CN112935295B - 一种用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆及方法，涉及车削设备领域，包括刀杆和阻尼器，刀杆一端连接有车刀片，侧面设有方腔，阻尼器过盈配合在方腔内，阻尼器包括质量块、弹性件和压电陶瓷，质量块接触方腔内壁的至少一个面上连接有压电陶瓷，压电陶瓷与质量块之间设有弹性件，压电陶瓷用于在刀杆振动作用下与方腔内壁产生相互作用以吸收振动产生电能，将块状的阻尼器放置刀杆方腔内，与方腔过盈配合形成阻尼，并通过调节质量块在弹簧杆上的轴向位置来控制弹簧杆的有效悬伸，实现固定，使用简单且牢固可靠，解决了大多数减振车刀杆结构复杂、响应慢、制造成本高的问题。

Description

一种用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆及方法

技术领域

本公开涉及车削设备领域，特别涉及一种用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

大悬伸刀具在加工具有深孔、深腔等特征结构件时有着广泛的应用。然而，由于此类刀具悬伸较大导致刀具等效刚度降低，容易引发强烈的切削振动，进而影响切削效率、降低零件表面精度和刀具寿命。

现有的刀杆减振采用的减振措施包括主动减振以及被动减振，其中，主动减振主要是在减振系统中加入反馈控制系统，通过反馈系统检测出振动系统中的相关状态量的变化，并进一步调节减振系统中控制振动的相关结构参数，从而在外界环境发生变化的情况下，使减振系统控制振动结构，使振动结构的振动响应保持最小、最稳定。主动减振普遍减振结构复杂，操作繁琐，生产过程中技术要求较高，价格昂贵，增大了生产成本，不利于其在机械加工中的普及。因此，目前减振刀杆采用的减振措施仍以被动减振措施为主。

发明人发现，目前常用的被动减振主要分为两种形式，一是通过改变刀具的主结构，增加刀具结构系统的阻尼实现抑振，但是会影响刀杆的强度，导致加工不稳定，内部结构复杂操作繁琐；另一是通过对刀杆进行表面阻尼层的覆盖，以达到减振目的，此类刀杆往往对设计技术以及造价要求较高，不利于机械加工中的普及；针对具有深腔、深孔特征的结构件，采用大长径比车刀进行加工过程中仍存在振动问题，目前的车刀杆难以满足减振的需求。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆，将块状的阻尼器放置刀杆方腔内，与方腔过盈配合形成阻尼，并通过调节质量块在弹簧杆上的轴向位置来控制弹簧杆的有效悬伸，实现固定，使用简单且牢固可靠，解决了大多数减振车刀杆结构复杂、响应慢、制造成本高的问题。

本公开的第一目的是提供一种用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆，采用以下技术方案：

包括刀杆和阻尼器，刀杆一端连接有车刀片，侧面设有方腔，阻尼器过盈配合在方腔内，阻尼器包括质量块、弹性件和压电陶瓷，质量块接触方腔内壁的至少一个面上连接有压电陶瓷，压电陶瓷与质量块之间设有弹性件，压电陶瓷用于在刀杆振动作用下与方腔内壁产生相互作用以吸收振动产生电能。

进一步地，所述阻尼器滑动连接方腔，阻尼器与方腔轴向一端的内壁之间设有弹簧杆，阻尼器能够沿刀杆轴向滑动以调节与方腔的相对位置。

进一步地，所述方腔开口端配合有挡盖，挡盖用于封堵方腔开口以将阻尼器封闭在方腔内；质量块朝向挡盖的一面通过弹性件连接有压电陶瓷，压电陶瓷接触并贴合挡盖。

进一步地，所述质量块为立方体结构，四个面上均分别通过弹性件连接对应的压电陶瓷，四个面两两相对布置，共同产生阻尼作用。

进一步地，所述弹性件包括基板和弹性垫片，弹性垫片一侧连接压电陶瓷，另一侧通过基板连接质量块。

进一步地，所述压电陶瓷连接有引线，引线获取压电陶瓷产生的电能并引出到方腔外，接入采集设备，用于获取压电陶瓷的工作状态。

进一步地，所述刀杆端部设有刀头，刀头通过连接头安装在刀杆端部，形成悬臂梁结构，车刀片固定在刀头上。

进一步地，刀杆靠近连接头的一端开设有盲孔。

本公开的第二目的是提供一种深腔加工方法，利用如上所述的用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆，包括以下步骤：

在质量块的两组相对面上布置压电陶瓷形成阻尼器，将阻尼器整体置入刀杆方腔内形成过盈配合，将挡盖扣合在方腔上，并使得挡盖接触压电陶瓷；

将刀杆安装在车床上，在末端刀头上安装车刀片，引线一端穿过挡盖连接压电陶瓷，另一端接入外部采集设备，通过车刀片进行深腔加工；

刀杆的振动转化为阻尼器内质量块振动和压电陶瓷输出的电能，吸收刀杆振动。

进一步地，将压电陶瓷产生的电能输出，通过反馈控制，调节阻尼器的参数直至满足刀杆的减振需求。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)将块状的阻尼器放置刀杆方腔内，与方腔过盈配合形成阻尼，并通过调节质量块在弹簧杆上的轴向位置来控制弹簧杆的有效悬伸，实现固定，使用简单且牢固可靠，解决了大多数减振车刀杆结构复杂、响应慢、制造成本高的问题。

(2)通过附加吸振器实现被动减振。块状阻尼器是一个附加在主系统上的子振动系统，它依靠附加质量块吸收振动从而实现减振。经典单自由度吸振器结构简单，被广泛应用于刀具减振，进而通用于一定范围内的深腔、深孔加工，可实现批量化应用。

(3)阻尼器将刀具的振动能量传递给阻尼器的质量块与阻尼元件，而压电陶瓷作为阻尼元件将可将主结构振动转化为吸振器质量块振动和压电陶瓷输出的电能，提升减振效果，结构简单，性能更加稳定。

(4)弹簧杆在方腔内的有效悬伸通过调节质量块在弹簧杆上的轴向位置来调整，实现了在较宽的范围内阻尼器的频率调谐，使阻尼器对刀具发挥更大程度的减振效果。

(5)陶瓷压电材料能够从振动中吸收能量并转化为电能，该过程以阻尼形式反作用于结构。具有刚度高、响应快、性能稳定等优点；可用于航空、航天等行业中使用到长悬伸车刀的加工，尤其为一些深腔、深孔特征的飞机结构件的加工提供在轻量化加工、噪声、稳定性和可靠性要求等方面的加工性能的改善，有十分广阔的推广应用前景。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2中车刀杆的整体结构示意图；

图2为本公开实施例1、2中阻尼器的结构示意图；

图3为本公开实施例1、2中阻尼器档盖的结构示意图；

图4是本公开实施例1、2中阻尼器与刀杆方腔的配合示意图。

图中，1、车刀片；2、刀头；3、连接头；4、方腔；5、橡胶垫片；6、铜基板；7、压电陶瓷；8、质量块；9、挡盖；10、螺纹孔；11、刀杆；12、弹簧杆；13、通孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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，本公开中如果出现“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公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中阻尼器档盖的结构示意图；针对上述问题，本公开提出了一种用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆及方法。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图所示，提出了一种用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆。

主要包括刀杆11、阻尼器和工作头，刀杆杆身设有凹槽，阻尼器布置在此凹槽内，工作头连接在刀杆一端，工作头在工作时产生振动，阻尼器在凹槽内作为随动结构对刀杆的振动进行吸收，从而达到减振的效果。

具体的，以六棱柱形状的刀杆为例，刀杆侧面开设有凹槽，凹槽形成方腔4结构用于容纳阻尼器，阻尼器与方腔过盈配合，方腔内壁与阻尼器之间形成阻尼，在刀杆振动时，阻尼器作为子振动系统，能够吸收质量块的振动，并将此振动通过其设置的压电陶瓷进行发电，达到消耗振动以实现减振的目的。

通用性强，通过附加吸振器实现被动减振。块状阻尼器是一个附加在主系统上的子振动系统，它依靠附加质量块吸收振动从而实现减振。经典单自由度吸振器结构简单，被广泛应用于刀具减振，进而通用于一定范围内的深腔、深孔加工，可实现批量化应用。

块状的阻尼器嵌入安装在刀体方腔内，通过与方腔过盈配合并形成阻尼，阻尼器与刀体方腔之间设有弹簧杆，弹簧杆一端抵压在阻尼器侧壁上，另一端抵压在方腔内壁上，控制弹簧杆的有效悬伸来调节质量块在弹簧杆上的轴向位置，使得阻尼器能够依据刀具振动的情况适当调节位置，充分发挥阻尼器的减振效果。

刀杆一端通过连接头3连接刀头2，菱形车刀片1安装在刀头上，连接头与刀杆的连接位置呈阶梯结构，减小刀杆悬空末端的重量；

进一步地，在本实施例中，所述刀杆中上部铣加工有平面，设有盲孔以减轻车刀杆重量。

可以理解的是，对刀杆的悬空端布置，整体目的是为了在满足刀杆强度需求的基础上，减轻悬空末端的重量，从而减少工作过程中末端振动对刀杆夹持稳定性的影响。

对于阻尼器的结构，如图2所示，嵌入刀杆的方腔内，通过过盈配合形成阻尼作用，阻尼器包括压电陶瓷7、铜基板6、橡胶垫片5、质量块8和弹簧杆12，质量块整体为立方体结构，两组相对面上设有铜基板，每个铜基板上均通过橡胶垫片连接有压电陶瓷，接触方腔内壁。

弹簧杆连接在质量块未安装铜基板的侧面上，弹簧杆另一端抵压在方腔内壁上，限制质量块在方腔内的位置。

弹簧杆在方腔内的有效悬伸通过调节质量块在弹簧杆上的轴向位置来调整，实现了在较宽的范围内阻尼器的频率调谐，使阻尼器对刀具发挥更大程度的减振效果。

方腔开口位置配合有挡盖9，挡盖扣合在方腔开口位置将方腔封堵，并能够与阻尼器顶部的一组压电陶瓷接触，从而配合与方腔接触的三组压电陶瓷共同对阻尼器在方腔内的位置进行限定。

对于阻尼器的调节，阻尼的大小可以通过改变压电陶瓷接触外部的摩擦系数、橡胶垫片的弹性和压电陶瓷的数目来实现调节；

在同样的压电陶瓷配置数目和橡胶垫片规格的情况下，压电陶瓷表面接触方腔内壁或挡盖的摩擦系数越大，压电陶瓷所受到的摩擦力越大，从而阻尼器与方腔之间的阻尼作用越大；因此，可以根据需求适当调节压电陶瓷接触外部一面的表面摩擦系数，具体可以通过更换不同的压电陶瓷来实现；

在其他条件相同的情况下，改变压电陶瓷接触外部的压力，能够改变压电陶瓷与外部的摩擦力，通过增大压电陶瓷接触外部的压力，能够使得压电陶瓷受到的摩擦力增大，从而阻尼器与方腔之间的阻尼作用越大；因此，可以根据需求适当调节压电陶瓷接触外部的压力，具体可以通过改变阻尼器与方腔之间预紧力来实现，比如改变压电陶瓷的厚度、改变橡胶垫片的弹性等方式来实现；

在其他外部条件相同的情况下，可以通过改变阻尼器与外部接触的面积来实现摩擦力的调节，在本实施例中，质量块的四个面上均设置有压电陶瓷，改变质量块上所布置压电陶瓷的数目能够改变阻尼器整体与外部的接触面积，从而达到调节阻尼器阻尼大小的效果；当然，也可以根据需求改变阻尼器的大小，从而调节阻尼器接触外部的面积等方式来实现阻尼大小的调节。

块状阻尼器将大悬伸刀具的振动能量传递至阻尼器的质量块与阻尼元件，压电陶瓷作为阻尼元件将主结构振动转化为吸振器质量块与阻尼元件，而压电陶瓷作为阻尼元件将主结构振动转化为吸振器质量块振动和压电陶瓷产生的电能，从而提升减振效果。

陶瓷压电材料能够从振动中吸收能量并转化为电能，该过程以阻尼形式反作用于结构。具有刚度高、响应快、性能稳定等优点。

所述阻尼器挡盖的结构如图3所示，其与刀杆上预设方腔结构相适应，扣合在方腔上，并将阻尼器封闭在方腔内，并能够与阻尼器顶端的压电陶瓷接触形成一部分阻尼作用。

挡盖上设有通孔13和螺纹孔10，螺纹孔用于配合螺纹连接件将挡杆固定在刀杆上，避免阻尼器暴露在外部，实现对阻尼器的保护；

通孔用于供引线穿过，将电线通过通孔与方腔内的压电陶瓷连接，将压电陶瓷材料从主结构中吸收的振动作用转化形成的电能输出，进而通过输出的电能信号，实时反馈压电陶瓷材料的振动状态，从而获取大悬伸刀具的加工状态。

压电陶瓷式阻尼器，并将其应用于大长径比车削刀具上。阻尼器将刀具的振动能量传递给阻尼器的质量块与阻尼元件，而压电陶瓷作为阻尼元件将可将主结构振动转化为吸振器质量块振动和压电陶瓷输出的电能，提升减振效果，结构简单，性能更加稳定。

在获取大悬伸刀具加工时振动状态的基础上，可以对阻尼器的参数进行调节，提升阻尼器对刀杆的减振效果，使得加工的过程更加稳定。

嵌入式阻尼减振车刀杆仅具有刀体、块状的阻尼器、挡盖，结构简单，整体结构稳固可靠，生产难度小，使用便利，减振效果好，只需将块状的阻尼器放置刀杆方腔内，与方腔过盈配合形成阻尼。

并通过调节质量块在弹簧杆上的轴向位置来控制弹簧杆的有效悬伸，实现固定，使用简单且牢固可靠，解决了大多数减振车刀杆结构复杂、响应慢、制造成本高的问题，且以刚度高、响应快、性能稳定的压电陶瓷材料作为阻尼载体，将主结构振动转化为吸振器质量块振动和压电陶瓷输出的电能，提升减振效果。

实施例2

本公开的另一典型实施方式中，如图所示，提出了一种深腔加工方法，利用如实施例1中所述的用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆。

包括以下步骤：

在质量块的两组相对面上布置压电陶瓷形成阻尼器，将阻尼器整体置入刀杆方腔内形成过盈配合，将挡盖扣合在方腔上，并使得挡盖接触压电陶瓷；

将刀杆安装在车床上，在末端刀头上安装车刀片，引线一端穿过挡盖连接压电陶瓷，另一端接入外部采集设备，通过车刀片进行深腔加工；

刀杆的振动转化为阻尼器内质量块振动和压电陶瓷输出的电能，吸收刀杆振动；

将压电陶瓷产生的电能输出，通过反馈控制，调节阻尼器的参数直至满足刀杆的减振需求。

具体的，结合实施例1，对上述过程进行详细描述，包括以下步骤：

步骤1：将压电陶瓷、铜基板、橡胶垫片依次贴附在质量块的上下前后四个对称面上，并将弹簧杆与质量块左右其中一端相连接，通过控制弹簧杆的有效悬伸来调节质量块在弹簧杆上的轴向位置。

步骤2：将步骤1形成的块状阻尼器嵌入安装入刀杆的方腔内，与方腔过盈配合形成阻尼，通过调节阻尼材料、数量和预紧力调整阻尼大小，并将主结构振动转化为吸振器质量块振动和压电陶瓷输出的电能。

步骤3：将电线通过通孔与压电陶瓷相连接，将压电陶瓷材料从主结构振动中吸收并转化形成的电能输出，通过反馈控制，调节阻尼器的大小等参数，提升减振效果。

步骤4：将阻尼器挡盖与刀杆上方腔配合，通过螺纹连接，起到保护阻尼器的作用。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆，其特征在于，包括刀杆和阻尼器，刀杆一端连接有车刀片，侧面设有方腔，阻尼器过盈配合在方腔内，阻尼器包括质量块、弹性件和压电陶瓷，质量块接触方腔内壁的至少一个面上连接有压电陶瓷，压电陶瓷与质量块之间设有弹性件，压电陶瓷用于在刀杆振动作用下与方腔内壁产生相互作用以吸收振动产生电能；

所述阻尼器滑动连接方腔，阻尼器与方腔轴向一端的内壁之间设有弹簧杆，阻尼器能够沿刀杆轴向滑动以调节与方腔的相对位置。

2.如权利要求1所述的用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆，其特征在于，所述方腔开口端配合有挡盖，挡盖用于封堵方腔开口以将阻尼器封闭在方腔内；质量块朝向挡盖的一面通过弹性件连接有压电陶瓷，压电陶瓷接触并贴合挡盖。

3.如权利要求1所述的用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆，其特征在于，所述质量块为立方体结构，四个面上均分别通过弹性件连接对应的压电陶瓷，四个面两两相对布置，共同产生阻尼作用。

4.如权利要求1所述的用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆，其特征在于，所述弹性件包括基板和弹性垫片，弹性垫片一侧连接压电陶瓷，另一侧通过基板连接质量块。

5.如权利要求1所述的用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆，其特征在于，所述压电陶瓷连接有引线，引线获取压电陶瓷产生的电能并引出到方腔外，接入采集设备，用于获取压电陶瓷的工作状态。

6.如权利要求1所述的用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆，其特征在于，所述刀杆端部设有刀头，刀头通过连接头安装在刀杆端部，形成悬臂梁结构，车刀片固定在刀头上。

7.如权利要求6所述的用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆，其特征在于，刀杆靠近连接头的一端开设有盲孔。

8.一种深腔加工方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的用于深腔加工的嵌入式阻尼减振车刀杆，减振车刀杆还包括：

所述质量块为立方体结构，四个面上均分别通过弹性件连接对应的压电陶瓷，四个面两两相对布置，共同产生阻尼作用；

所述方腔开口端配合有挡盖，挡盖用于封堵方腔开口以将阻尼器封闭在方腔内；质量块朝向挡盖的一面通过弹性件连接有压电陶瓷，压电陶瓷接触并贴合挡盖；

所述压电陶瓷连接有引线，引线获取压电陶瓷产生的电能并引出到方腔外，接入采集设备，用于获取压电陶瓷的工作状态；

深腔加工的具体步骤包括：

在质量块的两组相对面上布置压电陶瓷形成阻尼器，将阻尼器整体置入刀杆方腔内形成过盈配合，将挡盖扣合在方腔上，并使得挡盖接触压电陶瓷；

将刀杆安装在车床上，在末端刀头上安装车刀片，引线一端穿过挡盖连接压电陶瓷，另一端接入外部采集设备，通过车刀片进行深腔加工；

刀杆的振动转化为阻尼器内质量块振动和压电陶瓷输出的电能，吸收刀杆振动。

9.如权利要求8所述的深腔加工方法，其特征在于，将压电陶瓷产生的电能输出，通过反馈控制，调节阻尼器的参数直至满足刀杆的减振需求。

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