CN112846909A - 一种薄壁件切削抑振装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于切削加工技术领域，本发明提出了一种薄壁件切削抑振装置，本发明提出的薄壁件切削抑振装置，结合冲击耗散振动能量、压电片转换振动能量的原理设计了减振装置。使用时，将薄壁件切削抑振装置与薄壁件连接，在薄壁件振动时，振动能量会传递给冲击耗散单元，冲击耗散单元的振动质量部会反复冲击外壳，将能量以冲击耗能形式耗散从而实现抑振。同时压电转换单元将冲击动能转变为电能，通过能量转换实现抑振。压电片输出的电压与振动强弱有关，可反映出振动幅值，振动频率等信息，后续可用于振动过程监测。

Description

一种薄壁件切削抑振装置

技术领域

本发明属于切削加工技术领域，具体涉及一种薄壁件切削抑振装置。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

薄壁零件广泛应用于航空航天领域。在薄壁零件的加工过程中，薄壁件的弱刚性特征极易引发切削颤振。颤振导致加工表面质量恶化、切削效率降低以及刀具磨损加剧等系列危害，必须加以避免。工程上常采用的方法包括降低切削用量、优化走刀轨迹以及设计辅助工装等，但由于切削参数可选区间小，严重制约加工质量与效率。

主动和被动抑振技术是抑制工程结构振动的有效方法。主动抑振适应性强，能够对多阶振动模态进行抑制，并有多种驱动方式和控制算法实现减振，但控制系统复杂、附加驱动装置体积过大，给实际应用带来一定困难。相比主动抑振，被动式抑振结构简单、无需外部能源输入，被广泛使用于有空间限制的场合。其中，单自由度动力吸振器效果明显，在加工振动抑制中已有应用。但动力吸振器抑振效果取决于参数的精确设计，且与主结构动力学参数密切相关，抑振带宽较小。冲击阻尼器以能量耗散方式实现振动抑制，抑振频带较宽。

发明内容

本发明的目的是至少解决现有技术中用于切削加工的被动阻尼器效果受限，且抑振带宽较窄的问题，该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提出了一种薄壁件切削抑振装置，用于抑制薄壁件在切削加工过程中的振动，所述薄壁件切削抑振装置包括：

外壳，所述外壳设有用于连接所述薄壁件的连接端面，所述外壳的内部形成安装腔；

冲击耗散单元，所述冲击耗散单元安装在所述安装腔中，所述冲击耗散单元包括轴部和套设于所述轴部的外侧的至少一个振动质量部，所述轴部与所述外壳连接，所述振动质量部以可滑动的方式与所述轴部连接，并且所述振动质量部能够在所述轴部的轴向固定范围内滑动，所述轴部的轴向方向与所述连接端面垂直；

压电转换单元，所述压电转换单元与所述外壳或所述振动质量部固定连接，所述振动质量部沿所述轴部的轴向滑动并且所述振动质量部靠近所述外壳时，所述压电转换单元被挤压在所述外壳和所述振动质量部之间。

本发明提出的薄壁件切削抑振装置，结合冲击耗散振动能量、压电片转换振动能量原理设计了抑振结构。在薄壁件振动时，振动能量传递给冲击耗散单元，振动质量部会反复冲击外壳，将能量以冲击耗能形式耗散从而实现抑振。同时压电转换单元将冲击动能转变为电能，该过程使压电片在薄壁件切削抑振装置中等效于阻尼元件，实现了能量转换抑振，同时，输出的电压与振动强弱有关，可反映出振动幅值，振动频率等信息，后续可用于振动过程监测。

另外，根据本发明的薄壁件切削抑振装置，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述压电转换单元包括至少一个压电片和与所述压电片对应设置的至少两个导线，所述导线的一端与所述压电片连接，所述导线的另一端用于连接用电设备。

在本发明的一些实施例中，所述轴部为沿所述外壳的轴向方向设置的圆柱形中心轴，所述振动质量部为套设在所述中心轴的外侧的盘型质量块。盘型质量块与压电片冲击的端面设计为窄圆环面。

在本发明的一些实施例中，所述振动质量部的数量为两个，两个所述振动质量部分别套设于所述轴部的两端，所述冲击耗散单元还包括设于两个所述振动质量部之间的弹性部，所述弹性部的两端分别与所述两个振动质量部连接。

在本发明的一些实施例中，所述弹性部为弹簧。

在本发明的一些实施例中，所述外壳包括顶板、壳体和底板，所述壳体呈筒型结构，所述壳体的内部形成所述安装腔，所述顶板和所述底板分别装配于与所述壳体的轴向两端。

在本发明的一些实施例中，所述壳体设有至少一个导槽，所述顶板设有至少一个卡板，所述卡板的数量与导槽的数量相同，所述顶板的外形与所述壳体的开口相适配，所述卡板的位置与所述导槽的位置相对应，所述卡板卡接于所述导槽中，所述卡板的一端和所述导槽的槽底之间留有空隙，所述导线通过所述空隙穿出至所述壳体的外部。

在本发明的一些实施例中，所述薄壁件切削抑振装置还包括至少一个滑动轴承，所述振动质量部通过所述滑动轴承与所述轴部连接。

在本发明的一些实施例中，所述薄壁件切削抑振装置还包括滚动轴承和调节螺母，所述外壳的一端设有轴承孔，所述滚动轴承嵌入在所述轴承孔中，所述轴部的一端通过所述滚动轴承与所述外壳连接，所述外壳的另一端设有螺纹孔，所述轴部的另一端与所述螺纹孔螺接，并且所述轴部穿出所述外壳并且与所述调节螺母螺接。

在本发明的一些实施例中，所述轴部、所述振动质量部、所述弹性部和所述外壳的各自轴线位于同一轴线上。

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，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的薄壁件切削抑振装置的剖视示意图；

图2示意性地示出了根据本发明实施方式的薄壁件切削抑振装置的结构示意图；

图3示意性地示出了根据本发明实施方式的薄壁件切削抑振装置的壳体的结构示意图；

图4示意性地示出了根据本发明实施方式的薄壁件切削抑振装置的轴部以及弹性部的结构示意图；

图5示意性地示出了根据本发明实施方式的薄壁件切削抑振装置的底板的俯视示意图；

图6示意性地示出了根据本发明实施方式的薄壁件切削抑振装置的顶板的俯视示意图；

图7示意性地示出了根据本发明实施方式的薄壁件切削抑振装置的顶板的仰视示意图；

图8示意性地示出了根据本发明实施方式的薄壁件切削抑振装置的分解结构图；

图9示意性地示出了根据本发明实施方式的薄壁件切削抑振装置在薄壁件上的安装示意图；

附图中各标记表示如下：

100：抑振装置、200：薄壁件；

1：振动质量部、11：上部质量块、12：下部质量块；

2：外壳、21：底板、211：底板压电片固定槽、22：第一垫片、23：螺钉、24：第二垫片、25：调节螺母、26：顶板、261：顶板压电片固定槽、262：卡板、263：内螺纹、264：轴承孔、27：壳体、271：螺纹孔、272：导槽；

31：压电片；

41：弹簧；

51：滑动轴承、52：中心轴、53：滚动轴承。

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。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1至9所示，本发明提出了一种薄壁件切削抑振装置100，用于抑制薄壁件在切削加工过程中的振动，薄壁件切削抑振装置100包括：

外壳2，外壳2设有用于连接薄壁件的连接端面，连接端面通过粘合剂或者真空吸附的方式与薄壁件连接，外壳2的内部形成安装腔；

冲击耗散单元，冲击耗散单元安装在安装腔中，冲击耗散单元包括轴部和套设于轴部的外侧的至少一个振动质量部1，轴部与外壳2连接，振动质量部1以可滑动的方式与轴部连接，并且振动质量部1能够在轴部的轴向固定范围内滑动，轴部的轴向方向与连接端面垂直；

压电转换单元，压电转换单元包括多个压电片41，压电片41一般是压电陶瓷片，压电转换单元与外壳2或振动质量部1固定连接，振动质量部1沿轴部的轴向滑动并且振动质量部1靠近外壳2时，压电转换单元被挤压在外壳2和振动质量部1之间。

本发明提出的薄壁件切削抑振装置100，结合冲击耗散振动能量、压电片31转换振动能量原理设计了抑振结构。使用时，将薄壁件切削抑振装置100与薄壁件连接，在薄壁件振动时，振动能量会传递给抑振装置，抑振装置的振动质量部1会反复冲击外壳2，将能量以冲击耗能形式耗散从而实现抑振。同时压电转换单元将冲击动能转变为电能，该过程使压电片31在薄壁件切削抑振装置100中等效于阻尼元件，实现了能量转换抑振，同时，输出的电压与振动强弱有关，可反映出振动幅值，振动频率等信息，后续可用于振动过程监测。

在本发明的一些实施例中，压电转换单元包括至少一个压电片31和与压电片31对应设置的至少两根导线，压电片31可安装在底板压电片固定槽211或顶板压电片固定槽261中，导线的一端与压电片31连接，导线的另一端用于连接用电设备。多个压电片31呈中心对称分布，用于将冲击能量转化为电能输出，可等效为阻尼耗能元件。

在本发明的一些实施例中，轴部为沿外壳2的轴向方向设置的圆柱形中心轴52，振动质量部1为套设在中心轴52的外侧的盘型质量块。在工件振动时，将工件的振动能量转化为质量块的振动动能，动能进一步被冲击、压电片31阻尼效应耗散，最终达到抑振效果。

在本发明的一些实施例中，振动质量部1的数量为两个，两个振动质量部1分别套设于轴部的两端，分别为上部质量块11和下部质量块12，冲击耗散单元还包括设于两个振动质量部1之间的弹性部，弹性部的两端分别与两个振动质量部1连接，通过设置两个振动质量部1充分发挥抑振效果，通过弹性部与振动质量部1形成组合吸收能量并且弹性部帮助振动质量部1复位，同时在抑振装置静止时弹性元件起到位置保持作用，实现了振动质量部的定位。振动质量部1与压电片31接触的一面设有凸台，凸台的位置与压电片31相对应，设置凸台能够提高压电片31挤压效果。

在本发明的一些实施例中，弹性部为弹簧41，弹簧41通过底板21和顶板26上的凹槽进行限位固定，避免运行中滑脱，整体结构简单，成本较低。

在本发明的一些实施例中，外壳2包括顶板26、壳体27和底板21，壳体27呈筒型结构，壳体27的内部形成安装腔，顶板26和底板21分别装配于与壳体27的轴向两端，底板21上设有多个第一螺纹孔271，采用螺钉23穿过第一螺纹孔271和第一垫片22将底板21与壳体27装配于一体，上述外壳2结构方便拆卸安装。

在本发明的一些实施例中，壳体27设有至少一个导槽272，顶板26设有至少一个卡板262，卡板262的数量与导槽272的数量相同，顶板26的外形与壳体27的开口相适配，卡板262的位置与导槽272的位置相对应，卡板262卡接于导槽272中，卡板262的一端和导槽272的槽底之间留有空隙，导线通过空隙穿出至壳体27的外部。通过卡接结构实现顶板26与壳体27的装配，并且流出导线孔，方便导线穿出。调整所述空隙的大小，可实现抑振装置在一定范围内的固有频率调节。

在本发明的一些实施例中，薄壁件切削抑振装置100还包括至少一个滑动轴承51，振动质量部1通过滑动轴承51与轴部连接。通过滑动轴承51连接使振动质量部1的摩擦阻尼最小，从而最大化振动质量部1的冲击动能。

在本发明的一些实施例中，薄壁件切削抑振装置100还包括滚动轴承53和调节螺母25，外壳2的一端设有轴承孔264，滚动轴承53嵌入在轴承孔264中，轴部的一端通过滚动轴承53与外壳2连接，外壳2的另一端设有第二螺纹孔271，轴部的另一端通过螺纹孔271与外壳2螺接，并且轴部穿出外壳2与调节螺母25螺接，所述调节螺母25和所述外壳2之间设有第二垫片24。轴部实现了为振动质量部1导向的作用。轴部的轴向定位只依靠调节螺母25和顶板26，其与底板21只通过滚动轴承5353径向固定，不再轴向定位，避免加工精度不足导致产生轴向应力，从而影响了中心轴52的导向精度。

在本发明的一些实施例中，轴部、振动质量部1、弹性部和外壳2的各自轴线位于同一轴线上，使质量块对压电片的冲击力最大化，既充分发挥了冲击减振的作用，又使压电转换单元3达到最优输出电压。

以上，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权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种薄壁件切削抑振装置，用于抑制薄壁件在切削加工过程中的振动，其特征在于，所述薄壁件切削抑振装置包括：

外壳，所述外壳设有用于连接所述薄壁件的连接端面，所述外壳的内部形成安装腔；

冲击耗散单元，所述冲击耗散单元安装在所述安装腔中，所述冲击耗散单元包括轴部和套设于所述轴部的外侧的至少一个振动质量部，所述轴部与所述外壳连接，所述振动质量部以可滑动的方式与所述轴部连接，并且所述振动质量部能够在所述轴部的轴向固定范围内滑动，所述轴部的轴向方向与所述连接端面垂直；

压电转换单元，所述压电转换单元与所述外壳固定连接，所述振动质量部沿所述轴部的轴向滑动并且所述振动质量部靠近所述外壳时，所述压电转换单元被挤压在所述外壳和所述振动质量部之间。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁件切削抑振装置，其特征在于，所述压电转换单元包括至少一个压电片和与所述压电片对应设置的至少两根导线，所述导线的一端与所述压电片连接，所述导线的另一端用于连接用电设备。

3.根据权利要求1所述的一种薄壁件切削抑振装置，其特征在于，所述轴部为沿所述外壳的轴向方向设置的圆柱形中心轴，所述振动质量部为套设在所述中心轴的外侧的盘型质量块，且振动质量部与压电片冲击的端面为窄圆环面。

4.根据权利要求1所述的一种薄壁件切削抑振装置，其特征在于，所述振动质量部的数量为两个，两个所述振动质量部分别套设于所述轴部的两端，所述冲击耗散单元还包括设于两个所述振动质量部之间的弹性部，所述弹性部的两端分别与所述两个振动质量部连接。抑振装置静止时弹性部将两个振动质量部分别压紧于顶板和底板。

5.根据权利要求4所述的一种薄壁件切削抑振装置，其特征在于，所述弹性部为弹簧。

6.根据权利要求1所述的一种薄壁件切削抑振装置，其特征在于，所述外壳包括顶板、壳体和底板，所述壳体呈筒型结构，所述壳体的内部形成所述安装腔，所述顶板和所述底板分别装配于与所述壳体的轴向两端。

7.根据权利要求6所述的一种薄壁件切削抑振装置，其特征在于，所述壳体设有至少一个导槽，所述顶板设有至少一个卡板，所述卡板的数量与导槽的数量相同，所述顶板的外形与所述壳体的开口相适配，所述卡板的位置与所述导槽的位置相对应，所述卡板卡接于所述导槽中，所述卡板的一端和所述导槽的槽底之间留有空隙，所述导线通过所述空隙穿出至所述壳体的外部。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种薄壁件切削抑振装置，其特征在于，所述薄壁件切削抑振装置还包括至少一个滑动轴承，所述振动质量部通过所述滑动轴承与所述轴部连接。

9.根据权利要求1至7任一项所述的一种薄壁件切削抑振装置，其特征在于，所述薄壁件切削抑振装置还包括滚动轴承和调节螺母，所述外壳的一端设有轴承孔，所述滚动轴承嵌入在所述轴承孔中，所述轴部的一端通过所述滚动轴承与所述外壳连接，所述外壳的另一端设有螺纹孔，所述轴部的另一端与所述螺纹孔螺接，并且所述轴部穿出所述外壳并且与所述调节螺母螺接。

10.根据权利要求1至7任一项所述的一种薄壁件切削抑振装置，其特征在于，所述轴部、所述振动质量部、所述弹性部和所述外壳的各自轴线位于同一轴线上。

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