CN110202170B - 一种变刚度自抑振智能活顶尖 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于切削振动控制的变刚度自抑振智能活顶尖,采用微位移驱动器,在线实时调整智能活顶尖中一对角接触球轴承的轴向工作游隙,以达到在线控制顶尖轴轴向和径向支撑刚度和由顶尖、工件和机床卡盘组成的切削/磨削工艺系统的轴向和径向固有频率。同时,通过智能活顶尖内置力传感器可以实时监测感知顶尖轴所受静态负载和动态负载力,根据静态负载力在线调整顶尖轴支撑刚度,通过动态负载力感知切削加工振动状态。当监测到切削工艺系统发生颤振或振动剧烈时,可快速调整顶尖轴向和径向支撑刚度,使切削工艺系统固有频率发生改变以抑制和消除切削加工中的工件振动,保证加工精度和加工表面质量,提高刀具使用寿命。

Description

一种变刚度自抑振智能活顶尖
技术领域
本发明涉及一种变刚度自抑振智能活顶尖,属于机械加工振动控制仪器领域。
背景技术
机床已经广泛应用于机械领域的各个行业中,如航天、航空、航海、汽车、高铁等。在机床加工工件的过程中,为了保证工件尤其是轴类工件的同轴度以及加工精度,会在机床尾部安装配套的顶尖对工件加以固定。机床顶尖是机床在进行加工工件时有效的装夹工具,由顶尖头、轴承、外套筒等组成。机床在加工过程中,刀具的不断移动,刀具在工件的不同位置上的切削力也在不断变化;并且在切削的过程中,工件切削振动频率会激发工件固有频率附近的自激振动,从而产生颤振,影响工件加工的精度。随着机床行业的发展,机床的进给速度和切削速度不断提高,必须对机床的顶尖提出更高的要求,进而保证加工过程中工件的稳定性。
发明内容
本发明的目的是在于该智能活顶尖在车床和磨床上用于固定装夹被加工零件时,可实现对工件的轴向和径向支撑刚度的实时调控,达到在线改变卡盘、工件和顶尖工艺系统的固有频率的作用。在此基础上,通过在线变刚度控制方法可达到切削磨削加工振动的有效控制。
本发明的技术方案如下:
一种用于切削振动控制的变刚度自抑振智能活顶尖,其特征在于:主要包括前端盖1、紧定螺钉2、顶尖头3、前套环4、角接触轴承5、钢珠6、压电陶瓷套筒7、固定元件8、紧固螺钉9、外套筒10、压电陶瓷11、推力元件12、后套环13、顶尖轴14、双列滚柱轴承15、橡胶垫圈16、O型密封圈17、力传感器18、内六角圆柱头螺钉19,如图1和图2所示。钢珠6、压电陶瓷套筒7、固定元件8、压电陶瓷11、力传感器18、内六角圆柱头螺钉19相互连接后经紧固螺钉9安装于外套筒10内部;顶尖头3通过锥孔配合安装于顶尖轴14内;所述一对角接触轴承5、后套环13通过过盈配合安装在顶尖轴14上,前套环4安装于一对角接触轴承5之间,并且间隙配合于外套筒10内部;所述推力元件12由压电陶瓷11及钢珠6推动,轴向作用于角接触轴承5外圈一侧;橡胶垫圈16嵌套在前端盖1上,与外套筒10螺纹连接;O型密封圈17嵌套在前端盖1和顶尖轴3之间;
该智能活顶尖在车床和磨床上用于固定装夹被加工零件时,可实现对工件的轴向和径向支撑刚度的实时调控,达到在线改变卡盘、工件和顶尖工艺系统的固有频率的作用。在此基础上,通过在线变刚度控制方法可达到切削磨削加工振动的有效控制。
采用压电陶瓷微位移驱动器,通过推力元件对一对角接触轴承实施轴向定位预紧,在线实时调整一对用于支撑顶尖轴的角接触球轴承的轴向工作游隙,改变轴承预紧力,使轴承滚动体和内外圈产生一定的预紧变形,以达到在线控制工件轴向和径向支撑刚度的作用。
建立机床切削工艺系统的支撑刚度在线自适应控制系统,抑制和消除切削加工中的工件振动,该系统的原理框图如图3所示。通过压电陶瓷驱动器尾部的力传感器可以实时监测感知顶尖轴所受轴向静态负载和动态负载,根据静态负载力在线精确调整顶尖轴轴向和径向刚度,通过动态负载力感知切削加工振动状态。当监测到切削工艺系统发生颤振或振动剧烈时,可在线快速调整顶尖轴向和径向刚度,使由顶尖、工件和机床卡盘组成的切削工艺系统的轴向和径向固有频率发生改变,以抑制和消除切削加工中的工件振动。
基于该变刚度智能活顶尖,可以实现工件固有频率在一定范围内连续周期性快速变化,以达到工件切削振动频率无法激发工件固有频率附近的自激振动,避免颤振,抑制加工振动振幅的增加,提高工件加工质量和刀具使用寿命。
附图说明:
图1为变刚度自抑振智能活顶尖全剖面示意图。
图2为变刚度自抑振智能活顶尖局部剖面示意图。
图3为支撑刚度在线自适应控制系统示意图。
图4为软件测得的频响示意图伸长长度。
图5为软件测得的频响示意图收缩长度
图中:
1—前端盖 8—固定元件 15—双列滚柱轴承
2—紧定螺钉 9—紧固螺钉 16—橡胶垫圈
3—顶尖头 10—外套筒 17—O型密封圈
4—前套环 11—压电陶瓷 18—力传感器
5—角接触轴承 12—推力元件 19—内六角圆柱头螺钉
6—钢珠 13—后套环
7—压电陶瓷套筒 14—顶尖轴
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
一种用于切削振动控制的变刚度自抑振智能活顶尖,其特征在于:包括前端盖1、紧定螺钉2、顶尖头3、前套环4、角接触轴承5、钢珠6、压电陶瓷套筒7、固定元件8、紧固螺钉9、外套筒10、压电陶瓷11、推力元件12、后套环13、顶尖轴14、双列滚柱轴承15、橡胶垫圈16、O型密封圈17、力传感器18和内六角圆柱头螺钉19;
钢珠6、压电陶瓷套筒7、固定元件8、压电陶瓷11、力传感器18、内六角圆柱头螺钉19相互连接后经紧固螺钉9安装于外套筒10内部;钢珠6设置在压电陶瓷套筒7的顶部,钢珠6、压电陶瓷套筒7之间设有压电陶瓷11,压电陶瓷套筒7安装在固定元件8上;力传感器18通过内六角圆柱头螺钉19安装在压电陶瓷套筒7的周向;顶尖头3通过锥孔配合安装于顶尖轴14内;一对所述角接触轴承5和一对所述后套环13通过过盈配合安装在顶尖轴14上,前套环4安装于一对角接触轴承5之间,并且间隙配合于外套筒10的内部;所述推力元件12由压电陶瓷11及钢珠6推动,轴向作用于角接触轴承5外圈一侧;橡胶垫圈16嵌套在前端盖1上,与外套筒10螺纹连接;O型密封圈17嵌套在前端盖1和顶尖轴3之间。
该智能活顶尖在车床和磨床上用于固定装夹被加工零件时,实现对被加工零件的轴向和径向支撑刚度的实时调控,达到在线改变卡盘、工件和顶尖工艺系统的固有频率的作用,通过在线变刚度控制方法达到切削磨削加工振动的有效控制。
采用压电陶瓷微位移驱动器,通过推力元件对一对角接触轴承实施轴向定位预紧,在线实时调整一对用于支撑顶尖轴的角接触球轴承的轴向工作游隙,改变轴承预紧力,使轴承滚动体和内外圈产生一定的预紧变形,以达到在线控制工件轴向和径向支撑刚度的作用。
采用压电陶瓷微位移驱动器,通过推力元件对一对角接触轴承实施轴向定位预紧,这对角接触轴承过盈配合于顶尖轴上,安装位置可以在顶尖轴的前端/后端,都达到控制工件轴向和径向支撑刚度的作用。
依次连接好PC电脑、压电陶瓷驱动电源、准静态电荷放大器和智能活顶尖,组成切削/磨削工艺系统固有频率在线闭环控制系统。通过压电陶瓷驱动器尾部的力传感器实时监测感知顶尖轴所受静态负载和动态负载,根据静态负载力反馈控制在线调整切削/磨削工艺系统固有频率,通过动态负载力感知切削/磨削加工振动状态。当监测到切削工艺系统发生颤振或振动剧烈时,在线快速调整切削/磨削工艺系统固有频率,使由顶尖、工件和机床卡盘组成的切削/磨削工艺系统的轴向和径向固有频率发生改变,以抑制和消除切削加工中的工件振动。
基于该变刚度智能活顶尖,实现工件固有频率在一定范围内连续周期性快速变化,以达到工件切削振动频率无法激发工件固有频率附近的自激振动,避免颤振,抑制加工振动振幅的增加,提高工件加工质量和刀具使用寿命。
如图1-图2所示,本发明是一种变刚度自抑振智能活顶尖,包括:一伸缩机构、一变刚度机构、一限位机构、一密封机构、以及力传感器18。在本实施例中,该伸缩机构包括钢珠6、压电陶瓷套筒7以及压电陶瓷11;该变刚度机构包括顶尖头3、前套环4、角接触轴承5、推力元件12、后套环13、顶尖轴14以及双列滚柱轴承15;该限位机构包括前端盖1、紧定螺钉2、固定元件8、紧固螺钉9、外套筒10、橡胶垫圈16以及内六角圆柱头螺钉19;该密封机构包括O型密封圈17。
伸缩机构内的压电陶瓷套筒7具有轴向开设的空腔,压电陶瓷11间隙嵌设在该空腔中,钢珠6镶嵌在压电陶瓷伸缩处的圆槽内。
变刚度机构含有一个双列滚柱轴承15和一对角接触轴承5,此三个轴承和后套环13过盈配合在顶尖轴14上,顶尖头3锥度配合于顶尖轴14的锥孔内,前套环4安装在双列滚柱轴承15和角接触轴承5之间,推力元件12紧贴于角接触轴承5的外环上;利用压电陶瓷7的压电特性,使其伸长或缩短,轴向力通过推力元件12作用于角接触轴承5外圈上,面对面安装的两个角接触轴承5滚珠游隙实时改变,顶尖的刚度也随之实时变化。
限位机构中固定元件8、紧固螺钉9、外套筒10和内六角圆柱头螺钉19对压电陶瓷7起固定作用,橡胶垫圈16位于前端盖1和外套筒10之间,可以通过前端盖1和外套筒10之间的螺纹配合压缩橡胶垫圈16,以便对压电陶瓷调节出适当的压力,避免压电陶瓷损坏。
密封机构包括O型密封圈17,主要是对变刚度自抑振智能活顶尖进行密封,防止顶尖在加工过程中进入微尘等杂物,避免对顶尖的正常运转产生影响。
依次连接好PC电脑、压电陶瓷驱动电源、准静态电荷放大器和智能顶尖,然后接通压电陶瓷驱动电源和准静态电荷放大器的电源,将功放电荷增益适当提高。启动压电陶瓷驱动电源控制软件,调节合适的驱动电压,然后点击前面面板上的运行按钮即可实现对工件轴向和径向支撑刚度的在线调控。
建立机床切削工艺系统的支撑刚度在线自适应控制系统。通过压电陶瓷驱动器尾部的力传感器可以实时监测感知顶尖轴所受轴向静态负载和动态负载,经过准静态电荷放大器反馈到PC计算机中,根据静态负载力在线精确调整顶尖轴轴向和径向刚度,通过动态负载力感知切削加工振动状态。当监测到切削工艺系统发生颤振或振动剧烈时,可在线快速调整顶尖轴向和径向刚度,使由顶尖、工件和机床卡盘组成的切削工艺系统的轴向和径向固有频率发生改变,以抑制和消除切削加工中的工件振动。
以上是本发明的一个实施案例,本发明的实施不限于此。
实施效果:试验材料选择45号钢棒,其规格为700mm×35mm。同时使用B&K的频响测试系统,DGS-6C的测微仪。通过B&K软件测得的频响如图4和图5所示。从图4和图5可以看出,顶尖伸长,一阶频率增大;顶尖缩短,一阶频率减小。从一阶固有频率随顶尖伸长量变化可知,智能顶尖的一阶固有频率变化幅度为4.5%,从而根据固有频率与支撑刚度的关系得出,最大支撑刚度变化幅度可达9.3%左右。

Claims (7)

1.一种用于切削振动控制的变刚度自抑振智能活顶尖,其特征在于:包括前端盖(1)、紧定螺钉(2)、顶尖头(3)、前套环(4)、角接触轴承(5)、钢珠(6)、压电陶瓷套筒(7)、固定元件(8)、紧固螺钉(9)、外套筒(10)、压电陶瓷(11)、推力元件(12)、后套环(13)、顶尖轴(14)、双列滚柱轴承(15)、橡胶垫圈(16)、O型密封圈(17)、力传感器(18)和内六角圆柱头螺钉(19);
钢珠(6)、压电陶瓷套筒(7)、固定元件(8)、压电陶瓷(11)、力传感器(18)、内六角圆柱头螺钉(19)相互连接后经紧固螺钉(9)安装于外套筒(10)内部;钢珠(6)设置在压电陶瓷套筒(7)的顶部,钢珠(6)、压电陶瓷套筒(7)之间设有压电陶瓷(11),压电陶瓷套筒(7)安装在固定元件(8)上;力传感器(18)通过内六角圆柱头螺钉(19)安装在压电陶瓷套筒(7)的周向;顶尖头(3)通过锥孔配合安装于顶尖轴(14)内;一对所述角接触轴承(5)和一对所述后套环(13)通过过盈配合安装在顶尖轴(14)上,前套环(4)安装于一对角接触轴承(5)之间,并且间隙配合于外套筒(10)的内部;所述推力元件(12)由压电陶瓷(11)及钢珠(6)推动,轴向作用于角接触轴承(5)外圈一侧;橡胶垫圈(16)嵌套在前端盖(1)上,与外套筒(10)螺纹连接;O型密封圈(17)嵌套在前端盖(1)和顶尖轴(14)之间;紧定螺钉(2)位于外套筒(10)前端,与外套筒(10)螺纹连接,并且螺纹贯穿外套筒(10)。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度自抑振智能活顶尖,其特征在于:该智能活顶尖在车床和磨床上用于固定装夹被加工零件时,实现对被加工零件的轴向和径向支撑刚度的实时调控,达到在线改变卡盘、工件和顶尖工艺系统的固有频率的作用,通过在线变刚度控制方法达到切削磨削加工振动的有效控制。
3.根据权利要求1所述的一种变刚度自抑振智能活顶尖,其特征在于:采用压电陶瓷微位移驱动器,通过推力元件对一对角接触轴承实施轴向定位预紧,在线实时调整一对用于支撑顶尖轴的角接触球轴承的轴向工作游隙,改变轴承预紧力,使轴承滚动体和内外圈产生一定的预紧变形,以达到在线控制工件轴向和径向支撑刚度的作用。
4.根据权利要求1所述的一种变刚度自抑振智能活顶尖,其特征在于:采用压电陶瓷微位移驱动器,通过推力元件对一对角接触轴承实施轴向定位预紧,这对角接触轴承过盈配合于顶尖轴上,安装位置可以在顶尖轴的前端/后端,都达到控制工件轴向和径向支撑刚度的作用;角接触轴承的安装位置是成对安装顶尖轴的前端/后端。
5.根据权利要求1所述的一种变刚度自抑振智能活顶尖,其特征在于:依次连接好PC电脑、压电陶瓷驱动电源、准静态电荷放大器和智能活顶尖,组成切削/磨削工艺系统固有频率在线闭环控制系统;通过压电陶瓷驱动器尾部的力传感器实时监测感知顶尖轴所受静态负载和动态负载,根据静态负载力反馈控制在线调整切削/磨削工艺系统固有频率,通过动态负载力感知切削/磨削加工振动状态;当监测到切削工艺系统发生颤振或振动剧烈时,在线快速调整切削/磨削工艺系统固有频率,使由顶尖、工件和机床卡盘组成的切削/磨削工艺系统的轴向和径向固有频率发生改变,以抑制和消除切削加工中的工件振动。
6.根据权利要求1所述的一种变刚度自抑振智能活顶尖,其特征在于:基于该变刚度智能活顶尖,实现工件固有频率在一定范围内连续周期性快速变化,以达到工件切削振动频率无法激发工件固有频率附近的自激振动,避免颤振,抑制加工振动振幅的增加,提高工件加工质量和刀具使用寿命。
7.根据权利要求1所述的一种变刚度自抑振智能活顶尖,其特征在于:压电陶瓷套筒(7)具有轴向开设的空腔,压电陶瓷(11)间隙嵌设在该空腔中,钢珠(6)镶嵌在压电陶瓷伸缩处的圆槽内。
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