CN108356301A - 一种散射型周期结构阻尼减振车刀杆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种散射型周期结构阻尼减振车刀杆，它解决了车削加工中车刀颤振的问题，其在车削加工过程中可以使振动能量衰减，抑制机械波的传播，降低噪声，并提高加工稳定性，利用周期结构的频率带隙特性使得结构在禁带频率范围内具有隔振性能，其技术方案为：包括连接成一体的刀杆基体和刀头，所述刀杆基体的外周面均匀周期分布有多排多列阻尼散射体，刀杆基体和阻尼散射体形成散射型周期结构；在车削加工过程中，刀头处产生的振动能量从刀杆基体传递到阻尼散射体，利用阻尼散射体对禁带范围内的弹性波起到抑制作用，从而将振动能量转化为热能耗散实现抑制车削颤振。
Description
技术领域
本发明涉及切削加工刀具技术领域，特别是涉及一种散射型周期结构阻尼减振车刀杆。
背景技术
随着机械制造业对产品质量和精度要求的日益提高，金属切削加工手段也得到了快速的发展。作为金属加工主要加工方法的车削加工也从各方面改进技术，以达到更好的加工质量和更高的加工精度，因此，对加工刀具的要求也自然而然地提高了。在切削过程中，刀杆在切削力的作用下产生弯曲和颤振，使得加工稳定性变差，严重影响工件的加工质量和加工精度并且降低刀具的使用寿命。对于一般的刀杆，在长径比(L/D)超过4倍时，刀具自身将产生颤振，使得加工无法进行。也就是说，在刀杆的长径比大于4倍时，刀具本身的刚度已经明显达不到加工的要求,因此需要采用一定的减振控制措施减小切削过程中的振动。
目前，普遍使用的减小刀杆颤振措施有以下三大类，一是被动控制方法，二是主动控制方法，三是半主动控制方法。被动控制方法是通过增加切削系统刚度、阻尼或者附加被动动力吸振器吸收振动来抑制颤振的方法。主动控制方法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,从而在外界环境发生变化的情况下，也能够使减振系统控制振动结构，使振动结构的振动响应保持最小、最稳定。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或外干扰力信息，能够获得较好的控制效果。
现有的减振刀杆存在明显的不足和局限性，依然有待于改进。现在已有的粘弹性约束阻尼结构减振车刀杆，其包括基体和刀头，在车刀杆的基体上利用阻尼胶粘剂形成的阻尼胶粘层粘接一层粘弹性阻尼层，并在粘弹性阻尼层粘接一层约束阻尼层形成约束阻尼结构；利用粘弹性阻尼层的剪切变形将振动能量转化为热能耗散，由此实现抑制车削颤振，提高车削稳定性的目的。但该减振刀杆仍存在一些不足。首先，在刀杆上利用阻尼胶粘剂粘接阻尼胶粘层和约束阻尼层，由于阻尼胶粘剂的分子结构会与被粘物的表面结构发生相互作用，从而会破坏阻尼胶粘层和约束阻尼层的表面，影响其剪切变形的减振效果。其次，车削过程中刀杆的温度上升会导致阻尼胶粘剂的粘接强度降低，从而会造成阻尼胶粘层和约束阻尼层的脱落。
现在已有的涂层阻尼减振刀杆，其在刀杆的基体材料上涂覆一层减振阻尼材料层，与刀杆的基体材料形成叠层结构，增大刀杆阻尼，利用涂层阻尼材料内耗将刀杆的振动动能转化为热能，从而达到减振、提高加工效率、改善加工质量的目的。但该减振刀杆仍存在一些不足。首先，刀杆现有涂层工艺进行涂层后，因基体材料涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层基体之间界面结合强度低，涂层易剥落。其次，涂层过程还造成基体强度下降、涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀杆成本增加等缺点。
现在已有的阻尼减振刀杆，其包括刀柄和设置于刀柄下端的刀头，刀柄内同轴设置有圆柱形空腔，在圆柱形空腔中密封填充有阻尼颗粒。颗粒阻尼减振属于被动控制减振技术的一种，通过颗粒之间以及颗粒与腔体内壁之间的相对运动而产生阻尼效应的，通过这些碰撞和摩擦产生能量，达到减振的效果。但该减振刀杆仍存在一些不足。首先，刀杆必须是空心刀杆，这一定程度上限制了刀杆的选择性。其次，刀杆的空腔容积是固定的，从而内部颗粒数是限定的，产生的阻尼效应也就会限制在一定的范围。
综上所述，现有技术中对于减小车刀杆颤振的问题，尚缺乏有效的解决方案。需要设计一种结构简单，减振效果好，适用性广泛的减振刀杆。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种散射型周期结构阻尼减振车刀杆，其在车削加工过程中可以使振动能量衰减，抑制机械波的传播，降低噪声，并提高加工稳定性，利用周期结构的频率带隙特性使得结构在禁带频率范围内具有隔振性能，即处于该频率下的外扰力不能够使整体结构振动，该频率下的弹性波不能够在整体结构中传播，从而将振动能量耗散，达到减振降噪、提高加工效率、改善加工质量和加工精度的目的，而且刀杆结构简单可靠、经济性强。
进一步的，本发明采用下述技术方案：
一种散射型周期结构阻尼减振车刀杆，包括连接成一体的刀杆基体和刀头，所述刀杆基体的外周面均匀周期分布有多排多列阻尼散射体，刀杆基体和阻尼散射体形成散射型周期结构；在车削加工过程中，刀头处产生的振动能量从刀杆基体传递到阻尼散射体，利用阻尼散射体对禁带范围内的弹性波起到抑制作用，从而将振动能量转化为热能耗散实现抑制车削颤振。
进一步的，所述刀杆基体外周面均匀周期分布设置多排多列容置孔，阻尼散射体设置于容置孔内。
进一步的，所述容置孔的设置方向与刀杆基体的轴向垂直。
进一步的，所述阻尼散射体为阻尼材料制成。
进一步的，所述阻尼材料为聚氨酯橡胶或SiCp/Al。
进一步的，所述刀杆基体由合金钢或高碳钢或40Cr制成。
进一步的，所述容置孔为螺纹孔，容置孔和阻尼散射体之间形成螺纹连接。
进一步的，所述容置孔的直径为2mm～4mm，深度为2mm～3mm。
进一步的，所述刀杆基体的纵截面为圆形或方形。
进一步的，所述刀杆基体适用于普通车床和数控车床。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1由于周期结构的振动带隙特性是结构本身的固有物理性质，所以本发明属于减小刀杆颤振措施中的被动控制方法，具有结构简单、造价低、易于维护并且无需外部能量支持等优点。
2本发明的周期结构阻尼减振刀杆在无需外部能源支持的情况下，利用周期结构便可对频率禁带范围内的振动起到隔阻作用，即禁带内的弹性波和振动不能够在周期结构中传播，禁带的出现与边界条件和激振方向无关。
3本发明的周期结构阻尼减振刀杆能有效减小刀杆振动过程中的振动振幅，从而可以提高加工质量和加工精度，大大减少刀具的磨损，延长刀具的使用寿命。
4该周期结构阻尼减振刀杆较之一般的普通刀杆，能够减振降噪、提高生产效率，实现高效、稳定、无颤振车削加工，特别是在航天航空生产线中涡轮盘、压气机盘等薄壁零件的生产现场。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的散射型周期结构阻尼减振车刀杆的整体结构图；
图2为本发明的方形车刀杆的截面图；
图3为本发明的圆形车刀杆的截面图；
图4为本发明的周期单元第一布里渊区以及第一不可约布里渊区(阴影区域)示意图；
图5为本发明的周期单元有限元模型；
图中，1—刀杆基体，2—阻尼散射体，3—刀头。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中车削加工中存在车刀颤振的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种散射型周期结构阻尼减振车刀杆。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种散射型周期结构阻尼减振车刀杆，包括连接成一体的刀杆基体1和刀头3，刀杆基体1的外周面均匀周期分布有多排多列阻尼散射体2，刀杆基体1和阻尼散射体2形成散射型周期结构；在车削加工过程中，刀头3处产生的振动能量从刀杆基体1传递到阻尼散射体2，利用阻尼散射体2对禁带范围内的弹性波起到抑制作用，从而将振动能量转化为热能耗散实现抑制车削颤振。
刀杆基体1外周面均匀周期分布设置多排多列容置孔，阻尼散射体2设置于容置孔内。
容置孔的设置方向与刀杆基体1的轴向垂直。
阻尼散射体2为阻尼材料制成。
阻尼材料2为聚氨酯橡胶或SiCp/Al，具有较好的减振效果。
刀杆基体1由合金钢或高碳钢或40Cr制成。
容置孔为螺纹孔，容置孔和阻尼散射体2之间形成螺纹连接。螺纹孔采用攻牙方式加工而出，利用螺纹孔的结构特点防止压注入的阻尼材料在车削过程中脱落。
车刀杆加工时先在刀杆基体上攻牙加工周期结构分布的螺纹孔，然后在螺纹孔中压注入阻尼材料，当阻尼材料成型固化后形成阻尼散射体，从而形成以阻尼材料为散射体，刀杆为基体的散射型周期结构；在车削加工过程中，刀头处产生的振动能量传递到刀杆的周期结构，当振动频率在周期结构的禁带频率范围内，振动波不能在周期结构中传播，输入的振动能量不能流入周期结构，更不能传过周期结构，只能沿着传播方向呈指数衰减，因此，可减小弱刚性长悬伸车刀杆的弯曲振动，从而抑制车削颤振，提高车削稳定性。
周期结构的禁带是指：弹性波在周期复合结构或材料中传播时，受内部周期性结构参数的作用，将形成波数与频率的相互关系，称为色素关系；若在某个频率范围内不存在任何纯实数色散关系曲线，该频率范围被称为禁带。
容置孔的直径为2mm～4mm，深度为2mm～3mm。螺纹孔的尺寸和数量取决于刀杆的结构、尺寸和基体材料，对禁带范围有影响。
刀杆基体1的纵截面为圆形或方形，如图2和图3所示。
刀杆基体1适用于车床。
该车床可以为普通车床，也可以为数控车床。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
分别在在刀杆基体1的四个侧面上利用攻牙加工出周期分布的螺纹孔，并在螺纹孔中压注入阻尼材料，从而形成四个侧面阻尼散射体周期分布的结构；在车削加工过程中，刀头3处产生的振动能量首先传递到刀杆基体1，随后从刀杆基体1传递到四个侧面周期分布的阻尼散射体2，利用周期结构对禁带范围内的弹性波起到抑制作用，即频率在禁带范围内的弹性波和振动不能够在周期结构中传播，从而将振动能量转化为热能耗散，可减小弱刚性长悬伸车刀杆的弯曲振动，由此实现抑制车削颤振，提高车削稳定性的目的。
上述的刀杆基体1采用40Cr材料，阻尼散射体2采用聚氨酯橡胶。除了利用周期结构的振动带隙特性减小振动之外，还可以利用阻尼散射体在变形时把动能变成为其他形式能的原理起到一定的减振抗噪的目的。
上述的散射型周期结构的减振性能用禁带范围表示，而周期结构波传播计算分析是确定禁带范围的基础，也是利用周期结构设计进行声振抑制的重要环节。通过了解波传播特性随频率的变化关系，可以进一步获得禁带频率范围，并且，周期结构中弹性波传播特性也是其声振响应的关键影响因素。弹性波在周期结构中的传播可以通过Bloch定理来描述。根据Bloch定理，刀杆基体上的周期系统的响应可以由一个参考周期单元的响应来表示，当波从一个单元传递到下一个单元时，波的振幅发生了相对变化，这一变化与单元在周期系统内的位置无关。即波在刀杆基体上的周期系统中的传播满足以下关系：
其中，Up0,j(x，y)(j＝x，y，z)表示参考单元中的点P0(x，y)分别在x、y、z方向的位移，Up0,j(x+nxax，y+nyay)(j＝x，y，z)表示相对于参考单元位置为(nx，ny)的单元中的点P0(x+nxax，y+nyay)的位移响应的传播常数。ul＝δl+ikl为沿x、y方向的传播常数。传播常数的实部δl和虚部kl分别被称为衰减常数与相位常数，δlal表示一个周期单元长度的传播后所发生的幅值衰减，klal表示波在经过一个周期单元长度的传播后所发生的相位变化。进而，弹性波在基体上周期结构中的传播特性可以由传播常数决定。如果ul为纯虚数(δl等于0)，波可以自由传播；如果ul为纯实数或者复数(δl不等于0)，波在传播的过程中将被衰减。
对给定的周期结构，其在一定频率下的波传播特性也是确定的，即频率与传播常数具有确定的对应关系。在刀杆基体上周期结构的研究中，给定传播常数在x、y方向的组合后，可以获得对应的可以自由传播波的频率；进而，通过指定不同的传播常数的组合，可以确定结构中波可以自由传播的方向和对应的频段。
当只关注传播过程中不发生衰减的波时，衰减常数δl(l＝x，y)被设定为0，而相位常数kl在(-π/al，π/al)这一范围内发生变化，这一相位常数的变化区域通常被称为第一布里渊区，如图4所示。对所有相位常数的组合(kx，ky)，可以计算获得频率与相位常数的关系w＝f(kx，ky)。将这一关系通过三维视图表示即获得相位常数面(或称为色散曲面)，其表示了任意给定相位常数组合(kx，ky))下自由传播波的频率。在很多研究中，相位常数kl也被称为波矢而w与kl(x，y)的关系则被称为色散关系或者能带结构。进而，没有相位常数面或色散曲线存在的空白频率区域，即被称为禁带。二维周期结构研究中，禁带通常分为完全禁带和方向禁带两类。如果一定频率范围内弹性波在所有传播方向均被衰减，则为完全禁带；如果一定频率范围内弹性波仅在特定方向被衰减，则为该方向的方向禁带。
禁带频率范围的研究方法有平面波展开法，传递矩阵法，有限元法等。本文列举通过有限元法结合Bloch周期边界条件研究散射型周期结构的振动带隙特性。由于结构的周期性，仅需要考虑一个周期单元，弹性波从一个单元向另一个单元传播可以通过他们边界上的位移与力的作用来考虑。图5所示为周期结构单元的有限元模型及其与相邻单元的相互作用(即单元边界节点处的位移和力矢量)，其中L、R、B、T分别表示左边界、右边界、下边界以及上边界处的节点，LT、LB、RT、RB分别表示左上、左下、右上以及右下角节点，I表示单元内部的节点。根据有限元法，可以获得单个周期单元的动力学方程为：
[K-w2M]q＝F (2)
其中，M和K分别为单元质量和刚度矩阵，q和F分别为标准化的位移和力矢量。
根据Bloch定理中周期单元不同边界上位移和力的关系可以写为矩阵形式：
q＝Rq’ F＝TF’ (3)
动力学方程可以通过缩聚的自由度表示为：
[K’-w2M’]q’＝0 (4)
其中K’＝RH(ux，uy)KR(ux，uy)和M’＝RH(ux，uy)MR(ux，uy)分别为周期单元缩聚后的刚度与质量矩阵，RH为R的共轭转置。进而，周期结构中的波传播问题转化为以下本征值问题的求解：
[K’(μx，μy)-w2M’(μx，μy)]＝0 (5)
通过在上式中引入纯虚数的传播常数，即ux＝ikx，uy＝iky，并kx和ky的值设定在第一不可约布里渊区(如图4所示)，进而求解该本征值问题，可以获得本征值和特征向量对一个给定的相位常数，本征值即对应于波可在结构中自由传播的频率，反应了色散关系；而特征向量反映了周期结构相应的运动模式。
在完全禁带的计算中，仅需将相位常数或波矢设定为第一不可约布里渊区的边界上(对正方形周期单元即为MГXM，如图4所示)，从而，色散关系简化为一组色散曲线。现有研究表明，这足以确定完全禁带的范围。另外，在方向禁带的计算中，仅需要将相位常数或波矢设定为特定方向的组合，如对x方向的带隙，相位常数仅需设定在边界ГX上。
以上描述了通过给定波传播常数u，求解所对应的存在自由传播波的本征频率的过程，这一过程通常被称为逆向求解法。本文在二维周期结构波传播特性及禁带分析中，主要即采用了逆求解过程来获得结构色散关系。
研究表明，影响散射型周期结构禁带范围的参数主要都可分为材料参数和几何参数两类，前者包括材料密度、弹性模量、波速等，后者包括散射体形状、填充率、晶格形式、晶格尺寸等。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种散射型周期结构阻尼减振车刀杆，其特征是，包括连接成一体的刀杆基体和刀头，所述刀杆基体的外周面均匀周期分布有多排多列阻尼散射体，刀杆基体和阻尼散射体形成散射型周期结构；在车削加工过程中，刀头处产生的振动能量从刀杆基体传递到阻尼散射体，利用阻尼散射体对禁带范围内的弹性波起到抑制作用，从而将振动能量转化为热能耗散实现抑制车削颤振。
2.如权利要求1所述的阻尼减振车刀杆，其特征是，所述刀杆基体外周面均匀周期分布设置多排多列容置孔，阻尼散射体设置于容置孔内。
3.如权利要求2所述的阻尼减振车刀杆，其特征是，所述容置孔的设置方向与刀杆基体的轴向垂直。
4.如权利要求1所述的阻尼减振车刀杆，其特征是，所述阻尼散射体为阻尼材料制成。
5.如权利要求4所述的阻尼减振车刀杆，其特征是，所述阻尼材料为聚氨酯橡胶或SiCp/Al。
6.如权利要求1所述的阻尼减振车刀杆，其特征是，所述刀杆基体由合金钢或高碳钢或40Cr制成。
7.如权利要求2所述的阻尼减振车刀杆，其特征是，所述容置孔为螺纹孔，容置孔和阻尼散射体之间形成螺纹连接。
8.如权利要求2所述的阻尼减振车刀杆，其特征是，所述容置孔的直径为2mm～4mm，深度为2mm～3mm。
9.如权利要求1所述的阻尼减振车刀杆，其特征是，所述刀杆基体的纵截面为圆形或方形。
10.如权利要求1所述的阻尼减振车刀杆，其特征是，所述刀杆基体适用于普通车床和数控车床。
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