CN109249043B - 减振车刀及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减振车刀及其设计方法，该减振车刀包括车刀和安装于所述车刀的动力吸振器，车刀包括依次连接的刀头、刀座和刀柄，刀柄靠近所述刀座的一侧设有用于安装所述动力吸振器的第一空腔，动力吸振器包括相互连接的第一吸振单元和第二吸振单元，第一吸振单元的一端与所述刀座连接，第一吸振单元的另一端悬置于所述第一空腔中，所述动力吸振器能够将所述车刀的振动能量分别转化为所述第一吸振单元的动能和所述第二吸振单元的热能，从而抑制车削加工中的颤振现象。本发明将动力吸振器安装在大长径比车刀上，并通过调节动力吸振器的刚度和阻尼比来进行减振，提升加工效率和精度；同时可减少因加工振动引起的刀具磨损，降低加工成本。

Description

减振车刀及其设计方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，特别是涉及一种减振车刀及其设计方法。

背景技术

航空航天领域，通常需要加工一些存在深孔、深腔结构的回转体复杂工件，由于结构限制，加工过程中需要采用长径比较大的车刀，但是,车刀长径比过大会导致加工系统刚度变差，在加工过程中容易产生切削颤振，进而影响正常的加工过程，降低车床的加工精度和加工速度，从而影响工件的质量和生产效率，严重时甚至会使切削工作无法正常进行，同时振动过程中产生的噪音也会对操作环境和操作者产生不利影响。

工件加工过程中，车刀的材料、结构和参数等均会对加工振动产生较大影响，由于刀具的材料和结构不易改变，传统的改进方法主要集中于对刀具的切削用量进行优化，但当长径比较大时，车刀为加工过程中的弱刚性环节，通过优化切削用量并不能明显提升加工效率。

发明内容

本发明的目的是至少解决上述缺陷与不足之一，该目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种减振车刀，包括车刀和安装于所述车刀的动力吸振器，所述车刀包括依次连接的刀头、刀座和刀柄，所述刀柄靠近所述刀座的一侧设有用于安装所述动力吸振器的第一空腔，所述动力吸振器包括相互连接的第一吸振单元和第二吸振单元，所述第一吸振单元的一端与所述刀座连接，所述第一吸振单元的另一端悬置于所述第一空腔中，所述动力吸振器能够将所述车刀的振动能量分别转化为所述第一吸振单元的动能和所述第二吸振单元的热能，从而抑制车削加工中的颤振现象。

进一步地，所述刀头、刀座和所述刀柄同轴设置，并且所述刀柄的中心轴线与所述第一空腔的中心轴线相同。

进一步地，所述刀座的一端和所述刀头通过紧固螺钉连接，所述刀座的另一端设有第二空腔，所述第二空腔处于所述刀柄的所述第一空腔中，并且，所述刀座的所述另一端通过螺纹与所述刀柄连接。

进一步地，所述第一吸振单元包括悬臂弹簧杆和质量块，所述悬臂弹簧杆的一端通过螺纹与所述刀座连接，所述悬臂弹簧杆的另一端与所述质量块连接，所述质量块悬置在所述第一空腔中，所述质量块上还设有用于对所述悬臂弹簧杆和所述质量块进行轴向固定的顶丝。

进一步地，所述第二吸振单元为阻尼单元，所述阻尼单元通过支座套设在所述悬臂弹簧杆的外周上。

进一步地，所述支座套设在所述悬臂弹簧杆的外周上，所述阻尼单元套设在所述支座的外周上，并且所述悬臂弹簧杆与所述支座通过螺纹连接，所述悬臂弹簧杆的中部设有与所述支座配合的外螺纹。

进一步地，所述阻尼单元为多个橡胶垫片，通过调整所述橡胶垫片的数量能够调节所述动力吸振器的阻尼比。

进一步地，所述质量块为金属钨块，所述质量块沿其轴向方向设有贯穿其前后两端的贯通孔，所述悬臂弹簧杆的所述另一端伸入所述贯通孔中与所述质量块连接，所述质量块沿其径向方向设有用于安装所述顶丝的螺纹孔，所述贯通孔与所述螺纹孔连通，通过调节所述悬臂弹簧杆伸入所述贯通孔的长度能够调节所述动力吸振器的刚度，进而调节所述动力吸振器的固有频率。

进一步地，所述质量块与所述第一空腔的内壁之间具有一定的间隙。

本发明还提供了一种上述减振车刀的设计方法，包括如下步骤：

S1、对车刀的结构进行设计，并通过仿真软件对结构进行优化，优化后制作车刀实物，并通过仿真测试获得车刀的动力学参数；

S2、确定动力吸振器与车刀的等效质量比，对动力吸振器的设计参数进行优化；

S3、根据动力吸振器的设计参数，对动力吸振器进行结构设计及优化后制作动力吸振器实物，并通过仿真测试调谐动力吸振器的固有频率使其与车刀的固有频率相匹配；

S4、将调谐好的动力吸振器和车刀装配在一起组成减振车刀，通过切削实验检验减振效果。

本发明的优点如下：

(1)本发明通过在大长径比车刀上安装动力吸振器来调节刀具的刚度和阻尼比来进而进行减振，在极大的提升车削加工效率的同时又能保证工件的精度。

(2)本发明可对具有深腔、深孔结构的回转体结构件进行较高精度的加工。

(3)本发明可减少因加工振动引起的刀具磨损，降低加工成本、提高加工效率，有利于增强产品的竞争力。

(4)本发明可降低车刀加工过程中的噪音污染，改善加工工人所处的加工环境。

(5)本发明结构简单，总体零件数目少且便于拆卸与安装，可安装在不同车床上，成本低、占用空间小、操作方便、适用范围广。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例提供的减振车刀的立体结构示意图(局部剖视)；

图2为本发明实施例提供的减振车刀的主视图(局部剖视)；

图3为本发明实施例提供的减振车刀的俯视图(局部剖视)；

图4为本发明实施例提供的减振车刀的侧视图(局部剖视)；

图5为本发明实施例提供的减振车刀的动力吸振器的结构示意图；

图6和图7为本发明实施例提供的减振车刀的刀头的结构示意图；

图8和图9为本发明实施例提供的减振车刀的刀座的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的减振车刀的刀柄的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的减振车刀的设计流程图。

图中附图标记如下：

1-车刀 2-动力吸振器

3-紧固螺钉

11-刀头 12-刀座

13-刀柄 21-悬臂弹簧杆

22-质量块 23-顶丝

24-橡胶垫片 25-支座

111-第一螺纹孔 112-凹台

121-第二螺纹孔 122-外螺纹

123-第二空腔 124-第三螺纹孔

125-安装平面 126-凸台

131-第一空腔 221-贯通孔

222-螺纹孔

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1至图10示出了根据本发明的实施方式提供的减振车刀的结构示意图。如图1至图10所示，本发明提供的减振车刀包括车刀1和安装于车刀1的动力吸振器2，车刀1包括同轴依次连接的刀头11、刀座12和刀柄13，在刀柄13上靠近刀座12的一侧设有与刀座12同轴的第一空腔131，用于放置动力吸振器2。车削加工过程中，刀头11处产生的振动能量从刀座12传递至刀柄13，通过内置在刀柄13中的动力吸振器2能够将车刀1的振动能量进行转化，从而抑制车削加工中的颤振现象。

动力吸振器2为悬臂梁式结构，包括第一吸振单元和第二吸振单元，第一吸振单元为刚度单元，包括悬臂弹簧杆21和质量块22，悬臂弹簧杆21的一端与刀座12连接，悬臂弹簧杆21的另一端与质量块22连接，使得质量块22能够悬置在第一空腔131中，质量块22上还设有用于对悬臂弹簧杆21和质量块22进行轴向固定的顶丝23，第一吸振单元能够通过改变动力吸振器2的刚度来调节动力吸振器2的固有频率使其与车刀1的固有频率相匹配，从而削减车刀1的振动能量。第二吸振单元为阻尼单元，阻尼单元包括橡胶垫片24，橡胶垫片24通过支座25套设在悬臂弹簧杆21的外周上。利用阻尼单元的弹性抑制作用能够将刀柄13的振动能量通过悬臂弹簧杆21转化为热能耗散，第二吸振单元能够改变动力吸振器2的阻尼使其达到最优阻尼比，从而达到减振目的。

具体地，减振车刀为大长径比减振车刀，刀头11可以对具有深腔、深孔结构的回转体结构件进行较高精度加工，并且刀头11以及安装在刀头11上边的刀片都可以进行更换以适应不同的加工要求。

刀头11和刀座12的前端通过紧固螺钉3固定连接，如图6至图9所示，刀头11上设有3个第一螺纹孔111，对应地，刀座12的前端设有3个与之相匹配的第二螺纹孔121，紧固螺钉3依次穿过第一螺纹孔111和第二螺纹孔121将刀头11和刀座12固定连接。

刀座12和刀柄13通过螺纹固定连接，刀座12后端的外圆柱面上设有外螺纹122，刀柄13的第一空腔131自其顶端向内设有一段与外螺纹122相配合的内螺纹。同时，刀座12前端的外径与刀柄13的外径相同，刀座12后端的外径小于第一空腔131的内径，使得刀座12的外螺纹122能够与第一空腔131的内螺纹以间隙配合的方式快速组装连接在一起。

刀座12的后端还设有用于放置动力吸振器3的阻尼单元的第二空腔123，第二空腔123内的底面上有第三螺纹孔124，通过第三螺纹孔124能够将悬臂弹簧杆21与刀座12进行固定连接。

刀座12和刀柄13装配时，将刀柄13的前端(第一空腔131)套入刀座12的后端并旋紧即可，装配完成后，刀座12的第二空腔123位于刀柄13的第一空腔131中，并且刀座12的第二空腔123与刀柄13的第一空腔131连通，形成用于放置动力吸振器2的容纳空间。

刀座12的第二空腔123用于放置橡胶垫片24和支座25，刀柄13的第一空腔131用于放置质量块22，且第一空腔131和第二空腔123均为中空的柱形空腔。柱形空腔不仅使得放置动力吸振器2的容纳空间的结构更加合理紧凑，还能够通过设置柱形空腔的开口处的螺纹将刀座12和刀柄13快速固定连接，拆装方便。

其他实施例中，刀座12和刀柄13也可通过螺接或焊接等方式固定连接，本发明不具体限定。采用螺接或焊接等方式固定连接时，无需设置第二空腔123，将刚性单元和阻尼单元均设置在第一空腔131中。采用本实施例提供的螺纹连接方式，将第二空腔123置于第一空腔131中，不仅能够保证刀座12和刀柄13连接牢固，减轻振动等因素的影响，还能够保证阻尼单元的稳定吸振效果。

第一空腔131的直径略大于质量块22的直径，使得质量块22与刀柄13的第一空腔131的内壁之间存在一定间隙，防止第一空腔131的内壁对质量块22的振动产生干涉，保证质量块22振动不受限制。

另外，在刀座12靠近前端的外圆柱面上铣出关于中心轴线对称的两个安装平面125，方便利用扳手进行安装拆卸。刀座12前端的外圆圆周上还设有两个对称分布的梯形截面凸台126，截面凸台126与刀头11底端的凹台112形成间隙配合，能够进行快速定位，防止用紧固螺钉3紧固连接时错位。

悬臂弹簧杆21为动力吸振器2主要的刚度单元，悬臂弹簧杆21在振动情况下支撑质量块22保持悬空状态，承受质量块22的全部重量。

具体地，悬臂弹簧杆21为三段式杆状结构，悬臂弹簧杆21的前段部设有与刀座12的第三螺纹孔124相配合连接的外螺纹；悬臂弹簧杆21的中间段部设有与支座25相配合的外螺纹，支座25外圆周上套设有多个橡胶垫片24；悬臂弹簧杆21的后段部与质量块22连接，并且将后段部的圆柱面铣为平面，后段部平面的长度与质量块22的长度相同。将与质量块22连接的后段部铣为平面，增大顶丝23与悬臂弹簧杆21的接触面积，使顶丝23能够压在该平面上，实现悬臂弹簧杆21和质量块22的轴向固定，该固定方式使得悬臂弹簧杆21的长度可以调节以改变刚度，获得弹簧刚度可调的动力吸振器2。

质量块22为圆柱体状结构，由于质量块22在动力吸振器2中占据大部分质量，因此将质量块22当作动力吸振器2的等效质量单元。如图5所示，质量块22的中心沿轴向方向设有贯通其前、后两端的贯通孔221，悬臂弹簧杆21的后段部伸入质量块22的贯通孔221中支撑质量块22。质量块22的圆柱面上(沿其径向方向)设有用于安装顶丝23的螺纹孔222，螺纹孔222与贯通孔221连通，顶丝23安装到质量块22的圆柱面上的螺纹孔222中，能够与插入贯通孔221中的悬臂弹簧杆21相抵接，通过产生径向压力来增大摩擦力实现质量块22与悬臂弹簧杆21之间的轴向固定。其他实施例中，质量块22的形状也可以为正方体、长方体或其他不规则的立体形状。

具体安装时，先取出顶丝23，调节悬臂弹簧杆21插入质量块22的贯通孔221中的长度，当确定好二者的配合长度后，再装入顶丝23固定，就可以改变动力吸振器2的刚度，通过改变刚度来调节动力吸振器2的固有频率使其与车刀1的固有频率相匹配。

质量块22优选金属钨材料制成，质量块22的长度受第一空腔131长度的限制，由于实际使用过程中要改变质量块22与悬臂弹簧杆21的连接位置来改变刚度进行调谐，因此，第一空腔131中预留出一定的轴向空间，即悬臂弹簧杆21与质量块22连接后的总长度小于第一空腔131的长度。

支座25为圆柱体结构，其中心设有贯穿其前后两端的螺纹孔，用来连接悬臂弹簧杆21。支座25能够使悬臂弹簧杆21不直接接触橡胶垫片24，减小悬臂弹簧杆21振动时对橡胶垫片24的作用力，减轻悬臂弹簧杆21由于振动对于橡胶垫片24产生的磨损，防止动力吸振器2长期工作后，因橡胶垫片24的松动而造成减振性能下降。

橡胶垫片24为环形的片状结构，由阻尼减振材料聚氨酯制成，该材料的阻尼特性、硬度、耐磨性均较好。在振动过程中，橡胶垫片24能够将悬臂弹簧杆21的动能转化为热能，从而达到减振目的。橡胶垫片24的外圆直径比刀座12的第二空腔123的直径略大，通过过盈配合对其进行限位，能够保证其固定在刀座12的第二空腔123中并且不会沿轴向移动；橡胶垫片24的内圆直径与支座25的外径相匹配。

安装在支座25上的橡胶垫片24的数量可以根据车削加工过程中的振动情况调节确定，通过增减橡胶垫片24的数量可以改变动力吸振器2的阻尼比，使得动力吸振器2在实际应用过程中可以进行调谐，从而实现车刀1的最佳减振效果。另外,采用橡胶垫片24还能够降低振动过程中产生的噪音，改善加工环境。

悬臂弹簧杆21、质量块22与顶丝23配合能够实现动力吸振，当车刀产生较大振动时，悬臂弹簧杆21能够将车刀1的振动能量转化为质量块22的振动能量，以此来抑制加工过程中产生的振动；同时动力吸振器2上的悬臂弹簧杆21与质量块22通过顶丝23进行固定，根据车刀1不同的振动情况可进行位置调节，以此来实现最优减振。此外，为进一步提高减振效果，在悬臂弹簧杆21上设置阻尼单元，能够将振动的动能转化为热能消耗，并且可通过增减阻尼单元的数量来调节阻尼比,获得最佳阻尼特性,达到最佳减振效果。

本发明通过在大长径比车刀上安装动力吸振器来调节刀具的刚度和阻尼比来进行减振，在极大的提升车削加工效率的同时又能保证工件的精度；还可减少因加工振动引起的刀具磨损，降低加工成本、提高加工效率，有利于增强产品的竞争力；另外，本发明可降低车刀加工过程中的噪音污染，改善加工工人所处的加工环境；此外，本发明结构简单，总体零件数目少且便于拆卸与安装，可安装在不同车床上，成本低、占用空间小、操作方便、适用性广。

图11示出了本发明实施例提供的减振车刀的具体设计流程图，依次对车刀和动力吸振器2进行设计，以获得最佳减振效果的减振车刀。包括如下步骤：

步骤S1、对车刀的结构进行设计，并通过仿真软件对结构进行优化，优化后制作车刀实物，并通过仿真测试获得车刀的动力学参数。

具体实施中，先对车刀1的主体结构进行设计，为使动力吸振器2内置于车刀1中同时又方便安装拆卸，将车刀1设计为包括刀头11、刀座12、刀柄13的三段式中空结构；利用有限元仿真软件对所设计的车刀主体结构进行静力学分析、模态分析、谐响应分析，得到其各项静力学、动力学参数，根据分析结果进一步对结构进行优化，直至达到目标参数；之后制作车刀实物并通过动力学仿真软件测试车刀频响函数，并进行模态辨识，得到其固有频率、等效质量、阻尼比等动力学参数。

步骤S2、确定动力吸振器与车刀的等效质量比，对动力吸振器的设计参数进行优化。

车刀设计完成后，指定动力吸振器2与车刀1的等效质量比，对动力吸振器1的设计参数进行优化。对车削而言，无颤振的临界切深仅由刀具—工件相对频响函数的负实部决定，因此采用的优化方法是建立动力吸振器抑制车刀振动的目标函数，在最大化刀尖频响函数负实部最小值的基础上，利用数值仿真的方法对动力吸振器的刚度和阻尼进行优化，以此来提高加工过程中的切削稳定性。

其中，动力吸振器2的刚度优化参数对应最优频率比，其为动力吸振器2与车刀1的固有频率之比；阻尼优化参数对应最优阻尼比，当二者达到最优时，动力吸振器2就可以达到最佳减振效果。

步骤S3、根据动力吸振器的设计参数，对动力吸振器进行结构设计及优化后制作动力吸振器实物，并通过仿真测试调谐动力吸振器的固有频率使其与车刀的固有频率相匹配。

以上两个设计参数(刚度优化参数、阻尼优化参数)确定后，对动力吸振器进行结构设计，利用有限元仿真软件对动力吸振器2的结构进行分析并进一步优化，使其达到最优频率比和阻尼比。之后制作动力吸振器实物并对其进行模态测试、分析，通过调谐使其固有频率与车刀的固有频率相匹配。

步骤S4、将调谐好的动力吸振器和车刀装配在一起组成减振车刀，通过切削实验检验减振效果。

将安装有动力吸振器2的大长径比减振车刀安装到车床上，对其进行模态测试来检查频响函数的形状，并进行切削实验测试，对大长径比减振车刀在实际切削加工中的减振效果进行评估。

需要指出的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种减振车刀，其特征在于，包括车刀和安装于所述车刀的动力吸振器，所述车刀包括依次连接的刀头、刀座和刀柄，所述刀柄靠近所述刀座的一侧设有用于安装所述动力吸振器的第一空腔，所述动力吸振器包括相互连接的第一吸振单元和第二吸振单元，所述第一吸振单元的一端与所述刀座连接，所述第一吸振单元的另一端悬置于所述第一空腔中，所述第一吸振单元包括悬臂弹簧杆和质量块，所述悬臂弹簧杆的一端通过螺纹与所述刀座连接，所述悬臂弹簧杆的另一端与所述质量块连接，所述质量块悬置在所述第一空腔中，所述质量块上还设有用于对所述悬臂弹簧杆和所述质量块进行轴向固定的顶丝，所述第二吸振单元为阻尼单元，所述阻尼单元通过支座套设在所述悬臂弹簧杆的外周上，所述动力吸振器能够将所述车刀的振动能量分别转化为所述第一吸振单元的动能和所述第二吸振单元的热能，从而抑制车削加工中的颤振现象；

所述阻尼单元为多个橡胶垫片，通过调整所述橡胶垫片的数量能够调节所述动力吸振器的阻尼比。

2.根据权利要求1所述的减振车刀，其特征在于，所述刀头、刀座和所述刀柄同轴设置，并且所述刀柄的中心轴线与所述第一空腔的中心轴线相同。

3.根据权利要求2所述的减振车刀，其特征在于，所述刀座的一端和所述刀头通过紧固螺钉连接，所述刀座的另一端设有第二空腔，所述第二空腔处于所述刀柄的所述第一空腔中，并且，所述刀座的所述另一端通过螺纹与所述刀柄连接。

4.根据权利要求1所述的减振车刀，其特征在于，所述支座套设在所述悬臂弹簧杆的外周上，所述阻尼单元套设在所述支座的外周上，并且所述悬臂弹簧杆与所述支座通过螺纹连接，所述悬臂弹簧杆的中部设有与所述支座配合的外螺纹。

5.根据权利要求1所述的减振车刀，其特征在于，所述质量块为金属钨块，所述质量块沿其轴向方向设有贯穿其前后两端的贯通孔，所述悬臂弹簧杆的所述另一端伸入所述贯通孔中与所述质量块连接，所述质量块沿其径向方向设有用于安装所述顶丝的螺纹孔，所述贯通孔与所述螺纹孔连通，通过调节所述悬臂弹簧杆伸入所述贯通孔的长度能够调节所述动力吸振器的刚度，进而调节所述动力吸振器的固有频率。

6.根据权利要求1所述的减振车刀，其特征在于，所述质量块与所述第一空腔的内壁之间具有一定的间隙。

7.一种减振车刀的设计方法，用于设计根据权利要求1至6中的任一项所述的减振车刀，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对车刀的结构进行设计，并通过仿真软件对结构进行优化，优化后制作车刀实物，并通过仿真测试获得车刀的动力学参数；

S2、确定动力吸振器与车刀的等效质量比，对动力吸振器的设计参数进行优化；

S3、根据动力吸振器的设计参数，对动力吸振器进行结构设计及优化后制作动力吸振器实物，并通过仿真测试调谐动力吸振器的固有频率使其与车刀的固有频率相匹配；

S4、将调谐好的动力吸振器和车刀装配在一起组成减振车刀，通过切削实验检验减振效果。

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