CN108580995A - 一种卧式装配型减振铣刀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卧式装配型减振铣刀，包括刀盘、减振结构和刀柄；所述的减振结构包括三层结构，由内向外依次是阻尼层、碳纤维复合材料层和硬质合金层；减振结构的一端伸入到刀柄的空腔内，另一端伸入到铣刀盘的空腔内，减振结构与刀柄、铣刀盘可拆卸连接，形成装配式铣刀；本发明的减振结构通过不同材料间的叠加，同时提高了刀杆的刚性与阻尼，达到防振与抑振的作用。

Description

一种卧式装配型减振铣刀

技术领域

本发明涉及铣削加工领域，具体涉及一种卧式装配型减振铣刀。

背景技术

在加工深孔或腔体零件时，经常需要用到悬臂刀具。然而，刀杆悬伸长径比较大时，容易引起切削颤振，影响加工效率的提高，甚至降低了加工稳定性和表面质量。

对于车刀，专利号为CN202212591U实用新型专利将防振层、减振层、基础层依次设在刀柄壳体内部，且防振层设在刀柄壳体与刀头的连接端，达到减小振动的目的；然而防振层材料用量少，抑振效果有限，并且多种材料水平方向依次分布的方式易导致质量分布不均匀，所以不适用于旋转刀具的减振。专利号为CN206153598U的实用新型专利在刀杆外层设置了减振合金层，能有效抑制加工过程中产生的振动；若在基体层与减振合金层间添加阻尼材料层，减振效果会更显著。专利号为CN205599935U实用新型专利通过在刀杆上设置减振块，达到抵消机械振动能量的作用。但通过在刀杆一侧添加减振块进行减振的方式并不适用于旋转类刀具，这是由于添加的减振块将影响刀具整体的动平衡。

对于镗刀，专利号为CN102275086A发明专利采用颗粒阻尼减振系统实现了镗刀的减振；专利号为CN206065451U实用新型专利设计了一种基于颗粒阻尼及磁流变复合减振的镗刀。上述两个专利皆是通过颗粒阻尼的碰撞与摩擦消耗振动能量，同样地，颗粒间运动与碰撞会严重影响旋转刀具的动平衡。

对于立式铣刀，专利号为CN206588401U实用新型专利采用在刀杆内部添加调节装置、弹性元件和阻尼调节机构等来实现刀杆的阻尼可调，以便达到控制振动的要求。该专利通过增加刀杆的阻尼来控制振动，但刀杆的刚性因内腔的挖孔而减小，降低了刀杆抑振的能力。

相比立式铣削，在卧式铣削时，刀杆的悬伸长径比和质量对加工性能的影响更加显著。刀杆悬伸长径比较大(长径比大于4)时，导致刚性相对减小，易产生铣削颤振，影响加工质量和加工效率。在立式铣削时，可以不考虑刀杆的质量对加工的影响，然而，在卧式铣削时，当刀杆高速旋转时，刀杆较大的质量易引起较大的离心力与陀螺力矩，增大激振力的幅值，恶化铣削颤振。

发明内容

本发明为解决因卧式加工方式和铣刀杆长径比大(长径比大于等于7)引起的抗振性差、加工效率难以提高的问题，提出了一种装配式减振型铣刀。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种卧式装配型减振铣刀，包括刀盘、减振结构和刀柄；所述的减振结构包括三层结构，由内向外依次是阻尼层、碳纤维复合材料层和硬质合金层；减振机构的一端伸入到刀柄的空腔内，另一端伸入到铣刀盘的空腔内，减振结构与刀柄、铣刀盘可拆卸连接，形成装配式铣刀。

进一步的，所述的硬质合金层为一个空心圆柱状结构，其一端封闭，另一端敞口，形成一个内腔；所述的硬质合金层用于提高刀杆的刚性，从而提高了铣刀的抗振性能。

进一步的，所述的碳纤维复合材料层使用环氧橡胶粘剂粘充在硬质合金层的内腔内。由于碳纤维复合材料具有较高的弹性模量和较小的密度，既可以提高铣刀杆的刚性，又可以减小其整体的质量。

进一步的，所述的阻尼层采用泡沫铝棒，所述的泡沫铝棒同样使用环氧橡胶粘剂黏在碳纤维复合材料层的内腔内；而泡沫铝的阻尼性较好，可以吸收铣削过程中的振动能量，起到减振的作用。

进一步的，所述的减振结构与刀柄之间通过螺栓和平键连接，所述的螺栓用于限制减振结构的轴向运动；所述的平键用于限制减振结构的周向运动。

进一步的，所述的减振机构的外圈设有类法兰，在所述的类法兰的圆周方向上设有螺纹孔；在所述的刀柄与减振机构配合的端部也设有螺纹孔，螺栓连接两个螺纹孔，用于限制减振结构的轴向运动；且在类法兰和刀柄端部的圆周方向上还设有键槽，所述的平键安装在该键槽内，用于限制减振结构的周向运动。

进一步的，所述的刀柄，材质选取为高弹性模量的合金结构钢。在铣刀铣削时，所述的刀柄带有拉钉的一端夹持在机床主轴上，另一端通过螺栓、平键与减振结构连接。

进一步的，所述的减振结构与铣刀盘之间也通过沿其圆周方向分布的平键连接。

进一步的，所述的阻尼层、碳纤维复合材料层和硬质合金层的厚度比为1.5:1:1.5。上述三层材料厚度按上述比例分布，既能保证刀杆整体的阻尼性能与良好的刚性，又能适当的减小刀杆的重量。

进一步，所述的阻尼层和碳纤维复合材料层占减振机构总长的比值皆为0.7，这样的设置可以达到阻尼层和碳纤维材料层体积的最优，保证刀杆的阻尼性和减重需要。而且可以使得减振结构与刀盘连接的一端为硬质合金材料，不仅能确保连接关系的刚度，又能起到抑制振动的作用。

本发明的有益效果：

1.本发明将铣刀刀杆设计成装配式，由后端的刀柄与中间的减振结构部分构成，从而为减振设计提供了结构基础。而且不需要把刀柄部分硬质合金化，具有良好的经济性。

2.本发明在装配刀柄与减振结构时，为防止减振结构发生相对刀柄的的轴向与周向的运动，设计了一种类法兰的连接方式，实现了自由度的约束和转矩的传递。

3.本发明的减振结构通过不同材料间的叠加，不仅提高了刀杆的刚性与阻尼，达到防振与抑振的作用，而且减小了刀杆的重量。

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是卧式装配型减振铣刀的立体结构示意图；

图2是图1的爆炸图示意图；

图3是刀柄的结构示意图；

图4是减振结构的结构示意图；

图5是减振结构的剖视图；

图6是平键的结构示意图；

图中：1刀柄，2紧固螺钉，3减振结构，4铣刀盘，5平键，6拉钉，7阻尼层，8类法兰，9硬质合金层，10环状结构，11平键紧固螺钉，12碳纤维复合材料层；13刀柄内腔，14平键槽，15螺纹孔。

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；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中卧式铣刀刀杆因悬臂过长导致刚性相对减小；而且在加工时铣刀具有较高的转速，导致铣刀与工件持续接触时产生剧烈的颤振，严重影响加工效率与加工质量；另外，卧式铣刀的质量对铣削稳定性有较大的影响。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种卧式装配型减振铣刀。

名词解释部分：本发明主要是针对卧式加工方式和铣刀杆长径比大的铣刀进行的改进，一般是指长径比大于等于7的铣刀。

本发明中所述的“类法兰”是指类似于法兰盘的结构。

本发明中所述的硬质合金层弹性模量要求大于等于600Gpa。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种卧式装配型减振铣刀，主要包括刀柄1、减振结构3、铣刀盘4以及用于部件间连接的螺钉与平键；所述各构件间的连接关系，具体形式如图2所示；

如图3所示，所述刀柄1的一端设有拉钉6，在铣削时拉钉6被夹持在机床主轴上，刀柄1的另一端设有一个刀柄内腔13，该刀柄内腔13与减振结构配合连接。

如图4所示，所述的减振结构后端插入到刀柄内腔孔内，其上的类法兰8结构通过4个紧固螺钉2紧固在刀柄上的螺纹孔，约束减振结构轴向运动；而减振结构的周向运动通过两个平键块5(图6)进行限制。

如图5所示，减振结构由三层材料构成，从外到内分别为硬质合金层9、碳纤维复合材料层12和阻尼层7。

硬质合金层所述的硬质合金层用于提高刀杆的刚性，从而提高了铣刀的抗振性能，其为一个空心圆柱状结构，其一端封闭，另一端敞口，形成一个内腔；材质为硬质合金，具有较高的弹性模量，起到抗振的作用。

硬质合金层的外圈设有类法兰，在所述的类法兰的圆周方向上设有螺纹孔；在所述的刀柄与减振机构配合的端部也设有螺纹孔，螺钉连接两个螺纹孔，用于限制减振结构的轴向运动；且在类法兰和刀柄端部的圆周方向上还设有键槽，所述的平键安装在该键槽内，用于限制减振结构的周向运动。

上述类法兰与硬质合金层采用一体成型的方式形成，其材质与硬质合金层的材质相同。

在所述的硬质合金层的外表面还设有一圈环状结构10，在该环状结构10上设有键槽，用于实现与铣刀盘4的可拆卸连接。

碳纤维复合材料层12，使用环氧橡胶粘剂嵌入在硬质合金层内腔中，材质为碳纤维复合材料，具有相对较高的弹性模量和较小的密度，既能起到抗振的作用，同时又能减小刀杆的重量。

阻尼层7采用泡沫铝棒结构，插入在碳纤维复合结构的内腔内，起到吸振的作用。

进一步优选的，在厚度要求上，所述的阻尼层、碳纤维复合材料层和硬质合金层的厚度比为1.5:1:1.5。上述三层材料厚度按上述比例分布，既能保证刀杆整体的阻尼性能与良好的刚性，又能适当的减小刀杆的重量；

如果硬质合金层过厚，导致碳纤维复合材料层或阻尼层过薄，阻尼性能降低，且刀杆的重量增加；

如果硬质合金层过薄，刀杆的刚度没法保证，抑制振动的能力减小；

如果碳纤维复合材料层厚度过厚，硬质合金层或阻尼层变薄，刀杆整体的刚性或阻尼性降低，影响抑振或吸振的能力；

如果碳纤维复合材料层厚度过薄，硬质合金层或阻尼层过厚，虽然刀杆的刚性或阻尼性增强，但刀杆的重量增大，离心力变大，激振力增大，且制作成本增加；

选择碳纤维复合材料层占阻尼层和碳纤维复合材料层厚度的2/3。在满足刀杆刚性和阻尼性的条件下，选择弹性模量高、密度小的碳纤维材料，既能保证刀杆的刚性，又能减小整体重量，且经济性较好。

如果阻尼层过厚，则硬质合金层或碳纤维复合材料层变薄，无法满足刀杆的刚性要求；

如果阻尼层过薄，刀杆的阻尼性无法满足，吸收振动能量的能力降低。

进一步优选的，在长度要求上，所述的阻尼层和碳纤维复合材料层占减振机构总长的比值皆为0.7，这样的设置可以达到阻尼层和碳纤维材料层体积的最优，保证刀杆的阻尼性和减重需要。而且可以使得减振结构与刀盘连接的一端为硬质合金材料，不仅能确保连接关系的刚度，又能起到抑振的作用。

具体的例如：硬质合金层外径选择40mm，内径为25mm时，碳纤维复合材料层12的外径为25mm，内径15mm；阻尼层7采用泡沫铝层结构，其直径为15mm。

当硬质合金层外径的数值改变时，碳纤维复合材料层和阻尼层的厚度按照设定的比例等比例扩大或者缩小。

减振结构3的后端与刀柄相连，前端与刀盘连接；同样是采用平键以及螺栓的连接方式。

本发明将铣刀刀杆设计成装配式，由后端的刀柄与中间的减振结构部分构成，从而为减振设计提供了结构基础。而且不需要把刀柄部分硬质合金化，具有良好的经济性。

本发明在装配刀柄与减振结构时，为防止减振结构发生相对刀柄的轴向与周向的运动，设计了一种类法兰的连接方式，实现了自由度的约束和转矩的传递。

本发明的减振结构通过不同材料间的叠加，同时提高了刀杆的刚性与阻尼，达到防振与抑振的作用，且减小了刀杆的重量。

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)

1.一种卧式装配型减振铣刀，其特征在于，包括刀盘、减振结构和刀柄；所述的减振结构包括三层结构，由内向外依次是阻尼层、碳纤维复合材料层和硬质合金层；减振结构的一端伸入到刀柄的空腔内，另一端伸入到铣刀盘的空腔内，减振结构与刀柄、铣刀盘可拆卸连接，形成装配式铣刀。

2.如权利要求1所述的一种卧式装配型减振铣刀，其特征在于，所述的硬质合金层为一个空心圆柱状结构，其一端封闭，另一端敞口，形成一个内腔。

3.如权利要求2所述的一种卧式装配型减振铣刀，其特征在于，所述的碳纤维复合材料层使用环氧橡胶粘剂粘充在硬质合金层的内腔内。

4.如权利要求3所述的一种卧式装配型减振铣刀，其特征在于，所述的阻尼层采用泡沫铝棒，所述的泡沫铝棒同样使用环氧橡胶粘剂黏在碳纤维复合材料层的内腔内。

5.如权利要求1所述的一种卧式装配型减振铣刀，其特征在于，所述的减振结构与刀柄之间通过螺栓和平键连接，所述的螺栓用于限制减振结构的轴向运动；所述的平键用于限制减振结构的周向运动。

6.如权利要求1所述的一种卧式装配型减振铣刀，其特征在于，所述的减振结构的外圈设有类法兰，在所述的类法兰的圆周方向上设有螺纹孔；在所述的刀柄与减振结构配合的端部也设有螺纹孔，螺栓连接两个螺纹孔，用于限制减振结构的轴向运动；且在类法兰和刀柄端部的圆周方向上还设有键槽，所述的平键安装在该键槽内，用于限制减振结构的周向运动。

7.如权利要求1所述的一种卧式装配型减振铣刀，其特征在于，所述的刀柄，材质选取为高弹性模量的合金结构钢。

8.如权利要求1所述的一种卧式装配型减振铣刀，其特征在于，所述的减振结构与铣刀盘之间也通过沿其圆周方向分布的平键连接。

9.如权利要求1所述的一种卧式装配型减振铣刀，其特征在于，所述的阻尼层、碳纤维复合材料层和硬质合金层的厚度比为1.5:1:1.5。

10.如权利要求1所述的一种卧式装配型减振铣刀，其特征在于，所述的阻尼层和碳纤维复合材料层占减振机构总长的比值皆为0.7。