7)固定连接；
所述螺纹杆(19)的中部位于第二空腔(8)内，两者旋转副连接。
2.如权利要求1所述的被动式减振镗杆，其特征在于，在所述第一空腔(6)与第二空腔(8)之间设置有第三空腔(10)，三者的内部连通，所述第三空腔(10)的内径等于伸缩式悬臂梁(4)的直径。
3.如权利要求2所述的被动式减振镗杆，其特征在于，在所述第一空腔(6)与第三空腔(10)之间还设置有第四空腔(11)，在所述第二空腔(8)与第三空腔(10)之间还设置有第五空腔(12)，五者的内部连通；
在第四空腔(11)和第五空腔(12)的内部分别设置有第一滑套(13)和第二滑套(14)，所述第一滑套(13)和第二滑套(14)均与伸缩式悬臂梁(4)滑动连接。
4.如权利要求1所述的被动式减振镗杆，其特征在于，在所述后盖(20)的端面上设置有角刻度线(22)，在所述的旋钮(7)上设置有指针(23)。
5.如权利要求1所述的被动式减振镗杆的最优减振性能调节方法，所述方法用于在采用所述减振镗杆对工件进行第一次走刀的过程中将所述减振镗杆的减振性能调节为最优；
在第一次走刀之前，在所述减振镗杆上安装加速度传感器，将所述减振镗杆安装在镗床上，并设置好转速、切深和进给量；
对工件进行第一次走刀的方式为工件旋转、减振镗杆进给；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、通过加速度传感器测量减振镗杆杆体的振动加速度a，并获得所述振动加速度a的变化曲线，根据所述振动加速度a的变化曲线计算出振动加速度a变化的频率f，根据振动加速度a变化的频率f计算出振动加速度a变化的角频率ω0；
步骤二、根据公式(1)计算出当所述减振镗杆的杆体振幅为零时，所述变刚度吸振器的等效刚度；
k2＝ω2m2 (1)
其中，k2为变刚度吸振器的等效刚度，ω为减振镗杆的杆体所受镗削力变化的角频率，m2为质量块(3)的质量；
所述减振镗杆的杆体所受镗削力变化的角频率ω等于所述振动加速度a变化的角频率ω0；
步骤三、通过旋钮(7)将伸缩式悬臂梁(4)的悬伸量归零；
通过旋钮(7)调节伸缩式悬臂梁(4)的悬伸量，进而使变刚度吸振器的等效刚度k2等于ω2m2；
所述伸缩式悬臂梁(4)的悬伸量与变刚度吸振器的等效刚度满足公式(2)：
<mrow>
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<mn>2</mn>
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<mi>E</mi>
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<mi>l</mi>
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<mrow>
<mn>2</mn>
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</mfrac>
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</mrow>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mi>l</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
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其中，l1为伸缩式悬臂梁(4)的悬伸量，l2为当所述悬伸部处于悬伸状态时，质量块(3)的质心与第一空腔(6)的后端面的间距，E为伸缩式悬臂梁(4)的弹性模量，I为伸缩式悬臂梁(4)的惯性矩。
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