CN108386486B - 一种变刚度单自由度动力减振镗杆 - Google Patents

一种变刚度单自由度动力减振镗杆 Download PDF

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Abstract

一种变刚度单自由度动力减振镗杆，包括镗杆前半部和镗杆后半部；镗杆前半部和镗杆后半部连接，镗杆前半部内开设有空腔，空腔内设置有质量块，质量块上螺旋缠绕有橡胶软管，质量块的后端面上开设有轴向孔，在质量块后端的侧壁上开设有径向孔，并且轴向孔与径向孔相连通，橡胶软管的一端固定在质量块的前端，沿质量块的长度方向缠绕至质量块的后端，再将橡胶软管穿过径向孔和轴向孔后，伸出质量块，镗杆前半部与镗杆后半部之间设置有堵头。本发明的通过向橡胶软管内充液从而实现压强的调整的结构，不需要外界控制系统，仅需要液压泵向橡胶软管内通入不同压强液体即可，实施简单，成本较低。

Description

一种变刚度单自由度动力减振镗杆
技术领域
本发明属于机械加工领域，涉及一种变刚度单自由度动力减振镗杆。
背景技术
深孔加工在金属切削中占有重要地位，深孔镗削作为深孔加工的一个子类，具有广泛的应用前景。然而对于深孔零部件来说，被加工的深孔限制了镗杆的直径和悬伸，这就要求镗杆的直径必须小于孔径，悬伸必须足够长。而随着镗杆长径比的增加，其刚性将迅速减弱，从而导致切削颤振的幅度增加。切削颤振的增强将会降低加工质量，造成不可接受的表面光洁度和尺寸误差，迫使工作人员降低切削参数来弥补加工质量的降低，导致加工效率也进一步降低。另外，颤振还会导致噪声，加剧刀具的损坏，这给深孔镗削带来了巨大的挑战。
现有镗杆减振技术中成本较低，效果较好，实施较为简单的是被动减振技术。被动减振技术可以分为动力减振和耗能减振。其中动力减振技术较为成熟，而单自由度动力减振是一种最基础的动力减振方式，其特点是能够在单频或窄频条件下能够有效降低振动，但其最大的不足在于也在于此，一般只能适用于单频或窄频条件下。变质量、变刚度、变阻尼是提高单自由度动力减振适用范围的有效措施，其中变质量较为困难，变阻尼成本较高，变刚度较为容易实现。
现有单自由度动力减振镗杆的变刚度方式主要有三种。分别是通过挤压弹性元件来改变刚度，调整与质量块相连杆的悬长来改变刚度，通过对磁流变液施加磁场来改变刚度。对于挤压弹性元件的方式，其刚度变化与挤压程度没有精确的对应关系，且变化范围较小，只能进行微调；对于悬臂梁方式，刚度与悬长关系明确，调节范围较大，但是受到镗杆内容纳质量块的空腔的尺寸限制；对于磁流变液，能够精确控制阻尼和刚度变化并且响应快，但是磁流变液价格昂贵并且需要外加控制系统来改变磁场强度，装置复杂，成本较高。
发明内容
为克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种变刚度单自由度动力减振镗杆。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种变刚度单自由度动力减振镗杆，包括镗杆前半部、质量块、堵头、液路开断螺钉、镗杆后半部以及用于通入液体的橡胶软管；镗杆前半部和镗杆后半部采用螺纹连接，镗杆前半部内开设有空腔，空腔内设置有质量块，质量块和空腔均为圆柱状；质量块上螺旋缠绕有橡胶软管，质量块的后端面上开设有轴向孔，在质量块后端的侧壁上开设有径向孔，并且轴向孔与径向孔相连通，橡胶软管的一端固定在质量块的前端，沿质量块的长度方向缠绕至质量块的后端，再将橡胶软管穿过径向孔和轴向孔后，伸出质量块，镗杆前半部与镗杆后半部之间设置有堵头；镗杆后半部后端开设有第二通孔，并且第二通孔与堵头相连通，橡胶软管与堵头相连通，通过控制堵头实现液路的开断。
本发明进一步的改进在于，缠绕在质量块上的相邻两圈橡胶软管之间留有间隙并且相邻两圈橡胶软管之间的间隙相同。
本发明进一步的改进在于，质量块的前端面上开设有第一槽，空腔的前部内壁上开设有第二槽，限位弹簧的一端安装在质量块上开设的第一槽内，另一端安装在空腔上开设的第二槽内。
本发明进一步的改进在于，采用刀片螺钉将刀片固定在镗杆前半部的前端。
本发明进一步的改进在于，质量块和橡胶软管通过粘合剂粘接，橡胶软管与堵头通过粘合剂粘接；堵头为圆柱状，并且堵头轴向方向上开设有第一通孔，第一通孔与第二通孔相连通，橡胶软管与第一通孔相连通，堵头径向上设置有液路开断螺钉，通过将液路开断螺钉旋入或旋出实现液路的开断。
本发明进一步的改进在于，缠绕在质量块上的橡胶软管的圈数为整数。
本发明进一步的改进在于，当橡胶软管内没有通入液体时，橡胶软管的外壁与空腔内壁为线接触。
本发明进一步的改进在于，质量块与堵头之间设置有环形垫片。
本发明进一步的改进在于，堵头一端和镗杆前半部内部开设的空腔的侧壁之间设置有第一O型密封圈，镗杆后半部和堵头之间设置有第二O型密封圈。
本发明进一步的改进在于，镗杆前半部的空腔内填充有阻尼液。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过设置质量块，在质量块上缠绕橡胶软管，并且橡胶软管与镗杆后半部的第二通道之间设置有堵头，将橡胶软管螺旋缠绕在圆柱形质量块上，向橡胶软管中通入液体，通过改变通入液体的压强来改变结构的刚度，可以调节达到最优减振性能。相比于挤压橡胶元件改变刚度的方式，本发明通过在质量块上缠绕橡胶软管，通过向橡胶软管内充入液体，充液橡胶软管结构中通入液体的压强与结构刚度之间有明确的关系，该关系由有限元软件计算结果支撑，通过调整橡胶软管内的液体的压强，即可实现刚度的调整，进而达到最优减振效果；相比于调整悬臂杆伸长改变刚度的方式，本发明提出的充液橡胶软管结构刚度调节方式不受质量块所在空腔尺寸的限制，可以根据实际情况，选择不同橡胶材料，橡胶软管尺寸来控制刚度变化范围；相比于磁流变液变刚度方式，本发明的通过向橡胶软管内充液从而实现压强的调整的结构，不需要外界控制系统，仅需要液压泵向橡胶软管内通入不同压强液体即可，实施简单，成本较低。
进一步的，垫片和限位弹簧用于限制质量块的轴向位移。
进一步的，堵头一端和镗杆前半部内部开设的空腔的侧壁之间设置有第一O型密封圈，镗杆后半部和堵头之间设置有第二O型密封圈，用于防止液体渗出。
进一步的，缠绕在质量块上的橡胶软管的圈数为整数，能够保证任意径向为质量块提供的刚度相同。
进一步的,镗杆前半部和镗杆后半部采用螺纹连接，螺纹连接部分采用螺纹加轴孔配合的并联设计方式，用于弥补螺纹间隙导致的刀杆跳动。
附图说明
图1是本发明的变刚度单自由度动力减振镗杆结构示意图；
图2是本发明实例中橡胶软管离散化模型示意图；
图3是本发明实例得到的的充液橡胶软管压强—刚度关系曲线；
图4是本发明实例得到的橡胶软管尺寸参数对刚度的影响.
具体实施方式
结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明的一种变刚度单自由度动力减振镗杆，该镗杆由12个零件装配而成，分别是刀片螺钉1、刀片2、镗杆前半部3、限位弹簧4、质量块5、橡胶软管6、垫片7、第一O型密封圈8、堵头9、液路开断螺钉10、第二O型密封圈11以及镗杆后半部12；镗杆前半部3和镗杆后半部12采用螺纹连接，螺纹连接部分采用螺纹加轴孔配合的并联设计方式，用于弥补螺纹间隙导致的刀杆跳动；镗杆前半部3的前端安装有刀片2，并且刀片2通过刀片螺钉1进行固定。镗杆前半部3内开设有空腔，空腔内设置有质量块5，质量块5和空腔均为圆柱状；质量块5上螺旋缠绕有橡胶软管6，并且质量块5和橡胶软管6通过粘合剂粘接，缠绕在质量块5上的相邻的两圈橡胶软管之间留有间隔，并且相邻两圈橡胶管之间的间隔相等。质量块5的后端面中心处开设有轴向孔，同时在距质量块5后端面一定距离的侧壁上开设有径向孔，并且轴向孔与径向孔相连通，具体的，该径向孔轴线距后端面的距离根据橡胶软管尺寸及其缠绕方式来确定，保证橡胶软管从质量块5前端开始，按照指定螺距缠绕指定圈数后恰好可以从径向孔穿入即可；将橡胶软管6缠绕在质量块5时，首先，将橡胶软管6的一端固定在质量块5的前端，然后沿质量块5的长度方向缠绕至质量块5的后端，再将橡胶软管6穿过径向孔和轴向孔后，伸出质量块5。缠绕完成后，缠绕在质量块5上的橡胶软管的圈数为整数，即橡胶软管的起始点与终止点(终止点也为径向孔的位置)在质量块5的同一母线上；橡胶软管6用于通入液体，当缠绕完成后，橡胶软管6内没有通入液体时，橡胶软管6的外壁与空腔内壁为线接触。在轴向方向上，镗杆前半部3与镗杆后半部12之间设置有堵头9；质量块5与堵头9之间设置有环形垫片7；橡胶软管6一端堵死，另一端从质量块5的后端面的轴向孔穿出，然后穿出环形垫片7后与堵头9相连通，通过粘合剂将橡胶软管6与堵头9粘接。
质量块5的前端面上开设有第一槽，相应的，空腔的前端内壁上开设有第二槽，限位弹簧的一端安装在质量块5上开设的第一槽内，另一端安装在空腔上开设的第二槽内。垫片7和限位弹簧4用于限制质量块5的轴向位移。
堵头9为圆柱状，并且堵头9轴向方向上开设有第一通孔，镗杆后半部12后端开设有第二通孔，并且第二通孔与堵头9的第一通孔相连通，堵头9径向上设置有液路开断螺钉10，通过将液路开断螺钉10旋入和旋出实现液路的开断。堵头9一端和镗杆前半部3内部开设的空腔的侧壁之间设置有第一O型密封圈8，镗杆后半部12和堵头9之间设置有第二O型密封圈11，用于防止液体渗出。
旋出液路开断螺钉10，通过镗杆后半部12上的通孔注入液体，液体进入橡胶软管6内，当达到所需压强后通过旋入液路开断螺钉10，关闭液路，液路开断螺钉10上缠有生料带，保证密封性能良好；镗杆前半部3安装质量块5的空腔内填充有阻尼液。
在进行深孔加工时，首先进行试加工，测得镗杆实际加工时的激振角频率，然后根据单自由度动力减振镗杆不同悬长下的有效减振频段以及激振角频率与压强的关系，选择合适的悬长和压强，将镗杆调整到对应的悬长，向橡胶软管6中通入相应压强的液体，即可实现最优减振的加工。
不同悬长下的有效减振频段以及激振角频率与压强的关系通过以下过程得到：
(1)建立单自由度动力减振镗杆的动力学模型；
(2)解得镗杆无量纲动态位移的表达式；
(3)使用H∞优化方法做出镗杆最小无量纲动态位移与质量块质量关系曲线；
(4)选择合适的质量比，计算出质量块的最优刚度和最优阻尼值；
(5)做出减振前后的激振角频率与无量纲动态位移曲线得到有效减振频段；
(6)在H∞优化的基础上做出最小无量纲动态位移对应的质量块刚度和激振角频率关系曲线，拟合得到激振角频率与质量块刚度关系；
(7)建立橡胶软管的离散化模型，通过有限元计算获取质量块刚度与橡胶软管内通入液体的压强之间的关系；
(8)结合步骤(6)和(7)所得到的关系，得到激振角频率与压强关系，然后进行镗削加工。
基于上述结构的镗刀，调整刚度的具体过程如下：本发明通过向橡胶软管6内注入液体，调整液体的压强，从而达到调整橡胶软管6的刚度的目的，具体的调整橡胶软管6内液体压强的方法如下：
(1)打开液路开断螺钉10，用液压泵从镗杆后半部12后端向橡胶软管6中通入一定压强的液体；
(2)关闭液路开断螺钉10，切断液路；
下面通过一个具体实施例进行说明。
设镗杆直径d＝20mm，总长300mm，预设夹持部分长度为4×d＝80mm，镗杆材料为40Cr；质量块质量取0.025kg，质量块材料选用钨合金，密度18g/cm3；橡胶软管内径2mm，外径4mm，选用耐油硅橡胶，其弹性模量约为2.14×106Pa，泊松比为0.48，橡胶软管在质量块上缠绕4整圈。做出减振前后的激振角频率与无量纲动态位移曲线得到有效减振频段为1860-2430rad/s。在H∞优化的基础上做出最小无量纲动态位移对应的质量块刚度和激振角频率关系曲线，拟合得到激振角频率与质量块刚度关系为：
k2＝191.7ω-285819 (1)
将橡胶软管切片处理，得到橡胶软管的离散化模型，如图2所示，经过整理得到了整个结构的刚度和离散后单一结构的刚度之间的关系为：
给定15个压强值，通过有限元计算得到15个对应的刚度值，做出散点图并拟合，见图3，拟合结果为三次曲线，方程为：
k＝105.553+0.003p-9.024×10-10p2+3.615×10-14p3 (3)
给定压强值为0时，改变内径为2的橡胶软管的壁厚，通过有限元计算得到了11组壁厚和刚度数据；改变壁厚为2的橡胶软管的内径，同样通过有限元计算得到了11组内径和刚度数据；做出橡胶软管尺寸和刚度关系曲线，见图3，由图3可知，在橡胶软管内径和壁厚差不多时，内径和壁厚对刚度的影响是近似成线性的，并且壁厚越厚，内径越小，刚度越大。
结合式(1)、式(2)以及式(3)可以获得激振角频率ω与压强p关系为：
p＝37.96ω+2.39×10-12(191.7ω-2.858×105)3-5.635×10-8(191.7ω-2.858×105)2-4.958×104(4)
改变镗杆夹持部分长度，按照上述方法获得长径比为10、9、8时的激振角频率与压强关系，整理后如表1所示，实际加工中根据表1的有效频带选择合适的长径比，根据激振角频率与压强关系计算橡胶软管内所需通入液体的压强。
表1不同悬长下有效减振频带以及激振角频率与压强关系

Claims (10)

1.一种变刚度单自由度动力减振镗杆，其特征在于，包括镗杆前半部(3)、质量块(5)、堵头(9)、液路开断螺钉(10)、镗杆后半部(12)以及用于通入液体的橡胶软管(6)；镗杆前半部(3)和镗杆后半部(12)采用螺纹连接，镗杆前半部(3)内开设有空腔，空腔内设置有质量块(5)，质量块(5)和空腔均为圆柱状；质量块(5)上螺旋缠绕有橡胶软管(6)，质量块(5)的后端面上开设有轴向孔，在质量块(5)后端的侧壁上开设有径向孔，并且轴向孔与径向孔相连通，橡胶软管(6)的一端固定在质量块(5)的前端，沿质量块(5)的长度方向缠绕至质量块(5)的后端，橡胶软管(6)靠近质量块(5)前部的一端堵死，另一端穿过径向孔和轴向孔后，伸出质量块(5)，镗杆前半部(3)与镗杆后半部(12)之间设置有堵头(9)；镗杆后半部(12)后端开设有第二通孔，并且第二通孔与堵头(9)相连通，橡胶软管(6)与堵头(9)相连通，通过控制堵头(9)实现液路的开断。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度单自由度动力减振镗杆，其特征在于，缠绕在质量块(5)上的相邻两圈橡胶软管之间留有间隙并且相邻两圈橡胶软管之间的间隙相同。
3.根据权利要求1所述的一种变刚度单自由度动力减振镗杆，其特征在于，质量块(5)的前端面上开设有第一槽，空腔的前部内壁上开设有第二槽，限位弹簧(4)的一端安装在质量块(5)上开设的第一槽内，另一端安装在空腔上开设的第二槽内。
4.根据权利要求1所述的一种变刚度单自由度动力减振镗杆，其特征在于，采用刀片螺钉(1)将刀片(2)固定在镗杆前半部(3)的前端。
5.根据权利要求1所述的一种变刚度单自由度动力减振镗杆，其特征在于，质量块(5)和橡胶软管(6)通过粘合剂粘接，橡胶软管(6)与堵头(9)通过粘合剂粘接；堵头(9)为圆柱状，并且堵头(9)轴向方向上开设有第一通孔，第一通孔与第二通孔相连通，橡胶软管(6)与第一通孔相连通，堵头(9)径向上设置有液路开断螺钉(10)，通过将液路开断螺钉(10)旋入或旋出实现液路的开断。
6.根据权利要求1所述的一种变刚度单自由度动力减振镗杆，其特征在于，缠绕在质量块(5)上的橡胶软管的圈数为整数。
7.根据权利要求1所述的一种变刚度单自由度动力减振镗杆，其特征在于，当橡胶软管(6)内没有通入液体时，橡胶软管(6)的外壁与空腔内壁为线接触。
8.根据权利要求1所述的一种变刚度单自由度动力减振镗杆，其特征在于，质量块(5)与堵头(9)之间设置有环形垫片(7)。
9.根据权利要求1所述的一种变刚度单自由度动力减振镗杆，其特征在于，堵头(9)一端和镗杆前半部(3)内部开设的空腔的侧壁之间设置有第一O型密封圈(8)，镗杆后半部(12)和堵头(9)之间设置有第二O型密封圈(11)。
10.根据权利要求1所述的一种变刚度单自由度动力减振镗杆，其特征在于，镗杆前半部(3)的空腔内填充有阻尼液。
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