CN107538058B - 适用于高速切削涡轮盘榫槽的耐冲击动平衡铣刀 - Google Patents

Abstract

一种适用于高速切削涡轮盘榫槽的耐冲击动平衡铣刀，包括刀柄、与刀柄相连的刀座以及绕刀柄旋转轴线间隔安装在刀座上的若干刀片，还包括与耐冲击动平衡铣刀质量相同的平衡质量块，平衡质量块通过动平衡装置安装在刀座上，且平衡质量块的质心与耐冲击动平衡铣刀的质心相对于刀柄的轴线对称，动平衡装置包括四个以上弹性阻尼机构，四个以上弹性阻尼机构在与刀柄轴线垂直的平面内绕平衡质量块四周均匀间隔布置，各弹性阻尼机构均包括用于阻碍平衡质量块位移的阻尼器和用于使平衡质量块复位的伸缩弹簧，阻尼器和伸缩弹簧均连接在平衡质量块和刀座之间。该耐冲击动平衡铣刀具有可实现动平衡、降低振动和冲击、提高加工质量、延长机床使用寿命等优点。

Description

适用于高速切削涡轮盘榫槽的耐冲击动平衡铣刀

技术领域

本发明涉及切削刀具技术领域，具体涉及一种适用于高速切削涡轮盘榫槽的耐冲击动平衡铣刀。

背景技术

在高速切削加工镍基/钛合金的过程中，高强度的镍/钛基合金使得切削力增大，功率消耗增大，刀齿的切入与切出对刀柄产生冲击容易产生较大的冲击，引起附加的振动，这会对高速铣削过程造成安全隐患，影响尺寸精度和表面粗糙度，缩短刀具寿命。其次由于刀具系统在制作装配过程中不可避免的存在误差(包括偏转角度及位移误差)，刀具系统存在动不平衡质量，涡轮盘榫槽的形状复杂，尺寸精度要求高，对切削过程中的刀具的耐冲击及动平衡性能具有更高要求，传统的铣刀难以满足高速铣削加工镍基合金材料的涡轮盘榫槽的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种可实现动平衡、降低振动和冲击、提高加工质量、延长机床使用寿命的适用于高速切削涡轮盘榫槽的耐冲击动平衡铣刀。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种适用于高速切削涡轮盘榫槽的耐冲击动平衡铣刀，包括刀柄、与刀柄相连的刀座以及绕刀柄旋转轴线间隔安装在刀座上的若干刀片，还包括与耐冲击动平衡铣刀质量相同的平衡质量块，所述平衡质量块通过动平衡装置安装在刀座上，且平衡质量块的质心与耐冲击动平衡铣刀的质心相对于刀柄的轴线对称，所述动平衡装置包括四个以上弹性阻尼机构，四个以上弹性阻尼机构在与刀柄轴线垂直的平面内绕平衡质量块四周均匀间隔布置，各弹性阻尼机构均包括用于阻碍平衡质量块位移的阻尼器和用于使平衡质量块复位的伸缩弹簧，所述阻尼器和伸缩弹簧均连接在平衡质量块和刀座之间。

上述的耐冲击动平衡铣刀，优选的，各阻尼器的阻尼值与刀座材料的阻尼值相等，所述伸缩弹簧的刚度与铣刀的最高设计转速满足以下公式(1)的关系：

k＝(4π²Mω²+πωC_i)/2 (1)

式中，k表示伸缩弹簧的刚度，单位为N/m；M表示平衡质量块的质量，单位为kg；ω表示铣刀的最高设计转速，单位为r/s；C_i表示阻尼器的阻尼值，单位为N/(m/s)。

上述的耐冲击动平衡铣刀，优选的，所述刀座的底面设有容置凹腔，所述平衡质量块和各弹性阻尼机构安装在所述容置凹腔中。

上述的耐冲击动平衡铣刀，优选的，所述刀座上安装有将容置凹腔封闭的可拆卸盖板。

上述的耐冲击动平衡铣刀，优选的，所述动平衡装置仅具有四个弹性阻尼机构，所述平衡质量块呈矩形，四个弹性阻尼机构分别对应连接于矩形平衡质量块的四个侧面与容置凹腔的内壁之间，各弹性阻尼机构中伸缩弹簧的伸缩方向和阻尼器的阻尼方向均与对应的平衡质量块的侧面垂直。

上述的耐冲击动平衡铣刀，优选的，所述伸缩弹簧为负泊松比材料的弹簧。

上述的耐冲击动平衡铣刀，优选的，所述阻尼器为粘弹性阻尼器。

上述的耐冲击动平衡铣刀，优选的，各刀片的安装位置满足以下公式(2)的要求：

式中，j₀表示耐冲击动平衡铣刀的转动惯量，单位为kg·m²；m表示耐冲击动平衡铣刀的质量，单位为kg；L表示刀片的切削点到耐冲击动平衡铣刀的质心的直线距离，单位为m；d表示耐冲击动平衡铣刀旋转中心到耐冲击动平衡铣刀的质心的直线距离，单位为m。

上述的耐冲击动平衡铣刀，优选的，各刀片通过紧固件可拆卸的安装在刀座上，且刀片之间垫设有配重垫圈。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明适用于高速切削涡轮盘榫槽的耐冲击动平衡铣刀，在刀座上安装平衡质量块使动平衡铣刀的整体质心位于刀柄的旋转轴线上，并且在平衡质量块四周设置多个弹性阻尼机构，当刀柄在偏心质量的作用下发生振动时，多个弹性阻尼机构的阻尼器预紧平衡质量块，伸缩弹簧能够避免平衡质量块快速产生位移，阻尼器进一步降低平衡质量块的位移，并在伸缩弹簧回复时能够吸收能量，产生相差，具有一定的迟滞作用，伸缩弹簧在偏心质量的作用下使得平衡质量块朝与偏心质量相反的方向位移，即偏心质量与平衡质量块、旋转中心在一条直线上，从而实现动平衡。因此，上述平衡质量块和多个弹性阻尼机构的组合能够降低由于动平衡铣刀制造安装误差造成的动不平衡的影响，减低加工过程中铣削力的变化导致的刀柄振动及冲击。

附图说明

图1为耐冲击动平衡铣刀的立体结构示意图。

图2为耐冲击动平衡铣刀的仰视结构示意图。

图3为动平衡装置安装在容置凹腔中的仰视结构示意图。

图4为旋转中心、质心和刀片切削点标识在耐冲击动平衡铣刀上的结构示意图。

图例说明：

1、刀柄；2、刀座；21、容置凹腔；3、刀片；4、平衡质量块；5、阻尼器；6、伸缩弹簧。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图3所示，本实施例的适用于高速切削涡轮盘榫槽的耐冲击动平衡铣刀，包括刀柄1、与刀柄1相连的刀座2以及绕刀柄1旋转轴线间隔安装在刀座2上的若干刀片3，还包括与耐冲击动平衡铣刀质量相同的平衡质量块4，平衡质量块4通过动平衡装置安装在刀座2上，且平衡质量块4的质心与耐冲击动平衡铣刀的质心相对于刀柄1的轴线对称，动平衡装置包括四个以上弹性阻尼机构，四个以上弹性阻尼机构在与刀柄1轴线垂直的平面内绕平衡质量块4四周均匀间隔布置，各弹性阻尼机构均包括用于阻碍平衡质量块4位移的阻尼器5和用于使平衡质量块4复位的伸缩弹簧6，阻尼器5和伸缩弹簧6均连接在平衡质量块4和刀座2之间。

在刀座2上安装平衡质量块4使耐冲击动平衡铣刀的整体质心位于刀柄1的旋转轴线上，并且在平衡质量块4四周设置多个弹性阻尼机构，当刀柄1在偏心质量的作用下发生振动时，多个弹性阻尼机构的阻尼器5预紧平衡质量块4，伸缩弹簧6能够避免平衡质量块4快速产生位移，阻尼器5进一步降低平衡质量块4的位移，并在伸缩弹簧6回复时能够吸收能量，产生相差，具有一定的迟滞作用，伸缩弹簧6在偏心质量的作用下使得平衡质量块4朝与偏心质量相反的方向位移，即偏心质量与平衡质量块4、旋转中心在一条直线上，从而实现动平衡。因此，上述平衡质量块4和多个弹性阻尼机构的组合能够降低由于耐冲击动平衡铣刀制造安装误差造成的动不平衡的影响，减低加工过程中铣削力的变化导致的刀柄1振动及冲击。

本实施例中，各阻尼器5的阻尼值与刀座2材料的阻尼值相等，伸缩弹簧6的刚度与铣刀的最高设计转速满足以下公式(1)的关系：

k＝(4π²Mω²+πωC_i)/2 (1)

式中，k表示伸缩弹簧6的刚度，单位为N/m；M表示平衡质量块4的质量，单位为kg；ω表示铣刀的最高设计转速，单位为r/s；C_i表示阻尼器5的阻尼值，单位为N/(m/s)。

采用以上特性的阻尼器5及伸缩弹簧6，在铣刀的实际工作转速小于等于上述铣刀的最高设计转速时，可保证铣刀在任何运行状态都能保持动平衡。即保证了铣刀偏心质量产生的偏心力与平衡质量块4产生的偏心力平衡。比如，设计铣刀的最高设计转速为1000r/min时，那么伸缩弹簧6采用由上述公式(1)得到的刚度，即可使铣刀在实际工作转速为1000r/min以下时均可保持动平衡。

本实施例中，刀座2的底面设有容置凹腔21，平衡质量块4和各弹性阻尼机构安装在容置凹腔21中，能够避免影响加工，防止平衡质量块4和各弹性阻尼机构被损坏，保证安装及工作的稳定性。进一步的，刀座2上安装有将容置凹腔21封闭的可拆卸盖板(图中未示出)，该可拆卸盖板可采用卡接或螺纹连接等方式安装在在刀座2上。

本实施例中，动平衡装置仅具有四个弹性阻尼机构，平衡质量块4呈矩形，四个弹性阻尼机构分别对应连接于矩形平衡质量块4的四个侧面与容置凹腔21的内壁之间，各弹性阻尼机构中伸缩弹簧6和阻尼器5的两端均分别与对应矩形平衡质量块4的侧面和容置凹腔21的内壁相连，各弹性阻尼机构中伸缩弹簧6的伸缩方向和阻尼器5的阻尼方向均与对应的平衡质量块4的侧面垂直。这样能够提高安装稳定性，保证工作稳定可靠，且选择四个弹性阻尼机构与平衡质量块4组成的动平衡系统，既能够满足降低动不平衡的要求，又能降低成本及安装调试难度。若弹性阻尼机构少于四个，则会使得动平衡系统难以满足预定要求，若弹性阻尼机构多余四个，虽能满足要求，但是其安装调试难度及成本明显增大，而使用效果并没有显著提升。

本实施例中，伸缩弹簧6为负泊松比材料的弹簧，阻尼器5为粘弹性阻尼器，负泊松比材料的弹簧和粘弹性阻尼器都为现有技术。

本实施例中，如图4所示，图中O点为耐冲击动平衡铣刀的旋转中心，G点为耐冲击动平衡铣刀的质心，A点为刀片3的切削点。各刀片3的安装位置满足以下公式2的要求：

式中，j₀表示耐冲击动平衡铣刀的转动惯量，单位为kg·m²；m表示耐冲击动平衡铣刀的质量，单位为kg；L表示刀片3的切削点到耐冲击动平衡铣刀的质心的直线距离(图4中A点到G点的距离)，单位为m；d表示耐冲击动平衡铣刀旋转中心到耐冲击动平衡铣刀的质心的直线距离(图4中O点到G点的距离)，单位为m。上述转动惯量、耐冲击动平衡铣刀的质量、耐冲击动平衡铣刀的质心位置可以通过试验方法获得。

本实施例中，各刀片3通过紧固件可拆卸的安装在刀座2上，且在刀片3和刀座2之间设有配重垫圈，通过更换不同厚度和重量的配重垫圈可以调整耐冲击动平衡铣刀的质心，上述紧固件采用螺钉。

由于在加工过程中各刀片3的切削点为撞击中心，各刀片3的安装位置在满足上述要求的情况下，可保证铣削加工过程中刀片3的切削点的撞击或者碰撞不会对耐冲击动平衡铣刀旋转中心造成任何的法向反作用力，从而提高加工稳定性，降低刀片3周期性切入与切出导致的振动与磨损，提高刀具的耐用度，提高加工精度。在高速切削过程中，由于刀片3对工件施加切削力，工件对刀具有与此切削力大小相等、方向相反的反作用力，刀具上与刀刃的切向分力相平衡的力的方向与刀柄1的旋转中心不在同一条直线上，从而避免高速铣削过程中刀齿的切入切出带来的冲击对刀柄1的旋转中心的作用力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于高速切削涡轮盘榫槽的耐冲击动平衡铣刀，包括刀柄(1)、与刀柄(1)相连的刀座(2)以及绕刀柄(1)旋转轴线间隔安装在刀座(2)上的若干刀片(3)，其特征在于：还包括与耐冲击动平衡铣刀质量相同的平衡质量块(4)，所述平衡质量块(4)通过动平衡装置安装在刀座(2)上，且平衡质量块(4)的质心与耐冲击动平衡铣刀的质心相对于刀柄(1)的轴线对称，所述动平衡装置包括四个以上弹性阻尼机构，四个以上弹性阻尼机构在与刀柄(1)轴线垂直的平面内绕平衡质量块(4)四周均匀间隔布置，各弹性阻尼机构均包括用于阻碍平衡质量块(4)位移的阻尼器(5)和用于使平衡质量块(4)复位的伸缩弹簧(6)，所述阻尼器(5)和伸缩弹簧(6)均连接在平衡质量块(4)和刀座(2)之间。

2.根据权利要求1所述的耐冲击动平衡铣刀，其特征在于：各阻尼器(5)的阻尼值与刀座(2)材料的阻尼值相等，所述伸缩弹簧(6)的刚度与铣刀的最高设计转速满足以下公式(1)的关系：

k＝(4π²Mω²+πωC_i)/2 (1)

式中，k表示伸缩弹簧(6)的刚度，单位为N/m；M表示平衡质量块(4)的质量，单位为kg；ω表示铣刀的最高设计转速，单位为r/s；C_i表示阻尼器(5)的阻尼值，单位为N/(m/s)。

3.根据权利要求1所述的耐冲击动平衡铣刀，其特征在于：所述刀座(2)的底面设有容置凹腔(21)，所述平衡质量块(4)和各弹性阻尼机构安装在所述容置凹腔(21)中。

4.根据权利要求3所述的耐冲击动平衡铣刀，其特征在于：所述刀座(2)上安装有将容置凹腔(21)封闭的可拆卸盖板。

5.根据权利要求3所述的耐冲击动平衡铣刀，其特征在于：所述动平衡装置仅具有四个弹性阻尼机构，所述平衡质量块(4)呈矩形，四个弹性阻尼机构分别对应连接于矩形平衡质量块(4)的四个侧面与容置凹腔(21)的内壁之间，各弹性阻尼机构中伸缩弹簧(6)的伸缩方向和阻尼器(5)的阻尼方向均与对应的平衡质量块(4)的侧面垂直。

6.根据权利要求1至5任一项所述的耐冲击动平衡铣刀，其特征在于：所述伸缩弹簧(6)为负泊松比材料的弹簧。

7.根据权利要求1至5任一项所述的耐冲击动平衡铣刀，其特征在于：所述阻尼器(5)为粘弹性阻尼器。

8.根据权利要求1至5任一项所述的耐冲击动平衡铣刀，其特征在于：各刀片(3)的安装位置满足以下公式(2)的要求：

式中，J₀表示耐冲击动平衡铣刀的转动惯量，单位为kg·m²；m表示耐冲击动平衡铣刀的质量，单位为kg；L表示刀片(3)的切削点到耐冲击动平衡铣刀的质心的直线距离，单位为m；d表示耐冲击动平衡铣刀旋转中心到耐冲击动平衡铣刀的质心的直线距离，单位为m。

9.根据权利要求8所述的耐冲击动平衡铣刀，其特征在于：各刀片(3)通过紧固件可拆卸的安装在刀座(2)上，且刀片(3)之间垫设有配重垫圈。