CN111136501B - 一种外置式刀杆的阻尼减振机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外置式刀杆减振机构。本发明的减振机构由可调质量筒、可压缩弹性环、固定质量筒、弹性橡胶筒和紧定螺钉等五部分组成。通过调整可调质量筒旋入固定质量筒，使可压缩弹性环压缩内部弹性橡胶筒，进而实现调整可控振动范围的效果。本发明通过小斜度锥面压缩弹性橡胶筒，能够确保压缩过程的均匀性和可控制性；并且整体结构简单易于安装和调整，能够适用于所有具有圆形截面的细长刀杆，可同时控制多个方向的振动，可调性和适用性强。

Description

一种外置式刀杆的阻尼减振机构

技术领域

本发明属于阻尼减振技术领域，具体地涉及一种能够调节的外置式刀杆减振机构。

背景技术

在机械加工过程中，刀具在工件表面进行剧烈的切削过程，产生很大的切削力，如果刀具或者工件的刚度较差，则会出现强烈的振动，降低加工质量和加工效率。因此，针对加工过程中的减振技术得到许多工程人员和科研人员的重视和研究，当前，常用的减振技术一般可以分为三类：采用反馈控制能量源的主动控制技术、采用一般性能量源的半主动控制技术和无能量源输入的被动控制技术。其中，被动控制技术具有成本低、可靠性高的特点，在实际工程操作中得到了广泛研究和应用。

在实际加工过程中，受到加工工件形状和路径位置的约束，某些加工过程需采用大长径比的立铣刀、车刀和镗刀，此时弱刚性的长刀杆在加工过程中尤其容易诱发强烈振动，亟需采取有效的减振措施。诸如CN106994519A公开的减振车刀杆，通过设计内置阻尼层吸收刀具的振动以达到消振的目的。但受刀具本身尺寸较小的影响，其在实际安装过程较为复杂，并且需要在刀具内部留出空间而不具有通用性。另有诸如CN204771816U公开的铣刀用减振器，通过设计外置含颗粒的减振器以达到消振的目的。但其在使用安装过程中需要加热和冷却过程，耗时较长而严重降低加工效率，不具有实用性。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种便于调节频率，安装方式简便，可控制振动方向多，具有广泛适用性的外置式刀杆减振机构。

本发明是通过下述技术方案来实现的：

本发明提供了一种能够调节的外置式刀杆减振机构，该机构由可调质量筒、可压缩弹性环、固定质量筒、弹性橡胶筒和紧固件（优选，紧定螺钉，该部件为可选项）等五部分组成。

进一步的，所述可调质量筒是中空的圆柱体结构，其中圆柱外壁有外螺纹，内壁分为两段，内壁上段为光滑直面，内壁下段为向下逐渐向外倾斜的斜面，使得内壁下段直径逐渐增大。并且，在可调质量筒的上顶面均匀布置四个凹槽。

进一步的，所述可压缩弹性环是中空的圆柱薄壁结构，其中上下顶面分别均匀交错分布深槽。该弹性环内壁为光滑直面，外壁分为三段，上段和下段分别为朝向边缘逐渐向内倾斜的斜面，并且上段斜面斜度小，轴向长度大；下段斜面斜度大，轴向长度小；外壁的中段为光滑直面。

进一步的，所述固定质量筒是中空的圆柱体结构，其中圆柱外壁为光滑直面。内壁分为三段，上段为带有内螺纹的直面，中段为光滑直面，其中上段内螺纹齿顶直径与中段直面直径相同，下段为向下逐渐向内倾斜的斜面，该斜面斜度大，轴向长度小。在该固定质量筒的上段部分，沿圆柱体圆截面周向均匀布置了四个螺纹孔。

进一步的，可调质量筒的外螺纹和固定质量筒的内螺纹相互配合，模数相同；紧定螺钉和固定质量筒外壁上的螺纹孔配合，从外侧拧入以巩固可调质量筒和固定质量筒之间的螺纹配合。

可调质量筒的内壁下段斜面和可压缩弹性环的外壁上段斜面相互共面配合，斜度相同；固定质量筒的内壁下段斜面和可压缩弹性环的外壁下段斜面相互共面配合，斜度相同。本发明中所称的“斜度”是指各部件的轴向剖视图中斜面倾斜的角度，在其立体视图中亦可用“锥度”的角度进行描述剖视图中所示斜面所形成的锥面。优选地，可调质量筒与可压缩弹性环之间相互配合的锥面锥度（斜面斜度）较小，不得大于20°，优选为10°；目的是保证均匀压缩和精确可调，过大会降低调整精度。优选地，可压缩弹性环与固定质量筒之间相互配合的锥面锥度（斜面斜度）较大，目的是保证限位的牢固性，不得大于80°且不得小于45°，优选为60°；过大会降低压缩均匀性、而过小会降低限位的牢固性。

进一步的，弹性橡胶筒安装在可压缩弹性环的内侧，并且弹性橡胶筒的上顶面应该和可压缩弹性环的上顶面对齐，弹性橡胶筒的轴向长度不超过可压缩弹性环上段的轴向长度。橡胶筒的材料根据实际应用可选择金属橡胶、丁腈橡胶和硅橡胶等。

进一步的，可调质量筒、可压缩弹性环、固定质量筒和弹性橡胶筒的大小尺寸需要根据使用对象进行确定。

进一步的，可调质量筒和固定质量筒的材料选择密度较大的金属，如钨合金；可压缩弹性环的材料选择弹性变形能力较强的金属，如弹簧钢。

与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：

1. 本发明的减振机构通过调整可调质量筒旋入固定质量筒，使可压缩弹性环压缩其内部的弹性橡胶筒，进而实现调整可控振动范围的效果。本发明通过小斜度锥面压缩弹性橡胶筒，能够确保压缩过程的均匀性和可控制性。

2. 本发明整体结构简单易于安装和调整，能够适用于所有具有圆形截面的细长刀杆，可同时控制多个方向的振动，不占用刀具内部空间，无需对现有刀具本身进行改造，可调性和适用性强。

附图说明

图1为本发明所述减振机构的示意图（弹性橡胶筒未示出）；

图2为本发明所述减振机构中可调质量筒的全剖示意图；

图3为本发明所述减振机构中可压缩弹性环的侧向主视图；

图4为本发明所述减振机构中可压缩弹性环的俯视图；

图5为本发明所述减振机构中固定质量筒的全剖示意图；

图6为本发明所述减振机构配合铣刀在实际加工薄壁件的应用示意图；

图7为本发明所述减振机构应用在铣刀上的截面示意图；

图8为本发明所述减振机构配合铣刀的动力学模型主视图；

图9为本发明所述减振机构配合铣刀的动力学模型俯视图。

其中：1-可调质量筒，2-可压缩弹性环，3-紧定螺钉，4-固定质量筒，5-弹性橡胶筒，6-铣刀，7-薄壁曲面类工件。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图5所示，本发明提供了一种能够调节的外置式刀杆减振机构，其中：基于调谐质量阻尼器原理，该机构由可调质量筒1、可压缩弹性环2、紧定螺钉3、固定质量筒4和弹性橡胶筒5等五部分组成。

如图1和图2中所示，可调质量筒1是一种中空的圆柱体结构，其中圆柱外壁设有外螺纹（图1中未示出），内壁分为两段，内壁上段为光滑直面11，内壁下段为斜面12，使得内壁直径逐渐增大（越接近边缘筒壁越薄）。并且，在可调质量筒的上顶面均匀布置四个凹槽15（凹槽深度小于内壁上段纵向长度）。

如图1、图3和图4中所示，可压缩弹性环2是中空的圆柱薄壁结构，其中上下顶面分别均匀交错分布深槽25（上下深槽25-1、25-2的深度优选但不严格为弹性环轴向长度的三分之二，最小不应小于弹性环轴向长度的一半，最大不应大于弹性环轴向长度的四分之三）。该弹性环内壁为光滑直面，外壁分为三段，上段21和下段23为均为朝向边缘逐渐向内倾斜的斜面，并且上段斜面斜度小，轴向长度大；下段斜面斜度大，轴向长度小；外壁的中段22为光滑直面。

如图1和图5中所示，固定质量筒4是中空的圆柱体结构，其中圆柱外壁为光滑直面。内壁分为三段，上段41为带有内螺纹的直面，中段为光滑直面42，下段43为朝向边缘逐渐向内倾斜的斜面，该斜面斜度大，轴向长度小。在该固定质量筒的内壁具有螺纹的部分，沿圆柱体圆截面周向均匀布置了四个螺纹孔45，该螺纹孔45与用于紧固的下述紧定螺钉3配合。

其中从图7中可以看出，可调质量筒1的外螺纹和固定质量筒4的内螺纹相互配合，模数相同；可调质量筒1的内壁下段斜面12和可压缩弹性环2的外壁上段斜面21相互配合，斜度相同（10°）；固定质量筒4的内壁下段斜面43和可压缩弹性环2的外壁下段斜面23相互配合，斜度相同（60°）。紧定螺钉3和固定质量筒4上的螺纹孔45配合，从固定质量筒4的外侧拧入，用于进一步固定可调质量筒1和固顶质量筒4之间的相对位置。

进一步的，弹性橡胶筒5安装在可压缩弹性环2的内侧，并且弹性橡胶筒5的上顶面应该和可压缩弹性环2的上顶面对齐，长度不得超过可压缩弹性环2上段斜面21对应的位置。该弹性橡胶筒5的材料根据实际应用可选择金属橡胶、丁腈橡胶和硅橡胶等。

进一步的，可调质量筒1、可压缩弹性环2、固定质量筒4和弹性橡胶筒5的大小尺寸需要根据使用对象（例如，立铣刀刀杆）进行确定。可调质量筒1和固定质量筒4的材料选择密度较大的金属，如钨合金；可压缩弹性环2的材料选择弹性变形能力较强的金属，如弹簧钢。

具体的安装和使用：如图6所示，在铣削复杂形状工件时，由于部分加工区域位置较低，必须采用长径比较大的立铣刀，此时较大的铣削力作用在刚度较差的细长刀杆上，会使刀杆沿自身径向方向产生剧烈振动的现象，由于刀杆在加工过程中处于高速旋转状态，其实际振动较大的方向可能出现在刀杆圆截面任意一个直径方向，实际振动位移情况复杂，控制难度较大。此时，即可将本发明提供的一种能够调节的外置式刀杆减振机构应用于该铣削加工过程中，以实现振动的控制，达到有效的减振效果。在加工开始前，先将可压缩弹性环2套在弹性橡胶筒5外侧，随后，按照从下至上的顺序，将固定质量筒4、套在一起的可压缩弹性环2和弹性橡胶筒5、可调质量筒1依次从刀杆后端（也就是没有刀尖的一端）套入刀杆，如图7所示。该减振机构的安装位置应该位于尽量靠近刀尖、但又不影响切屑排出的位置，此处如果受到润滑切削液影响时，应该将弹性橡胶筒5的材质选为防锈金属橡胶或耐油减震橡胶。此时采用对应尺寸的月牙扳手夹住可调质量筒1上端的凹槽15，将可调质量筒1逐渐拧入固定质量筒4中，使可压缩弹性环2压缩内部弹性橡胶筒5，此时通过弹性环2的小斜度锥面使得内部弹性橡胶筒5得到均匀压缩，从而该减振机构所能控制的频率得到调整。将本发明所提供的外置式刀杆减振机构安装在刀杆上，则整个刀杆可作为连续体进行动力学建模，整个刀杆-阻尼器系统的动力学模型如图8和图9所示。根据模态振动原理，刀杆振动能量和实际振动位移以一阶为主，此时将减振机构安装至第一阶模态振型状态下的刀杆如图8所示，其中m、k和c分别代表调谐质量阻尼器中的质量、刚度和阻尼。图9为俯视图，从中可以看出本发明可从各个角度进行振动的控制，其具体效果可以采用锤击试验法进行验证。当可调质量筒1拧至合理深度后，将紧定螺钉3分别拧入固定质量筒4外壁的螺纹孔45中，保证刀杆在高速旋转过程不会出现螺纹配合松动的现象。可调质量筒1拧入的深度和角度都可以很方便的记录下来，从而在批量生产中可以重复调节使用，调整和装拆都很方便。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种外置式刀杆的阻尼减振机构，其特征在于：该减振机构包括可调质量筒、可压缩弹性环、固定质量筒、和弹性橡胶筒；

其中，所述可调质量筒是中空的圆柱体结构，其中圆柱外壁有外螺纹，内壁下段为逐渐向外倾斜的斜面，与所述可压缩弹性环的外壁上段斜面相互共面配合，斜度相同；

所述可压缩弹性环是中空的圆柱薄壁结构，其中上下顶面分别均匀交错分布深槽；所述可压缩弹性环内壁为光滑直面，外壁上段和外壁下段为朝向边缘逐渐向内倾斜的斜面；

所述固定质量筒是中空的圆柱体结构，其中内壁上段为带有内螺纹的直面，该内螺纹与所述可调质量筒的外螺纹相互配合，模数相同；内壁下段为逐渐向内倾斜的斜面，与所述可压缩弹性环的外壁下段斜面相互共面配合，斜度相同；

所述弹性橡胶筒放置于所述可压缩弹性环的内侧，其中，所述弹性橡胶筒的上顶面与所述可压缩弹性环的上顶面对齐，其长度不超过所述可压缩弹性环上段的轴向长度；所述弹性橡胶筒的材料为金属橡胶、丁腈橡胶或硅橡胶。

2.根据权利要求1所述的外置式刀杆的阻尼减振机构，其特征在于，所述减振机构还包括紧固件。

3.根据权利要求1所述的外置式刀杆的阻尼减振机构，其特征在于，所述可调质量筒内壁上段为光滑直面。

4.根据权利要求3所述的外置式刀杆的阻尼减振机构，其特征在于，所述可调质量筒的上顶面均匀布置四个凹槽。

5.根据权利要求2所述的外置式刀杆的阻尼减振机构，其特征在于，所述固定质量筒的上段部分沿圆柱体圆截面周向均匀布置有四个螺纹孔，所述紧固件与所述螺纹孔配合，用于巩固所述可调质量筒与所述固定质量筒之间的螺纹配合。

6.根据权利要求1-4任一所述的外置式刀杆的阻尼减振机构，其特征在于，所述弹性橡胶筒的材料为防锈金属橡胶或耐油减震橡胶。

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