CN113814431B - 钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆 - Google Patents

钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆 Download PDF

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Abstract

钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆，属于金属切削加工技术领域，本发明为解决由于镗削深孔时镗刀片尖端的振动问题。本发明包括镗杆、减振结构和刚度调节单元；镗杆设置有前端开口空腔，所述前端开口空腔中设置有减振结构，所述减振结构用于减缓切削引起的镗杆微动，减振结构与镗杆内壁之间存在均匀径向间隙；在该前端开口空腔的前端开口处设置有刀头连接件；刚度调节单元通过调整滑块与镗杆前端的距离来实现减振结构刚度大小调节。在镗杆前端空腔中安装减振结构，通过调整减振结构的刚度及阻尼实现减振性能的调节，镗杆的减振性能达到最优。

Description

钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆
技术领域
本发明涉及一种减振镗杆结构，属于金属切削加工技术领域。
背景技术
深孔镗削加工一直以来都是机械加工领域中的一个难点，其难度在于，在深孔镗削加工的过程中，镗杆需要深入工件的内部。工件的孔深越长，镗杆的悬伸长度也越长，而镗杆的刚度会随悬伸长度的增加而降低，进而导致镗杆变形，并伴随有振动行为。镗杆的振动会导致镗刀片尖端的振动，而镗刀片尖端的振动会影响深孔的加工精度及其内壁的光滑程度，严重时会导致工件不合格，甚至是报废。除此之外，镗刀片尖端的振动还会严重降低镗刀片的使用寿命。
因此，在深孔镗削加工的过程中，减小镗刀片尖端的振动情况，并根据镗刀片尖端的振动情况实时调整相应的镗削加工参数是保证深孔镗削加工质量和延长镗刀片使用寿命的有效手段。
在实际加工中为有效减小镗刀片尖端的振动，通常会采用较小的切削参数，影响加工效率。
发明内容
本发明目的是为了解决由于镗削深孔时镗刀片尖端的振动问题，在镗杆前端空腔中安装减振结构，通过调整减振结构的刚度及阻尼实现减振性能的调节，镗杆的减振性能达到最优。提供了一种钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆。
本发明所述钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆，包括镗杆6、减振结构和刚度调节单元；
镗杆6设置有前端开口空腔，所述前端开口空腔中设置有减振结构，所述减振结构用于减缓切削引起的镗杆微动，减振结构与镗杆6内壁之间存在均匀径向间隙；在该前端开口空腔的前端开口处设置有刀头连接件1；
刚度调节单元通过调整滑块3与镗杆6前端的距离来实现减振结构刚度大小调节。
优选地，减振结构包括线圈2、滑块3、滑块固定环4和悬臂梁12，悬臂梁12沿镗杆中心轴方向设置于前端开口空腔中，悬臂梁12的固定端设置于刀头连接件1内壁中心点，滑块3为圆柱形，滑块3具有中心通孔25，滑块3利用中心通孔25套设在悬臂梁12上，滑块3的外圆周设置有周向凹槽，所述周向凹槽内绕制线圈2，滑块3的左右端面各设置一个滑块固定环4。
优选地，刚度调节单元包括钢丝11和钢丝移动单元；钢丝移动单元包括一号定滑轮10和钢丝换向单元；
镗杆6尾端内部设置有尾端空腔，该尾端空腔中设置钢丝换向单元，尾端空腔与前端开口空腔之间由线孔连通；
钢丝11的两端各利用一个螺栓5分别固定在两个滑块固定环4上，且两个固定点周向角度相差180度；
滑块3沿轴向还设置一个偏心通孔24；
刀头连接件1内壁设置有一号定滑轮10，钢丝11的一端从靠近镗杆前端的固定点出发，经过一号定滑轮10进入滑块3的偏心通孔24，再经过两个空腔之间的线孔进入尾端空腔，跨经钢丝换向单元后从线孔返回前端开口空腔，并连接至另一个固定点；
钢丝换向单元通过控制钢丝的移动方向来控制滑块3沿悬臂梁12前后移动，进而改变滑块3与镗杆前端的距离，实现减振结构刚度的调节。
优选地，钢丝换向单元包括两个定滑轮组、钢丝缠绕件16、电机垫块9和步进电机18；
二号定滑轮7和三号定滑轮8构成一个定滑轮组，四号定滑轮15和五号定滑轮17构成另一个定滑轮组；
尾端空腔的后端开口处设置电机垫块9，电机垫块9内壁设置有钢丝缠绕件16，电机垫块9上的钢丝缠绕件16两侧对称设置两个定滑轮组，钢丝11从前端开口空腔经由线孔进入尾端空腔，依次绕过一个定滑轮组、钢丝缠绕件16和另一个定滑轮组再返回前端开口空腔；
通过控制步进电机18的正反转来改变钢丝11的移动方向。
优选地，还包括控制单元，所述控制单元用于控制步进电机18的运行，控制单元包括电机驱动模块19和单片机20，单片机20通过电机驱动模块19控制步进电机18正转或反转，通过拉动钢丝11进而带动减振结构前后移动。
优选地，还包括供电单元，所述供电单元用于为控制单元和线圈2供电，供电单元包括调压单元21、变压器22和AC/DC转换模块23，交流电经变压器22降压、调压单元21稳压后作为线圈2的工作电源；调压单元21输出的交流电经AC/DC转换模块23转换为直流电后作为单片机20的工作电源。
优选地，电机垫块9设置有出线孔，调压单元21与线圈2之间通过电线14连接，电线14的一端与线圈2连接，然后依次经前端开口空腔、两个空腔之间的线孔、尾端空腔和出线孔后与调压单元21连接。
优选地，还包括胶圈13，两个滑块固定环4内臂和悬臂梁12之间设置胶圈13。
本发明的有益效果：本发明在镗杆内部设置减振结构，在切削过程中因振动引起减振结构偏心时，减振结构的通电线圈产生的阻尼力，通过调整线圈两端电压的大小来调整阻尼力的大小，进而实现对减振结构阻尼参数的调节。
本发明的减振结构的刚度可变，通过调整滑块在悬臂梁上的位置来调节减振结构的刚度大小，进而实现对减振结构刚度参数的调节。
联合调节减振结构的阻尼和刚度参数，使减振结构的工作状态最优。
附图说明
图1是本发明所述钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆的结构示意图；
图2是减振结构部分的局部放大图；
图3是滑块的结构示意图；
图4是图1的A-A剖视图；
图5是镗杆尾部滑轮组的局部放大图；
图6是控制单元及供电单元的原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1～图5说明本实施方式，本实施方式所述钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆，
包括镗杆6、减振结构和刚度调节单元；
镗杆6设置有前端开口空腔，所述前端开口空腔中设置有减振结构，所述减振结构用于减缓切削引起的镗杆微动，减振结构与镗杆6内壁之间存在均匀径向间隙；在该前端开口空腔的前端开口处设置有刀头连接件1；
刚度调节单元通过调整滑块3与镗杆6前端的距离来实现减振结构刚度大小调节。
减振结构包括线圈2、滑块3、滑块固定环4和悬臂梁12，悬臂梁12沿镗杆中心轴方向设置于前端开口空腔中，悬臂梁12的固定端设置于刀头连接件1内壁中心点，滑块3为圆柱形，滑块3具有中心通孔25，滑块3利用中心通孔25套设在悬臂梁12上，滑块3的外圆周设置有周向凹槽，所述周向凹槽内绕制线圈2，滑块3的左右端面各设置一个滑块固定环4。
刚度调节单元包括钢丝11和钢丝移动单元；钢丝移动单元包括一号定滑轮10和钢丝换向单元；
镗杆6尾端内部设置有尾端空腔，该尾端空腔中设置钢丝换向单元，尾端空腔与前端开口空腔之间由线孔连通；
钢丝11的两端各利用一个螺栓5分别固定在两个滑块固定环4上，且两个固定点周向角度相差180度；
滑块3沿轴向还设置一个偏心通孔24；
刀头连接件1内壁设置有一号定滑轮10，钢丝11的一端从靠近镗杆前端的固定点出发，经过一号定滑轮10进入滑块3的偏心通孔24，再经过两个空腔之间的线孔进入尾端空腔，跨经钢丝换向单元后从线孔返回前端开口空腔，并连接至另一个固定点；
钢丝换向单元通过控制钢丝的移动方向来控制滑块3沿悬臂梁12前后移动，进而改变滑块3与镗杆前端的距离，实现减振结构刚度的调节。
钢丝换向单元包括两个定滑轮组、钢丝缠绕件16、电机垫块9和步进电机18；
二号定滑轮7和三号定滑轮8构成一个定滑轮组，四号定滑轮15和五号定滑轮17构成另一个定滑轮组；
尾端空腔的后端开口处设置电机垫块9，电机垫块9内壁设置有钢丝缠绕件16，电机垫块9上的钢丝缠绕件16两侧对称设置两个定滑轮组，钢丝11从前端开口空腔经由线孔进入尾端空腔，依次绕过一个定滑轮组、钢丝缠绕件16和另一个定滑轮组再返回前端开口空腔；
通过控制步进电机18的正反转来改变钢丝11的移动方向。
电机垫块9设置有出线孔，调压单元21与线圈2之间通过电线14连接，电线14的一端与线圈2连接，然后依次经前端开口空腔、两个空腔之间的线孔、尾端空腔和出线孔后与调压单元21连接。
具体实施方式二：下面结合图1和2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括胶圈13，两个滑块固定环4内臂和悬臂梁12之间设置胶圈13。
具体实施方式三：下面结合图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，还包括控制单元，所述控制单元用于控制步进电机18的运行，控制单元包括电机驱动模块19和单片机20，单片机20通过电机驱动模块19控制步进电机18正转或反转，通过拉动钢丝11进而带动减振结构前后移动。
减振结构变刚度的控制流程：将滑块3两端分别安装滑块固定环4，用螺栓5固定，滑块固定环4内孔安装胶圈13，并与悬臂梁12配合滑动，滑块中部缠绕线圈2。悬臂梁12固定在刀头连接件1上。当步进电机18正转时，钢丝11上半部分受到步进电机18的拉力，处于紧绷状态，步进电机18上的钢丝上半部分收缩，滑块3向右滑动。钢丝11下半部分处于松弛状态，步进电机18上的钢丝下半部分延伸，但由于滑块3向右移动，钢丝11下半部分受到的滑块3左侧的拉力，此时步进电机18上的钢丝11上半部分收缩量与钢丝11下半部分延伸量相等，钢丝11下半部分延伸量与滑块3左侧的收缩量相等，且同步进行，钢丝11整体长度保持不变。当步进电机18反转时，钢丝11下半部分受到步进电机18的拉力，处于紧绷状态，步进电机18上的钢丝11下半部分收缩，滑块3向左滑动。钢丝11上半部分处于松弛状态，步进电机18上的钢丝11上半部分延伸，由于滑块3向左移动，钢丝11上半部分受到的滑块3右侧的拉力，此时步进电机18上的钢丝11下半部分收缩量与钢丝11上半部分延伸量相等，钢丝11上半部分延伸量与滑块3右侧的收缩量相等，且同步进行，钢丝11整体长度依然保持不变。
滑块3向左移动减振结构刚度变大，滑块3向右移动减振结构刚度变小。
具体实施方式四：下面结合图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一至三作进一步说明，还包括供电单元，所述供电单元用于为控制单元和线圈2供电，供电单元包括调压单元21、变压器22和AC/DC转换模块23，交流电经变压器22降压、调压单元21稳压后作为线圈2的工作电源；调压单元21输出的交流电经AC/DC转换模块23转换为直流电后作为单片机20的工作电源。
减振结构变阻尼的控制流程：在滑块3缠绕的线圈向镗杆尾部引出，电线14通过出线孔并连接调压模块21，变压器22通过调压模块21给线圈2供电。线圈2通电经由滑块3和镗杆6、二者之间径向间隙形成闭合磁场，悬臂梁12未动时，磁场均匀；在悬臂梁12因镗杆微动而振动时，减振结构与镗杆6内壁之间径向间隙发生不均匀改变，即磁场的磁通量发生变化，改变的磁通量会在线圈中产生感应电动势，该感应电动势会使线圈产生感应电流，该感应电流会产生相应的磁场，根据楞次定律，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，进而阻碍滑块3的振动，起到产生阻尼的作用。通过改变线圈两端电压的大小，实现对减振结构阻尼参数的调节。

Claims (5)

1.钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆，其特征在于，包括镗杆(6)、减振结构和刚度调节单元；
镗杆(6)设置有前端开口空腔，所述前端开口空腔中设置有减振结构，所述减振结构用于减缓切削引起的镗杆微动，减振结构与镗杆(6)内壁之间存在均匀径向间隙；在该前端开口空腔的前端开口处设置有刀头连接件(1)；
刚度调节单元通过调整滑块(3)与镗杆(6)前端的距离来实现减振结构刚度大小调节；
减振结构包括线圈(2)、滑块(3)、滑块固定环(4)和悬臂梁(12)，悬臂梁(12)沿镗杆中心轴方向设置于前端开口空腔中，悬臂梁(12)的固定端设置于刀头连接件(1)内壁中心点，滑块(3)为圆柱形，滑块(3)具有中心通孔(25)，滑块(3)利用中心通孔(25)套设在悬臂梁(12)上，滑块(3)的外圆周设置有周向凹槽，所述周向凹槽内绕制线圈(2)，滑块(3)的左右端面各设置一个滑块固定环(4)；线圈(2)通电经由滑块(3)和镗杆(6)、二者之间径向间隙形成闭合磁场，在悬臂梁(12)因镗杆微动而振动时，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，进而阻碍滑块(3)的振动，进行阻尼调节；
刚度调节单元包括钢丝(11)和钢丝移动单元；钢丝移动单元包括一号定滑轮(10)和钢丝换向单元；
镗杆(6)尾端内部设置有尾端空腔，该尾端空腔中设置钢丝换向单元，尾端空腔与前端开口空腔之间由线孔连通；
钢丝(11)的两端各利用一个螺栓(5)分别固定在两个滑块固定环(4)上，且两个固定点周向角度相差180度；
滑块(3)沿轴向还设置一个偏心通孔(24)；
刀头连接件(1)内壁设置有一号定滑轮(10)，钢丝(11)的一端从靠近镗杆前端的固定点出发，经过一号定滑轮(10)进入滑块(3)的偏心通孔(24)，再经过两个空腔之间的线孔进入尾端空腔，跨经钢丝换向单元后从线孔返回前端开口空腔，并连接至另一个固定点；
钢丝换向单元通过控制钢丝的移动方向来控制滑块(3)沿悬臂梁(12)前后移动，进而改变滑块(3)与镗杆前端的距离，实现减振结构刚度的调节；
钢丝换向单元包括两个定滑轮组、钢丝缠绕件(16)、电机垫块(9)和步进电机(18)；
二号定滑轮(7)和三号定滑轮(8)构成一个定滑轮组，四号定滑轮(15)和五号定滑轮(17)构成另一个定滑轮组；
尾端空腔的后端开口处设置电机垫块(9)，电机垫块(9)内壁设置有钢丝缠绕件(16)，电机垫块(9)上的钢丝缠绕件(16)两侧对称设置两个定滑轮组，钢丝(11)从前端开口空腔经由线孔进入尾端空腔，依次绕过一个定滑轮组、钢丝缠绕件(16)和另一个定滑轮组再返回前端开口空腔；
通过控制步进电机(18)的正反转来改变钢丝(11)的移动方向。
2.根据权利要求1所述钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元用于控制步进电机(18)的运行，控制单元包括电机驱动模块(19)和单片机(20)，单片机(20)通过电机驱动模块(19)控制步进电机(18)正转或反转，通过拉动钢丝(11)进而带动减振结构前后移动。
3.根据权利要求2所述钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆，其特征在于，还包括供电单元，所述供电单元用于为控制单元和线圈(2)供电，供电单元包括调压单元(21)、变压器(22)和AC/DC转换模块(23)，交流电经变压器(22)降压、调压单元(21)稳压后作为线圈(2)的工作电源；调压单元(21)输出的交流电经AC/DC转换模块(23)转换为直流电后作为单片机(20)的工作电源，通过调整线圈(2)两端电压的大小来调整阻尼力的大小。
4.根据权利要求2所述钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆，其特征在于，电机垫块(9)设置有出线孔，调压单元(21)与线圈(2)之间通过电线(14)连接，电线(14)的一端与线圈(2)连接，然后依次经前端开口空腔、两个空腔之间的线孔、尾端空腔和出线孔后与调压单元(21)连接。
5.根据权利要求1所述钢丝驱动式变刚度阻尼减振镗杆，其特征在于，还包括胶圈(13)，两个滑块固定环(4)内臂和悬臂梁(12)之间设置胶圈(13)。
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