CN113369968A - 用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置、方法及机床主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置、方法及机床主轴，通过滚珠丝杠和筒状结构的阻尼座，滚珠丝杠的一端设置于转动槽内，阻尼座的开口端设有滚珠丝杠螺母，滚珠丝杠螺母的端部固定连接有顶杆，顶杆在主轴切削颤振的作用下沿轴向滑动，顶杆带动滚珠丝杠螺母轴向滑动，与滚珠丝杠螺母配合的滚珠丝杠将顶杆的平动转化为转动，从而带动固定在滚珠丝杠上的扇叶在磁流变液中转动，通过滚珠丝杠和扇叶将颤振引起的主轴系统径向往复振动转化为扇叶在磁流变液中的往复转动，在由磁流变液施加的阻尼力的作用下实现振动能量的耗散，本发明不仅改变了机床系统的阻尼，而且结构小巧，安装简单。

Description

用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置、方法及机床主轴

技术领域

本发明属于高端智能化机床领域，具体涉及一种用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置、方法及机床主轴。

背景技术

主轴系统作为数控机床的关键单元，其状态直接影响加工质量。虽然机床主轴的刚度、精度等性能已经达到了较高的技术水平，但主轴切削加工过程中的振动，尤其是不平稳颤振现象依旧是目前严重影响加工质量的重要问题之一。颤振作为一种切削过程中的自激振动现象，不仅会产生剧烈噪声，降低加工效率，而且会使工件表面加工质量恶化，甚至缩短机床部件的寿命。显然，如何抑制切削颤振，保证加工效率，提高加工精度，已经成为现代加工技术所亟需解决的重大问题。

切削颤振的抑制方法主要分为主动式和被动式两种。主动式颤振抑制方法主要通过集成在主轴系统或机床夹具等机床部件中的作动装置输出主动控制力以实现对颤振的主动抑制，通常需要设计性能良好的作动器，并需要对控制算法进行设计以适应不同的切削工况，一般能够实现较大工况范围的颤振抑制。被动式颤振抑制方法则通过对机床、刀具、主轴结构以及加工参数进行调整或安装如质量阻尼器等能量耗散装置实现颤振的抑制，这类方法相对简单，且一般不需要消耗外部能量。因此，尽管主动式颤振抑制方法具有优良的颤振抑制效果，但其实际应用中也面临设计困难、系统成本高等缺点，还不能满足大规模的工程应用，相比之下，被动式颤振抑制方法设计相对简单，成本相对较低，因此仍然是重要的切削颤振抑制方法。

然而，基于阻尼器的被动式颤振抑制方法所面临的安装空间大、难以适用于多种工况范围等问题依旧是影响其实际颤振抑制效果的限制性因素，例如常用的质量阻尼器或挤压油膜阻尼器需要较大的安装空间，同时当由于工况变化等非线性因素导致主轴加工系统动力学特性发生变化时，其阻尼效果难以得到保证，因此难以适用于多种工况下的颤振抑制。

发明内容

本发明的目的在于提供用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置、方法及机床主轴，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置，包括滚珠丝杠和筒状结构的阻尼座，阻尼座内底部设有转动槽，滚珠丝杠的一端设置于转动槽内，阻尼座的开口端设有滚珠丝杠螺母，滚珠丝杠螺母与阻尼座滑动连接，滚珠丝杠的另一端与滚珠丝杠螺母连接，滚珠丝杠螺母的端部固定连接有顶杆，顶杆与阻尼座之间设有压簧，滚珠丝杠位于阻尼座内部部分固定有扇叶，阻尼座内充设有磁流变液体。

进一步的，阻尼座外侧设有线圈，阻尼座材质为导磁材料。

进一步的，阻尼座内的转动槽内设有用于滚珠丝杠的安装支撑的后滑动支座。

进一步的，阻尼座与滚珠丝杠螺母之间通过前滑动支座滑动连接，前滑动支座固定于阻尼座端部。

进一步的，前滑动支座与阻尼座通过密封盖连接，密封盖一端设有螺纹连接座，与阻尼座外圈通过螺纹连接。

一种安装有阻尼装置的机床主轴，包括刀具、刀柄、转轴、支承轴承和轴承座，刀具通过刀柄夹持于转轴上，转轴通过支承轴承安装于轴承座上，轴承座上开设有径向通孔，阻尼座穿过轴承座与支承轴承的轴承外圈接触，阻尼座固定于轴承座上。

进一步的，机床主轴的外圈周向阵列有多个阻尼装置。

进一步的，阻尼座通过紧固螺钉固定于轴承座上。

进一步的，紧固螺钉与轴承座的通孔转动连接，轴承座上设有用于防止紧固螺钉径向移动的限位台，紧固螺钉内侧设有螺纹通孔，与阻尼装置的阻尼座外螺纹连接。

一种机床主轴切削颤振抑制方法，包括以下步骤：

S1，在机床主轴的支承轴承周向阵列多个阻尼装置；

S2，控制阻尼装置磁流变液体腔内的磁场强度，改变磁流变液的粘度，从而改变阻尼力F大小，实现机床主轴切削颤振抑制；

其中

式中：A为扇叶的叶片面积，τ为剪应力；μ为动力粘度；u为流体速度；l为滚珠丝杠标距；v为顶杆运动速度，n为指数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置，通过滚珠丝杠和筒状结构的阻尼座，滚珠丝杠的一端设置于转动槽内，阻尼座的开口端设有滚珠丝杠螺母，滚珠丝杠螺母的端部固定连接有顶杆，顶杆在主轴切削颤振的作用下沿轴向滑动，顶杆带动滚珠丝杠螺母轴向滑动，与滚珠丝杠螺母配合的滚珠丝杠将顶杆的平动转化为转动，从而带动固定在滚珠丝杠上的扇叶在磁流变液中转动，通过滚珠丝杠和扇叶将颤振引起的主轴系统径向往复振动转化为扇叶在磁流变液中的往复转动，在由磁流变液施加的阻尼力的作用下实现振动能量的耗散，本发明不仅改变了机床系统的阻尼，而且结构小巧，安装简单。实现了对切削颤振的抑制。

进一步的，阻尼座外侧设有线圈，阻尼座材质为导磁材料，磁流变液的粘度随外加磁场变化而变化这一物理特性，实现了对阻尼装置阻尼特性的主动调控。通过控制外置线圈的电流控制阻尼装置磁流变液体腔内的磁场大小，从而改变磁流变液的粘度，控制阻尼力大小，实现对阻尼装置阻尼特性的主动调控。

本发明一种安装有阻尼装置的机床主轴，通过改变机床主轴系统的阻尼，耗散了通过刀具、刀柄、转轴和支承轴承传递而来的振动能量，实现了颤振抑制。基于磁流变液的粘度随外加磁场变化而变化这一物理特性，实现了对阻尼装置阻尼特性的主动调控。通过控制外置线圈的电流控制阻尼装置磁流变液体腔内的磁场大小，从而改变磁流变液的粘度，控制阻尼力大小，实现对阻尼装置阻尼特性的主动调控。

本发明一种机床主轴切削颤振抑制方法，能够适应不同工况，提升颤振抑制效果。通过对阻尼装置阻尼特性的主动调控，实现了主轴切削颤振的半主动抑制，降低了主轴动态特性对阻尼装置颤振抑制效果的负面影响。

附图说明

图1为本发明实施例中磁流变阻尼装置结构示意图。

图2为本发明实施例中磁流变阻尼装置周向布置示意图。

图3为本发明实施例中主轴切削颤振抑制装置结构示意图。

其中，1、刀具，2、刀柄，3、转轴，4、支承轴承，5、轴承座，6、阻尼装置，7、紧固螺钉，8、顶杆，9、压簧，10、滚珠丝杠螺母，11、前滑动支座，12、密封盖，13、阻尼座，14、线圈，15、扇叶，16、滚珠丝杠，17、后滑动支座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置，包括滚珠丝杠16和筒状结构的阻尼座13，阻尼座13内底部设有转动槽，滚珠丝杠16的一端设置于转动槽内，能够在转动槽内转动，阻尼座13的开口端设有滚珠丝杠螺母10，滚珠丝杠螺母10与阻尼座13滑动连接，滚珠丝杠16的另一端与滚珠丝杠螺母10配合连接，滚珠丝杠螺母10的端部固定连接有顶杆8，顶杆8与阻尼座13之间设有压簧9，滚珠丝杠16位于阻尼座13内部部分固定有扇叶15，阻尼座13内充设有磁流变液体，阻尼座13外侧设有线圈14。本装置固定于机床主轴上，主轴发生切削颤振时，其振动能量ΔE通过刀具、刀柄、转轴和支承轴承最终传递到阻尼装置，阻尼装置的顶杆在主轴切削颤振的作用下沿轴向滑动，顶杆带动滚珠丝杠螺母轴向滑动，与滚珠丝杠螺母配合的滚珠丝杠将顶杆的平动转化为转动，从而带动固定在滚珠丝杠上的扇叶在磁流变液中转动，扇叶在转动时，由磁流变液施加的阻尼力F对其做负功W，扇叶停止转动时，在弹簧的作用下，顶杆回复到原位置，利用顶杆与滚珠丝杠的配合实现振动能量的消散，通过滚珠丝杠和扇叶将颤振引起的主轴系统径向往复振动转化为扇叶在磁流变液中的往复转动，在由磁流变液施加的阻尼力的作用下实现振动能量的耗散，本发明不仅改变了机床系统的阻尼，而且结构小巧，安装简单。实现了对切削颤振的抑制。本发明提出的阻尼装置通过改变机床主轴系统的阻尼，耗散了通过刀具、刀柄、转轴和支承轴承传递而来的振动能量，实现了颤振抑制。基于磁流变液的粘度随外加磁场变化而变化这一物理特性，实现了对阻尼装置阻尼特性的主动调控。通过控制外置线圈的电流控制阻尼装置磁流变液体腔内的磁场大小，从而改变磁流变液的粘度，控制阻尼力大小，实现对阻尼装置阻尼特性的主动调控。

阻尼座13内的转动槽内设有后滑动支座17，用于滚珠丝杠16的安装支撑，减小滚珠丝杠16摩擦阻力，提高磁流变液体阻力的调节精度。阻尼座13采用导磁材料制备。

扇叶15与滚珠丝杠16过盈配合连接。阻尼座13与滚珠丝杠螺母10之间通过前滑动支座11滑动连接，前滑动支座11固定于阻尼座13端部，前滑动支座11作为滚珠丝杠螺母10的滑动座，用于滚珠丝杠螺母10的滑动，将其轴向滑动转化为滚珠丝杠16的转动。

具体的，前滑动支座11与阻尼座13通过密封盖12连接，密封盖12一端设有螺纹连接座，与阻尼座13外圈通过螺纹连接，前滑动支座11通过过盈配合固定在密封盖12上。采用密封盖12结构，压簧9设置于密封盖12与顶杆8之间。

如图2、图3所示，机床主轴结构包括刀具1、刀柄2、转轴3、支承轴承4和轴承座5，刀具1通过刀柄2夹持于转轴3上，转轴3通过支承轴承4安装于轴承座5上，轴承座5上开设有径向通孔，阻尼装置6穿过轴承座5与支承轴承4的轴承外圈压紧，并通过紧固螺钉7固定于轴承座5外表面。紧固螺钉7与轴承座5的通孔转动连接，轴承座5上设有限位台，防止紧固螺钉7径向移动，紧固螺钉7内侧设有螺纹通孔，与阻尼装置6的阻尼座13外螺纹连接，通过旋转紧固螺钉7将阻尼装置6与轴承外圈接触压紧。或者在轴承座5外圈设有外螺纹，旋转紧固螺钉7设置于阻尼座13外圈，转动连接，旋转紧固螺钉7与轴承座5的外螺纹螺纹连接，实现紧固的目的。

机床主轴的外圈周向阵列有多个阻尼装置6，本申请采用4个阻尼装置6，如图2所示；4个完全相同的阻尼装置在周向均布，穿过轴承座孔与轴承外圈压紧，并通过紧固螺钉固定于轴承座外表面。主轴发生切削颤振时，其振动能量ΔE通过刀具、刀柄、转轴和支承轴承，最终传递到阻尼装置。阻尼装置通过耗散振动能量实现切削颤振的抑制。

磁流变阻尼装置工作原理：

如图3所示，主轴发生切削颤振时，其振动能量ΔE通过刀具、刀柄、转轴和支承轴承，最终传递到在支承轴承周向布置的阻尼装置，顶杆在主轴切削颤振的作用下沿轴向平动，通过滚珠丝杠与滚珠丝杠螺母10结构将顶杆的轴向平动转化为滚珠丝杠的转动，从而带动固定在滚珠丝杠上的扇叶在磁流变液中转动，扇叶在转动时，由磁流变液施加的阻尼力F对其做负功W。当扇叶停止转动时，在弹簧的作用下，顶杆回复到原位置，可得：

ΔE＝W (1)

设流体流动为层流，且不可压缩，则：

式中：τ为剪应力；μ为动力粘度；u为流体速度；r为以滚珠丝杠为中心的圆周半径；n为指数，当n＝1时，为牛顿流体，否则为非牛顿流体。

由流体力学知识可知：

可求得：

u_max＝lv (6)

式中：γ为流体容重；J为水力坡度；r₀为磁流变液体腔内半径；d为磁流变液体腔内直径；l为滚珠丝杠标距；v为顶杆运动速度。

综上可求得阻尼力：

式中：A为扇叶的叶片面积；

阻尼装置阻尼特性的主动控制：

阻尼装置壳体外壁绕有线圈，输入电流i从而在磁流变液体腔内产生磁场。在磁场的作用下，磁流变液粘度改变：

μ＝μ(H)＝μ(i) (9)

式中：H为磁场强度；L为磁路长度。

调节输入电流i，改变磁场强度，从而改变磁流变液的粘度，控制阻尼力大小，实现阻尼装置阻尼特性的调控，以适应不同需求。

本发明一种用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置、方法及机床主轴，利用阻尼装置通过耗散振动能量，改变了机床主轴系统的阻尼，实现了主轴切削颤振抑制；同时，基于磁流变液的粘度随外加磁场变化而变化这一物理特性，实现了对阻尼装置阻尼特性的主动调控。其中，振动能量通过刀具、刀柄、转轴和支承轴承传递到阻尼装置；磁流变阻尼装置通过滚珠丝杠和扇叶将颤振引起的主轴系统径向往复振动转化为扇叶在磁流变液中的往复转动；通过在阻尼装置腔内填充磁流变液，对扇叶施加阻尼力做功，实现对振动能量的耗散，抑制切削颤振；通过改变外置线圈内的电流，控制阻尼装置磁流变液体腔内的磁场大小，从而改变磁流变液粘度，控制阻尼力大小，实现对阻尼装置阻尼特性的主动调控。本发明考虑利用上述装置，一方面通过对机床主轴系统阻尼的半主动式调控，实现切削颤振的抑制；另一方面通过对阻尼装置阻尼特性的调控，适应不同工况，提升颤振抑制效果，最终形成一种面向高速主轴系统切削颤振抑制的新方案。

提出的主轴切削颤振抑制方法能够适应不同工况，提升颤振抑制效果。通过对阻尼装置阻尼特性的主动调控，实现了主轴切削颤振的半主动抑制，降低了主轴动态特性对阻尼装置颤振抑制效果的负面影响。

Claims (10)

1.一种用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置，其特征在于，包括滚珠丝杠(16)和筒状结构的阻尼座(13)，阻尼座(13)内底部设有转动槽，滚珠丝杠(16)的一端设置于转动槽内，阻尼座(13)的开口端设有滚珠丝杠螺母(10)，滚珠丝杠螺母(10)与阻尼座(13)滑动连接，滚珠丝杠(16)的另一端与滚珠丝杠螺母(10)连接，滚珠丝杠螺母(10)的端部固定连接有顶杆(8)，顶杆(8)与阻尼座(13)之间设有压簧(9)，滚珠丝杠(16)位于阻尼座(13)内部部分固定有扇叶(15)，阻尼座(13)内充设有磁流变液体。

2.根据权利要求1所述的一种用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置，其特征在于，阻尼座(13)外侧设有线圈(14)，阻尼座(13)材质为导磁材料。

3.根据权利要求1所述的一种用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置，其特征在于，阻尼座(13)内的转动槽内设有用于滚珠丝杠(16)的安装支撑的后滑动支座(17)。

4.根据权利要求1所述的一种用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置，其特征在于，阻尼座(13)与滚珠丝杠螺母(10)之间通过前滑动支座(11)滑动连接，前滑动支座(11)固定于阻尼座(13)端部。

5.根据权利要求4所述的一种用于抑制机床主轴切削颤振的阻尼装置，其特征在于，前滑动支座(11)与阻尼座(13)通过密封盖(12)连接，密封盖(12)一端设有螺纹连接座，与阻尼座(13)外圈通过螺纹连接。

6.一种安装有权利要求1所述的阻尼装置的机床主轴，其特征在于，包括刀具(1)、刀柄(2)、转轴(3)、支承轴承(4)和轴承座(5)，刀具(1)通过刀柄(2)夹持于转轴(3)上，转轴(3)通过支承轴承(4)安装于轴承座(5)上，轴承座(5)上开设有径向通孔，阻尼座(13)穿过轴承座(5)与支承轴承(4)的轴承外圈接触，阻尼座(13)固定于轴承座(5)上。

7.根据权利要求6所述的机床主轴，其特征在于，机床主轴的外圈周向阵列有多个阻尼装置。

8.根据权利要求6所述的机床主轴，其特征在于，阻尼座(13)通过紧固螺钉(7)固定于轴承座(5)上。

9.根据权利要求8所述的机床主轴，其特征在于，紧固螺钉(7)与轴承座(5)的通孔转动连接，轴承座(5)上设有用于防止紧固螺钉(7)径向移动的限位台，紧固螺钉(7)内侧设有螺纹通孔，与阻尼装置(6)的阻尼座(13)外螺纹连接。

10.一种基于权利要求2所述阻尼装置的机床主轴切削颤振抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在机床主轴的支承轴承周向阵列多个阻尼装置；

S2，控制阻尼装置磁流变液体腔内的磁场强度，改变磁流变液的粘度，从而改变阻尼力F大小，实现机床主轴切削颤振抑制；

其中

式中：A为扇叶的叶片面积，τ为剪应力；μ为动力粘度；u为流体速度；l为滚珠丝杠标距；v为顶杆运动速度，n为指数。

Images